Automatizarea Unei Case Pasive Utilizand Senzori Wireless

Automatizarea unei case pasive utilizând senzori wireless

b#%l!^+a?

CUPRINS

Capitolul 1. INTRODUCERE

SCOPUL LUCRĂRII

În lucrarea de față se prezintă conceptul de casă pasivă, cu ceea ce implică acest concept, punându-se accent pe ventilarea și climatizarea locuinței cu consum de energie redus, în scopul sublinierii avantajelor acesteia, în comparație cu o locuință construită conform tehnicilor și standardelor normale, actuale.

TERMENI, DEFINIȚII ȘI ABREVIERI ÎN DOMENIU

Termeni

Termenii tehnici și notațiile utilizate în această lucrare sunt în concordanță cu legislația în vigoare, din domeniul de activitate din care menționăm:

Legea 10/1995 cu modificările ulterioare și Legea 372/2005 cu modificările ulterioare;

SR EN 12792:2004 Ventilarea în clădiri. Simboluri, terminologie și simboluri grafice;

SR CR 1752:2002 Instalații de ventilare în clădiri. Criterii de proiectare pentru realizarea confortului termic interior;

EIB (European Installation Bus) Linii de alimentare, cabluri de semnal și radio ;

LON (Local Operating Network) Controlul energiei, automatizarea echipamentelor în sistemele de acces și control ;

X10 Automatizarea aparatelor casnice – lămpi, dispozitive de încălzire, etc.

Alte standarde în vigoare.

Definiții

Calitatea aerului interior – Caracteristica (însușirea) acestuia de a avea un conținut de poluanți care nu depășeste concentrațiile sau dozele admise (asimilate de persoane în perioada de ocupare), asigurând astfel igiena și sănătatea persoanelor.

Climatizarea – Procesul prin care în interiorul încăperilor se asigură o temperatură controlată a b#%l!^+a?aerului, indiferent de procesele termice din interiorul sau din exteriorul clădirii. Climatizarea presupune încălzirea și răcirea controlată a spațiilor.

Confortul termic – Senzația de bună stare fizică rezultată din faptul că schimbul de căldură dintre corpul uman și mediul înconjurător se realizează fără suprasolicitarea sistemului termoregulator.

Condiționarea aerului – Procesul prin care se realizează controlul temperaturii, umidității, vitezei și de cele mai multe ori și a purității aerului interior.

Consumul de energie pentru încălzire – Energia livrată sistemului de încălzire pentru a satisface necesarul de căldură pentru încălzirea clădirii.

Eficiența energetică a instalației de încălzire – Raportul dintre necesarul de căldură pentru încălzirea clădirii și consumul de energie pentru încălzire.

Eficiența ventilării – Mărime adimensională care exprimă în ce măsură aerul de ventilare se amestecă cu aerul interior din încăpere; se exprimă ca raport între diferența de concentrație de poluant (căldură, umiditate, gaze) dintre aerul evacuat și aerul introdus și diferența de concentrație dintre aerul interior (din zona ocupată) și aerul introdus

Tipurile de aer – Sunt denumite și notate după rolul pe care îl are aerul, ca agent de lucru din instalațiile de ventilare/climatizare; acestea sunt definite conform tabelului 2 din SR EN 13779:2007.

Ventilarea – Procesul prin care intră (natural sau forțat) aer proaspăt în încăperi și prin care, din încăperi se elimină (natural sau forțat) aerul poluat.

Zona termică a clădirii – Reprezintă o parte dintr-o clădire care este caracterizată prin anumiți parametri ai ambianței termice interioare și printr-un anumit profil de variație a sarcinii termice, rezultat din orientarea clădirii, din modul de utilizare a spațiului ocupat, a distribuției surselor interioare de căldură etc.

Casă inteligentă – este locuința care este dotată cu tehnologii moderne, automatizate, ce asigură confort, securitate, siguranță și economie.

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

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

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

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

Abrevieri

SH – SmartHome

ES – element sensibil

A – adaptor

T – traductor

DE – Directiva Europeană

T – traductoare;

DA- dispozitive de actionare;

ICC – interfață de conversie și comunicație;

NLC – nod local de conducere;

SA1, SA2 – servere de aplicație

CP – post dispecer;

CNI – conducere numerică intreprindere;

MC1, MC2 – magistrală de câmp;

MLA – magistrală locală de aplicație;

MLI – magistrală locală de întreprindere

SI-I – sistem de interfață a intrărilor;

SI-E – sistem de interfață a ieșirilor;

SIA – sistem de interfață pentru mărimi analogice;

SIN – sistem de interfață pentru mărimi numerice;

CO – consola operator;

CU – calculator universal;

PG – periferice generale.

NECESITATEA LUCRĂRII

Energia este un element esențial pentru funcționarea economiei oricărei țări. Perioada în care Europa beneficia de resurse energetice (RE) sigure și ieftine a luat sfârșit, iar toți membrii UE se confruntă cu provocările ridicate de schimbările climatice, de dependența din ce în ce mai mare de importurile de energie, precum și de prețurile tot mai ridicate ale energiei.

Sectorul energetic, în care este inclus consumul casnic și terțiar, generează 80% din emisiile de gaze cu efect de seră din UE, reprezentând principala cauză a schimbărilor climatice și, în mare măsură, a poluării atmosferice. UE s-a angajat să găsească soluții de atenuare a schimbărilor climatice, în special prin reducerea volumului global al emisiilor de gaze cu efect b#%l!^+a?de seră, atât în cadrul Uniunii cât și pe plan mondial, până la un nivel care să limiteze încălzirea globală la valori doar sensibil superioare celor din era preindustrială.

Documentele UE arată că în clădirile de locuit și în cele din sectorul terțiar, se consumă aproximativ 40% din energia totală și se menționează tendința de creștere a acestuia prin utilizarea de instalații de ventilare și climatizare.

Printre măsurile cheie stabilite în documentul „O politică energetică pentru Europa”, propus de Comisia UE în ianuarie 2007, se înscrie și „îmbunătățirea rapidă a randamentului energetic al clădirilor din UE și luarea unor inițiative astfel încât casele cu consum energetic extrem de redus să devină standardul clădirilor noi”.

Cercetările orientate în direcția identificării unor strategii și mijloace de rezolvare a problemelor energetice și, mai recent, a celor de mediu arată faptul că este pe deplin posibilă obținerea unei bune calități arhitecturale, a unui mediu interior agreabil, confortabil și sănătos și a unui consum de energie redus.

În acest context, preocupările arhitectilor și inginerilor pentru reducerea consumurilor energetice în clădiri au condus la o redescoperire a principiilor de control a mediului interior prin:

forma clădirilor,

orientarea fațadei spre sud și evitarea zonelor umbrite,

formă compactă și izolație termică performantă,

ferestre eficiente din punct de vedere energetic,

improspătarea aerului prin ventilație și un sistem eficient de recuperarea căldurii,

utilizarea unor surse regenerabile de energie pentru producerea curentului electric și prepararea apei calde,

utilizarea sistemelor inteligente de comandă și control (conceptul de casă inteligentă);

utilizarea de aparate electrocasnice cu consum energetic redus.

O concepție strict pasivă nu presupune nici o intervenție mecanică, dar această soluție nu este în general cea optimă, deoarece integrarea unor dispozitive mecanice și electrice este impusă chiar de funcționarea corectă a elementelor pasive. Arhitectura pasivă este deci un termen generic, utilizat pentru a defini un demers care are ca obiectiv reducerea consumurilor de energie primară pentru încălzirea, iluminatul și climatizarea unei cladiri.

În figura 1 este prezentată o arhitectură pasivă cu sistemele aferente integrate.

Fig. 1.1. Tehnologii integrate într-o clădire pasivă

Securitatea casei este la fel de importantă ca și controlul consumului energetic. Având în vedere evoluția tehnologiilor, la ora actuală este nu numai necesară instalarea sistemelor inteligente în orice locuință. Acest lucru se poate realiza ușor, fără a executa lucrări de construcții și/sau amenajări interioare și exterioare. Echipamentele pot comunica între ele prin frecvențe radio dedicate, fără a se produce interferențe cu rețelele existente de telecomunicații sau Wi-Fi.

În prezent clădirile obișnuite dispun de instalații diverse, în vederea obținerii unui mediu confortabil și plăcut ocupanților. Datorită creșterii nevoii de confort, casa inteligentă, reprezintă un concept care va fi dezvoltat și implementat din ce în ce mai mult în următorii ani.

O casă cu un nivel ridicat de confort, este complet automatizată și oferă proprietarilor cele trei elemente de bază pentru asigurarea unui trai adaptat secolului actual:

siguranță;

securitate;

confort maxim.

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

Realitatea este că datorită stresului zilnic, cererea de modernizarea caselor este foarte ridicată în comparație cu nivelul de trai. Soluțiile companiilor de profil îi vizează clar pe proprietarii cu un nivel ridicat de trai (persoanele cu venituri mari și foarte mari), care iubesc confortul, aceștia optând pentru soluții complete de automatizări, care să le permită transformarea locuinței într-un spațiu special în care să uite de toate problemele.

ACTUALITATEA ÎN DOMENIU b#%l!^+a?

În 1991 Wolfgang Feist și Bo Adamson au aplicat conceptul de .arhitectura pasivă la construcția unei case în Darmstat. Aceasta s-a dovedit foarte eficientă, atât din punct de vedere al consumului energetic, cât și din cel al confortului realizat la interior. Experiența s-a reluat patru ani mai târziu cu o altă clădire bazată pe aceleași concepte. Pornind de la rezultatele obținute, W. Feist a definit în 1995 conceptul de “Casă pasivă” (Passivhaus), care abordează trei aspecte esențiale:

limitarea drastică a consumurilor energetice pentru încălzire și climatizare;

realizarea unor exigențe sporite de calitate (confort termic);

definirea unei serii de sisteme pasive privilegiate.

Pe baza acestor principii au fost construite peste 10.000 de case pasive în Germania, Austria, Elveția, Belgia și în alte țări din Europa Centrală.

În acest moment efortul principal în ceea ce privește implementarea proiectelor de case pasive, se concentrează asupra îmbunătățirii tehnologiilor, pentru coborarea costurilor acestora.

Se dorește în special creșterea performanțelor echipamentelor și reducerea energiei consumate în funcționare, dar și alegerea judicioasă a proceselor, în funcție de condițiile geografice și obiceiurile viitorilor utilizatori.

În prezent, modul de construcție al clădirilor este influențat de factori care justifică și motivează schimbările sociale și economice în favoarea protecției mediului. Printre acești factori, se află:

Reducerea la minim posibil a efectelor schimbărilor climatice;

Dezvoltarea continuă a științei și tehnologiei;

Alimentarea locuințelor cu energie electrică obținută din surse neconvenționale (de aici rezultând și reducerea poluării mediului înconjurător);

Prețul utilităților;

Economia de energie;

Îmbunătățirea condițiilor de viață.

DE 2002/91/EC introdusă și în legislația românească, în scopul reducerii pierderilor de energie a clădirilor, prevede introducerea certificării energetice a clădirilor. În urma obținerii certificatului energetic, vor rezulta clădiri cu consum redus de energie, în concluzie cu costuri mult reduse întreținerii.

Pornind de la clădirile clasice fără îmbunătățiri, din dorința nevoii de creșterea confortului, s-a ajuns la conceptul de clădire inteligentă.

Denumirea de „Clădirea inteligentă” este de fapt, un concept nou, de marketing.

Per ansamblu, clădirea inteligentă are urătoarele caracteristici principale:

acoperă în întregime funcționalitatea clădirilor clasice;

sunt performante din punct de vedere energetic;

implică noi funcționalități pentru o clădire rezultând un confort ridicat standardelor mondiale.

În această lucrare se vor prezenta o parte din automatizările wireless posibile clădirilor pasive inteligente, implementate în vederea îmbunătățirii confortului și economiei de energie, folosind tehnicile moderne precum și ultimele descoperiri tehnico-științifice.

b#%l!^+a?

Capitolul 2. CASA PASIVĂ

NOȚIUNI GENERALE

În acest capitol din lucrare se prezintă conceptul de casă pasivă (casă cu consum de energie redus) punându-se accent pe ventilarea și climatizarea acesteia prin utilizarea sistemului natural denumit “puț canadian”, alimentată cu energie electrică obținută din energie eoliană.

Consumul energetic pentru a încălzi o casă depinde de factorii următori:

căldura pierdută în mediul înconjurător,

căldura câștigată datorită soarelui,

căldura câștigată datorită producției interne.

Rezumând, pentru a diminua consumul de energie pentru încălzire, există trei posibilități majore:

producerea de mai multă energie internă – este produsă de către locuitorii casei (metabolism), de aparatele electromenajere (aragaz, fier de calcat, computer etc), de sistemul de iluminare (becurile clasice),

conservarea și diminuarea pierderilor (căldurii) în mediul înconjurător – trebuie avută în vedere izolarea pereților și a ferestrelor. Automat, realizarea unei etanșeități bune, impune asigurarea unei ventilații corespunzătoare astfel încât să poată fi realizat confortul persoanelor,

captarea energiei solare – este un obiectiv important în situația reducerii consumului de energie pentru încălzire, motiv pentru care, în proiectarea casei se va ține cont de poziționarea casei în raport cu soarele precum și poziționarea/mărimea/numărul ferestrelor.

CARACTERISTICILE CASELOR PASIVE

Formă compactă și izolare bună → Toate elementele de construcție opace ale anvelopei trebuie să fie bine termoizolate, coeficientul global de transfer termic k< 0,15 W/m²K;

Orientare sudică și elemente de umbrire → Utilizarea pasivă a energiei solare este un factor important în proiectarea casei pasive

Ferestre eficiente energetic → Ferestrele (tamplarie+geam) trabuie sa aiba k ≤ 0,80 W/m²K si coeficientii de absorbtie a radiatiei solare ≈ 50%.

Etanșeitatea la aer a anvelopei → Schimbul de aer prin neetanșeități trebuie să fie mai mic de 0,6 ori volumul casei pe oră.

Preîncălzirea pasivă a aerului proaspăt → Aerul proaspat poate fi aspirat prin canale subterane care schimbă căldura cu solul și preîncălzesc aerul proaspăt la o temperatură de peste 5 °C, chiar și în zilele reci de iarnă.

Recuperarea eficientă a căldurii aerului evacuat cu un schimbător de căldură aer-aer → Cea mai mare parte a căldurii sensibile din aerul evacuat este transferată aerului proaspăt admis în clădire (rata de recuperare peste 80%);

Prepararea apei calde de consum prin folosire de surse regenerabile de energie → Apa caldă de consum este preparată cu ajutorul panourilor solare sau pompelor de căldură;

Aparatura electrocasnică și de gătit, eficientă energetic → Frigidere, congelatoare, mașini de gătit, lămpi de iluminat, mașini de spalat rufe și vase cu consum redus de energie.

Încercările începute în 1990 în Germania, cu scopul de a găsi o soluție tehnică optimă pentru a construi case cu consum de energie redus, au fost continuate și în cei 10 ani ce au urmat, având rezultatul final, certificatul “PassivHaus”.

Aceste case depind de un sistem activ pentru funcționarea lor. Sunt utilizate sisteme de ventilare mecanică sofisticate cu dublu flux și schimbător de căldură, în scopul de a rezolva problema pierderilor termice datorate ventilării.

Fig. 2.1. Casă pasivă cu ventilare mecanică (VMC) și puț canadian.

CONSUMUL DE ENERGIE PENTRU O CASĂ PASIVĂ

Locuința cu consum energetic redus sau casa pasivă, este o clădire care trebuie să b#%l!^+a?asigure confortul interior atât în perioada de iarnă, cât și în perioada de vară, cu consumuri reduse de energie. Principalele criterii de calitate pentru casa pasivă au fost definite de Institutul Passivhaus din Darmstadt (Dr. Wolfgang Feist), după cum urmează:

consumul anual pentru încălzire nu trebuie să depășească valoarea de 15 kWh/m2 an;

consumul total de energie primară pentru toți consumatorii din locuință (încălzire, apă caldă menajeră, ventilație, pompe, iluminat, gătit și aparate casnice) nu trebuie să depășească valoarea de 120 kWh/m2 an;

temperatura interioară nu va cobori sub 20 °C în timpul iernii, iar în timpul verii va fi menținută sub 26 °C;

testul de etanșeitate (la 50 Pa) a anvelopei casei, realizat după normele EN 13829, trebuie să indice un schimb de aer de maxim 0,6 h-1;

valorile necesarului de energie se calculează cu programul de calcul întocmit de Passivhaus Institut : « Passive Hause Planning Package » (PHPP).

Pornind de la aceste limitări, eventualele consumuri suplimentare de energie pot fi acoperite cu surse regenerabile de energie.

Toate acestea înseamnă că întregul consum energetic al unei case pasive este mai puțin de un sfert din energia consumată de o clădire nouă care satisface reglementarile naționale în vigoare, și mai puțin decat energia electrică și de preparare a apei calde menajere într-o clădire nouă, medie din Europa.

Pe de altă parte, conceperea unei soluții pentru “Casa cu consum energetic redus” trebuie să fie adaptată condițiilor climatice și geografice specifice amplasamentului. Mai ales detaliile privind izolația clădirii, ferestrele și ventilarea nu pot fi aceleași în oricare parte de pe glob s-ar afla amplasamentul.

VENTILAȚIA CASEI PASIVE

Casa pasivă în România trebuie concepută în sensul « conservării energiei » iar în funcție de caracteristicile locului de construcție se va ține cont de câteva elemente suplimentare cum ar fi orientarea ferestrelor sau protecția lor în perioadele estivale.

O locuință cu consum energetic redus implică:

etanșeitate perfectă;

ranforsarea izolației (35cm-40cm), izolație plasată în așa fel încât să reducă la maxim podurile termice

ferestre triplu vitraj (și profilul, nu doar sticla, să respecte U<0,8 w/m2k)

reciclarea caloriilor din aer cu ajutorul unei VMC (ventilare mecanică controlată) cu flux dublu și schimbator de căldură + puț canadian.

Toate etapele precedente conduc în final, la realizarea unei cutii izoterme. Pentru a realiza confortul conform standardelor în vigoare, este necesară ventilarea casei, evitând pierderile calorice adunate prin aportul intern (căldura corpului, căldura aparatelor menajere, etc).

O soluție este folosirea ventilării mecanice controlate (VMC) cu flux dublu și schimbător de caldură performant, plus puț canadian.

Fig. 2.2. Ventilare mecanică controlată (VMC) dublu flux.

Alimentarea cu aer proaspat este asigurată prin ventilare mecanică controlată (VMC) în flux dublu. Alimentarea și evacuarea mecanică permite optimizarea ventilației în funcție de necesități, independent de condițiile climatice exterioare.

Ventilația va insufla aerul proaspat în zona de locuit (living, birou, dormitoare) și va aspira din zona bucătăriei și băilor, aerul uzat încărcat cu noxe și umiditate. Pentru a reduce pierderile de căldură prin ventilare, casa pasivă va fi în mod obligatoriu echipată cu un recuperator de caldură (sistem dublu flux).

Fig. 2.3. Sistem de ventilare „dublu flux” amplasat într-o casă.

Rata de recuperare a schimbătorului de căldură trebuie să fie ≥80%. Pentru a se respecta obiectivele eficienței energetice este obligatoriu ca energia necesară ventilării să fie < 0 4 Wh/m3 de aer circulat.

Pentru a controla sensul mișcării aerului, alimentarea cu aer proaspăt se va face în b#%l!^+a?încăperile „uscate” (sufragerie, dormitoare) în timp ce evacuarea aerului viciat se va efectua acolo unde poluarea aerului este mai importantă, adică în zonele „umede” (bucătărie, baie, wc) sau de serviciu (holuri). Între încăperile cu dispozitive de introducere și cele cu dispozitive de evacuare, aerul circulă prin intermediul „deschiderilor de transfer” poziționate la nivelul ușilor sau pereților.

Fig. 2.4. Realizarea unui sistem de ventilare „dublu flux”.

Diferența de presiune între zonele „uscate” care se află în suprapresiune și zonele umede (în depresiune) asigură un debit de aer permanent în sensul dorit de circulație al aerului. Se evită astfel ca mirosurile neplăcute să fie preluate din bucătărie sau din baie, către sufragerie sau dormitoare.

Se propune recuperarea de căldură plecând de la sistemul de ventilare „dublu flux” (fig. 2.5). Randamentul dispozitivului de recuperare a căldurii trebuie să fie cuprins între 75…95%.

Fig. 2.5. Schema de principiu pentru ventilare mecanică

„dublu flux” cu recuperare de căldură.

Recuperatorul de căldură recomandat este de tip schimbător de căldură cu plăci (schimbător de căldură în contracurent) – prezentat în figura 2.6.

Fig. 2.6. Exemplu de recuperator de căldură în plăci.

Într-o casă obișnuită, pierderea de căldură datorată ventilării poate atinge valori de 20…30 kWh/m2 an. Într-o casă pasivă, datorită recuperării de entalpie, pierderea de căldură atinge valori mult mai reduse (2…7 Kwh/m2,an).

Debitul de aer de ventilare trebuie să asigure la nivelul întregii construcții 0,5 h-1 schimburi de aer.

Conductele de aer prin care aerul circulă în interiorul casei vor fi izolate corespunzător astfel încât să se reducă la maxim pierderile de căldură și nivelul de zgomot (între 6-10 cm de izolație).

În situația de vară când nu se mai pune problema recuperării de căldură se poate introduce un by-pass (fig. 2.5).

Sistemul propus permite refularea unui aer la o temperatura de 20°C în condițiile în care aerul interior este la 22°C iar aerul exterior la -10°C.

De asemenea, acest sistem poate fi cuplat cu sistemul de încălzire și apă caldă menajeră sau cu sistemul de „PUȚ CANADIAN” folosit în principal pentru răcire pasivă, așa cum este explicat mai jos.

SISTEM DE ÎNCĂLZIRE ȘI PRODUCERE APĂ CALDĂ MENAJERĂ (ACM)

Necesarul de energie pentru încălzire al unei case pasive este extrem de redus în comparație cu construcțiile obișnuite. Din acest motiv soluțiile de sisteme clasice de încălzire nu pot fi luate în considerare. Se prezintă mai jos soluțiile reținute în vederea asigurării încălzirii și producerii de a.c.m. pentru casa pasivă.

– producere a.c.m.: soluția propusă constă în utilizarea de panouri solare cu un aport, dacă este necesar, de la sistemul de încălzire;

– panouri solare și gaz: a.c.m. este preîncălzită prin intermediul panourilor solare, iar sursa auxuliară de energie poate fi constituită de un mic cazan în condensație (microcentrala) de maxim 15 kW, funcționând pe gaz natural. Microcentrala poate fi racordată la boiler (randament înalt) sau la sistemul de ventilare pentru a încălzi aerul refulat în casă (randament de funcționare scăzut în acest caz). Se face observația ca o astfel de soluție este viabilă mai b#%l!^+a?degraba în cazul mai multor case care ar fi deservite de acest tip de sistem (minim 5 consumatori).

– panouri solare și pompa de căldură aer/apă: soluție compactă ce combină producția de a.c.m., ventilarea și încălzirea (preîncălzirea aerului refulat). Principiul de funcționare este următorul:

pompa de căldură este cuplată cu sistemul de ventilare cu recuperare de căldură;

pompa de caldură transferă căldura reziduală din aerul viciat către rezervorul acm;

un schimbător de căldură suplimentar, între acm și aerul refulat, asigură încălzirea. Se recomandă prevederea unei surse suplimentare de energie pentru situațiile în care pompa de căldură nu satisface în totalitate necesarul de încălzire și acm (panouri solare sau rezistență electrică, de preferat prima variantă).

– panouri solare și pompa de caldură aer/aer: în această situație, cele două funcții (încălzire și a.c.m) sunt distincte. Pentru a.c.m. se folosesc panourile solare care asigură încălzirea apei într-un boiler iar pentru încălzire o pompă de căldură aer/aer racordată la sistemul de ventilare cu recuperare de căldură. Aceasta va transfera căldura reziduală din aerul viciat direct aerului refulat în casă în loc de a comunica cu boilerul de a.c.m. ca în situația precedentă.

– panouri solare și pompa de căldură sol/apă: în această situație pompa de căldură va „extrage” căldura din sol (prin sonde verticale) și o va transfera unui boiler bivalent alimentat și de panouri solare. Boilerul bivalent va produce a.c.m. și agentul termic necesar pentru un sistem de pardoseală radiantă (încălzire în pardoseală). În aceste condiții se dispune de sisteme separate de încălzire și ventilare.

Fig. 2.7. Sistem de încălzire/răcire cu pompa de căldură sol/apă

și pardoseală radiantă.

Avantajul sistemului consta în posibilitatea utilizării și ca răcire pasivă pe perioada estivală a pardoselii radiante.

Indiferent de soluția reținută, toate conductele de a.c.m. vor fi izolate pentru a reduce pierderile de căldură (grosimea izolație: aproximativ jumatate din diametrul conductei).

SISTEMUL DE CLIMATIZARE DE TIP “PUȚ CANADIAN”

Descrierea sistemului

În afara variantei de răcire pasivă în cazul folosirii sistemului cu pompă de căldură sol/apa și încălzire în pardoseală, se propune și studierea eficacității sistemului bazat pe tehnica de tip „put canadian” care poate fi cuplat la sistemul de ventilare. Avantajul acestui sistem constă în faptul că poate fi utilizat și iarna pentru preîncălzirea aerului de ventilare.

Solul la 2 metri adâncime prezintă o temperatură practic constantă tot timpul anului, variațiile fiind între 13…15°C în funcție de sezon, în timp ce temperatura aerului exterior poate varia de la -15°C la +35°C în majoritatea regiunilor din țară. „Puțul canadian” exploatează această temperatură constantă: aerul, în loc să fie preluat direct din exterior, va circula într-un canal îngropat, în contact cu solul pentru a avea loc un transfer de căldură.

Principiul de funcționare constă astfel, în a vehicula aerul în conducte îngropate înainte de a fi introdus în clădiri (figura 2.8):

Iarna, temperatura solului este mai ridicată decât temperatura aerului, deci aerul rece este preîncălzit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate;

Vara, temperatura solului este mai coborâtă decât cea a aerului, de această dată aerul este răcit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate;

Primăvara și toamna, sistemul cu „puț canadian” prezintă mai puțin interes deoarece temperatura aerului se apropie de cea de confort, cuprinsă între 18 și 22°C. Sistemul va fi deconectat dacă este nevoie prin intermediul unui by-pass pentru a nu se ajunge la un efect „invers” în aceste perioade.

Fig. 2.8. Schema de principiu a sistemului de tip „PUȚ CANADIAN” b#%l!^+a?

Dimensionarea sistemului cu puț canadian trebuie corelată cu sistemul de ventilare al casei. Dimensionarea trebuie să țină cont de parametrii următori:

debit de aer necesar,

lungime (de regula între 40…50 m);

diametru (de regula 20 cm);

viteza de curgere a aerului (maxim 3 m/s);

caracteristici sol (nisipos, argilos, prezența pânzei de apa freatică care îmbunătățește schimbul de căldură, etc.);

adâncime (în general este necesară o adâncime de minim 1,5 m).

Fig.2.9. Schema de funcționare a unui sistem

de puțuri canadiene în timpul verii.

Sistemul de tip “PUȚ CANADIAN” are avantaje evidente față de ventilarea mecanică controlată (VMC) cu recuperator de căldură prezentat în figura 2.10.

Fig. 2.10. Ventilare cu recuperator de căldură.

Deoarece temperatura aerului iarna este foarte scăzută, sistemul “puț canadian” trebuie combinat cu un recuperator de căldură care, în vară va fi ocolit (figura 2.11).

Fig. 2.11. Ventilare cu „Puț Canadian” combinat cu recuperator de căldură.

Proprietățile termice ale pământului

Schimbul de căldură între aer și pământ depinde direct de proprietățile termice ale acestuia. Printre caracteristicile principale care influențează schimbul de căldură aer-pământ sunt regăsite: conductibilitatea (l), căldura specifică (cp) și temperatura pământului.

Principalele proprietăți termice ale pământului sunt condiționate de structura lui și variază, pentru același tip de pământ funcție de umiditatea acestuia. Radiația solară ce atinge suprafața pământului este compusă din radiația solară directă, transmisă prin atmosferă și radiația solară difuză, reflectată de atmosferă. Radiația globală este parțial reflectată de pământ, în funcție de înclinarea, natura, culoarea și de rugozitatea suprafeței.

Coeficientul de reflexie a, al pământului, variază de la 0,10 la 0,30 pentru câmpii și prerii, de la 0,05 la 0,20 pentru păduri, de la 0,15 la 0,4 pentru un pământ gol, poate atinge 0,95 pentru zăpada proaspăță care este puternic reflectorizantă.

Fig. 2.12. Energia solară absorbită de pământ.

Se estimează că, în medie, 46% din energia solară care ajunge în atmosfera terestră, este absorbită de pământ. b#%l!^+a?

Temperatura pământului la o adâncime de 2 m, este aproximativ de 17 oC în timpul verii și de 4 oC în timpul iernii (figura 2.13)

Fig. 2.13. Temperatura pământului de-a lungul unui an la diferite adâncimi.

Amplasarea conductelor de aer în cazul sistemului de tip “puț canadian”

Sistemul prezentat în figura 2.9 poate avea diverse forme de realizare funcție de debitul de aer ce trebuie vehiculat. În situația în care debitul de aer ce poate fi vehiculat printr-o conductă nu este suficient pentru clădirea ventilată, se poate mări numărul de conducte, păstrând o distanță de aproximativ 1,5 m între ele. În figura 16 a), b), c), d) și e), sunt prezentate posibilitățile de amplasare ale conductelor, într-un sistem de tip “puț canadian”

Fig. 2.14. Posibilitățile de amplasare ale conductelor, într-un sistem de tip “puț canadian”.

sistem cu conductă dreaptă.

sistem cu o serpentină cu intrarea și ieșirea prin centru cu lungime diferită a circuitelor.

sistem cu o serpentină cu circulație inelară cu lungime egală a circuitelor.

sistem cu o conductă ce înconjoară locuința.

sistem cu două conducte ce înconjoară locuința.

În cazul țărilor în care temperaturile aerului exterior, sunt excesiv de ridicate (tc>32oC și fc>50%), la trecerea aerului prin sistemul de tip “puț canadian”, în interiorul conductei se atinge temperatura punctului de rouă și se produce condens.

Fig. 2.15. Posibilitățile de eliminarea condensului în cazul sistemului

de tip “puț canadian”.

Cu ajutorul unui sifon plasat în interiorul locuinței unde va fi prevăzută o instalație de scurgere pentru sifon

Într-un spațiu de vizitare plasat la cel mai jos nivel;

Prin amplasarea conductei pe un strat de pietriș care să permită infiltrarea condensului în sol.

SITUAȚIA PE PLAN NAȚIONAL ȘI INTERNAȚIONAL ÎN DOMENIUL TEMATICII PROPUSE

Conform unei lucrări realizate de “Institutul de studii și proiectări energetice”, prezentate pe 27 august 2009, în localitatea Agigea, situația actuală privind locuințele cu consum de energie redus, în Uniunea Europeană, este:

Case pasive adecvate condițiilor climatice din Europa

Observație:

În SONNENPLATZ AUSTRIA a fost construit primul sat cu case pasive, din Europa:

Etapa I – 2006-2007 – 5 case pasive

Etapa II – 2008-2010 – 15 case pasive

ANALIZA CRITICĂ A STADIULUI ACTUAL

Comparație între casa standard și casa pasivă – costuri de producție

Comparație între casa standard și casa pasivă – necesar de căldură

Capitolul 3. REȚELE DE SENZORI WIRELESS

GENERALITĂȚI

Rețelele de senzori wireless (fără fir), constituie un sistem distribuit și unitar de dispozitive wireless capabil să utilizeze o mare varietate de senzori electronici. Fiecare nod al unei rețele de senzori wireless este echipat cu unul sau mai mulți senzori controlați de un microcontroler, un transmițător wireless și o sursă de energie. Rolul microcontrolerului este să conlucreze cu senzorii și cu transmițătorul în așa manieră încât să formeze un sistem eficient care transmită volume relativ mici de date importante cu un consum minim de energie electrică.

Cea mai importantă caracteristică a unei rețele de senzori wireless constă în autonomia ei. În momentul comunicării, microprocesorul inițializează automat comunicația cu toate celelalte noduri de același nivel dând naștere ad-hoc unei bucle de rețea în scopul comunicării informației către și de la un nod poartă. Prin aceasta se elimină necesitatea existenței unei rețele cablate costisitoare și inestetice între noduri. Pentru schimbul de informații între noduri se apelează la algoritmi flexibili caracteristici buclelor rețelei. Se permite prin aceasta ca nodurile să comunice și să primească informații aproape în orice locație. Luând în considerație și faptul că modulele de senzori dispun de surse de alimentare aproape nelimitate, flexibilitatea oferiă de rețelele de senzori wireless conferă un potențial semnificativ aplicațiilor specifice.

Rețelele de senzori wireless prezintă numeroase avantaje în raport cu rețelele traditionale datorită construcției modulare și a posibilitătilor de implementare. O caracteristică importantă constă în prețul de cost scăzut, prin utilizarea microcontrolerelor și a transmițătoarelor de mică putere care sunt relativ ieftine. Acest lucru permite extinderea ariei de aplicabilitate în domeniul comercial și militar, deoarece prețul relativ scăzut al nodurilor permite utilizarea unui număr mare de senzori într-o rețea, dar și piederdea unui mare număr dintre aceștia. De exemplu, nodurile senzoriale pot fi lansate dintr-un avion, permițând acoperirea unui anumit areal cu un minim efort depus în poziționarea individuală a nodurilor. Prețul relativ scăzut al senzorilor permite acceptarea riscului ca un număr dintre ei să fie avariați sau pierduți, fără a compromite întregul sistem cum ar fi în cazul unui sistem mai centralizat de senzori [3].

Un alt avantaj al rețelelor de senzori wireless în raport cu tehnologia de detectare clasică constă în configurația ochiurilor rețelei utilizate. Datorită naturii comunicației RF, transmiterea datelor dintr-un punct în altul prin utilizarea ochiurilor rețelei necesită mai puțină energie decât transmiterea datelor direct între două puncte. Deoarece sistemele încorporate trebuie să-și respecte domeniul, energia totală consumată pentru comunicațiile RF este mai mică în structura ochiurilor rețelei decât în cazul comunicațiilor punct-cu-punct tradiționale.

Rețelele de senzori pot oferi un grad de acoperire mai bun decât tehnologia tradițională de detectare. Profitând de prețul de cost redus al nodurilor și structura rețelelor wireless, utilizatorii pot folosi mai mulți senzori decât le permitea tehnologia tradițională. Prin aceasta se reduce rata globală a zgomotului sistemului, crescând volumul de date utile. Acestea sunt unele dintre motivele pentru care rețelele de senzori wireless oferă posibilități noi și multiple în raport cu tehnologia de detectare tradițională [3].

SENZORI

Noțiuni generale

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

Această definiție este cuprinzătoare. Atât de cuprinzătoare, încât acoperă o arie care cuprinde aproape orice, de la ochiul omenesc la trăgaciul unui pistol. Să considerăm sistemul de control al nivelului din figura 3.1.

Fig. 3.1. Sistem de control al nivelului. Tubul indicator și ochiul operatorului formează

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

Operatorul ajustează nivelul lichidului din rezervor acționând asupra supapei de admisie. El trebuie să compenseze variațiile debitului de admisie, schimbările de temperatură (acestea vor modifica vâscozitatea fluidului și în consecință valoarea debitului prin supapă), precum și alte perturbații. Fără control rezervorul fie va deversa fluidul, fie se va goli. Pentru a acționa corespunzător, operatorul trebuie să obțină la vreme informații despre nivelul fluidului din rezervor. În acest exemplu, informația este percepută de către senzor, care constă din două elemente principale: tubul indicator al rezervorului și ochiul operatorului care generează un semnal electric de răspuns în nervul optic. Tubul indicator singur nu constituie un senzor, iar în acest sistem particular de control, nici ochiul operatorului nu este un senzor. Doar combinația celor două elemente constituie un senzor dedicat (detector), care este selectiv sensibil la nivelul fluidului. Dacă tubul indicator este proiectat corespunzător, va evidenția rapid variațiile nivelului de fluid din rezervor, ceea ce înseamnă că senzorul are o viteză mare de răspuns. În cazul în care diametrul interior al tubului indicator este prea mic pentru o vâscozitate dată a fluidului, nivelul fluidului din tub va urmări cu întârziere variațiile nivelului din rezervor. Astfel, se poate considera că senzorul prezintă în acest caz o fază caracteristică. În anumite cazuri întârzierea poate fi acceptabilă, pe când în alte cazuri se impune o reproiectare a dimensiunii tubului indicator. Așadar, performanța senzorului poate fi impusă doar de o parte a sistemului de achizitie de date.

Lumea în care trăim este împărțită în În obiecte naturale și obiecte făcute de om. Senzorii naturali, cum sunt cei care se găsesc în organismele vii, răspund uzual prin semnale cu un caracter electrochimic, deoarece natura lor fizică se bazează pe transportul de ioni, cum ar fi în fibrele nervoase (cazul nervului optic al operatorului rezervorului de fluid). Și în cazul dispozitivelor produse de oameni, informația este transportată și procesată în formă electrică, dar prin transport de electroni. Senzorii utilizați în sistemele artificiale trebuie să folosească același limbaj ca și dispozitivele cu care sunt interfațați. Acest limbaj este de natură electrică și un senzor confecționat de om trebuie să fie capabil să răspundă prin semnale în care informația este transmisă mai degrabă prin deplasarea electronilor decât prin deplasarea ionilor. Există astfel posibilitatea de a conecta un senzor la un sistem electronic prin fire conductoare și nu printr-o soluție electrochimică sau o fibră nervoasă.este motivul pentru care un senzor se poate defini mai specific prin formularea: un senzor este un dispozitiv care recepționează un stimul și răspunde acestuia cu un semnal electric.

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

Rolul unui senzor este acela de a răspunde unui anumit tip de proprietate fizică (stimul) și a converti această proprietate într-un semnal electric compatibil cu un circuit electronic. Se poate afirma că un sensor este un convertor al unei mărimi în general neelectrice, într-o mărime electrică. Prin mărime electrică se înțelege un semnal care poate fi transmis, amplificat și modificat cu ajutorul dispozitivelor electronice. La ieșirea unui senzor se poate obtine o tensiune, un curent sau o sarcină. Aceste semnale pot fi caracterizate prin frecventă, fază sau cod numeric (digital). Toate aceste caracteristici sunt descrise prin termenul de formatul semnalului de ieșire. Așadar, un sensor va avea caracteristici de intrare (de orice fel) și caracteristici electrice de ieșire.

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

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

Traductoarele pot fi părți constitutive ale senzorilor, după cum este ilustrat în figura 3.2.

Fig. 3.2. Un senzor poate conține câteve traductoare. e1, e2, etc. reprezintă diferite tipuri de energie.

De remarcat că ultima componentă este un senzor direct.

De exemplu, un senzor chimic, poate conține o componentă care convertește energia unei reacții chimice în căldură (traductor) și o altă componentă pila termică cu rolul de a converti căldura într-un semnal electric. Combinația celor doi constituie un senzor chimic – un dispozitiv care generează un semnal electric ca răspuns la o reacție chimică. De remarcat este faptul că în exemplul de mai sus, senzorul chimic este un senzor complex, care include un traductor și un alt senzor (de căldură). Acesasta sugereaza faptul că mulți senzori conțin cel puțin un senzor direct și un anumit număr de traductoare. Senzorii direcți sunt senzorii care funcționează pe baza fenomenelor fizice care convertesc direct energia într-un semnal electric sau provoacă modificări ale acestuia. Un exemplu de astfel de fenomene sunt efectul fotovoltaic și efectul Seebeck. Sumarizând, se poate afirma că există două tipuri de senzori: direcți și complecși [4].

Un alt aspect care trebuie clarificat este acela al semnificație noțiunii de rezoluție referitoare la un senzor. Rezoluția unui senzor constă în abilitatea acestuia de a detecta o modificare a mărimii de la intrarea acestuia și uzual se definește prin cel mai mic nivel de modificare ce poate fi sesizat de senzorul respectiv. În unele cazuri, rezoluția este virtual infinită, ceea ce înseamnă că o modificare foarte mică a mărimii de la intrarea senzorului va produce o mică modificare în semnalul electric de la ieșire, iar aceste modificări pot fi detectate în limitele posibilităților de măsurare ale senzorului. În cazul altor senzori, în special în cazul acelora la care se folosesc metode digitale, există o limită bine definită a dimensiunii modificării apărute, începând de la care se poate face detecția sau conversia.

Este important de precizat faptul că există puține metode de detectare care asigură în mod direct la ieșite un semnal digital. În cele mai multe cazuri, ieșirile digitale se obțin în urma conversiei mărimilor anlogice. Prin aceasta, limitele rezoluției sunt impuse în mare parte de circuitele de conversie analog – digitale și în mai mică măsură de senzorul propriu-zis. În cazul în care există mai multe metode de detecție, se preferă metoda care produce o modificare a frecvenței unui oscilator. Explicația constă în faptul că frecvența este o mărime care prin natura ei se pretează foarte bine la prelucrarea digitală, fără a necesita aplicarea unor procedee de conversie analog – digitală.

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

O altă eroare statică este eroarea de interpolare, care apare în momentul în care acul indicator este poziționat între două diviziuni ale scalei, iar observatorul trebuie să aprecieze valoarea corespunzătoare acestei poziții. Mărimea erorii de interpolare este cea mai mică în cazul scărilor liniare. Un avantaj disctinct al citirilor digitale constă în faptul că nu există nici erori de paralaxă și nici erori de interpolare. De exemplu, dacă un afișor numeric operează cu trei zecimale, utilizatorul nu poate ști dacă valoarea este 1,2255 deoarece afișorul indică 1,225, iar la o mică creștere a valorii mărimii detectate, afișorul va indica 1,226.

O eroare dinamică tipică constă în diferența dintre valoarea reală și cea măsurată cauzată de consumul propriu al instrumentului de măsură. Un exemplu clasic de astfel de eroare constă în indicația falsă a unui voltmetru care nu are impedanță de intrare suficient de mare și care măsoară tensiunea la bornele unui divizor de tensiune de mare impedanță. Toate tipurile de senzori prezintă erori dinamice dacă sunt utilizați în detecție și prezintă ambele tipuri de erori dacă sunt utilizați în sisteme de măsură.

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

obținerea unui raport semnal/zgomot îmbunătățit;

obținerea unei liniarități sporite a răspunsului în frecvență;

obținerea unei siguranțe sporite în funcționare.

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

Sensibilitatrea răspunsului se definește prin raportul:

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

Capacitatea de detecție se definește prin:

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

dacă această formă ușurează procesul de măsurare.

Un senzor nu funcționează de unul singur, ci este parte integrantă a unui sistem mai complex care poate conține multe alte detectoare, convertoare de semnal, procesoare de semnal, dispozitive de memorie, înregistratoare de date și actuatori (elemente de execuție). Într-un anumit dispozitiv, un senzor poate fi intrinsec sau extrinsec, dacă se ține cont de locul pe care-l ocupă acesta în cadrul dispozitivului. Senzorul poate fi poziționat la intrarea dispozitivului pentru a percepe stimulii exteriori și a semnala sistemului variațiile acestor stimuli. De asemenea, senzorul poate fi plasat în interiorul dispozitivului pentru a monitoriza stările proprii ale acestuia, în scopul obținerii unor anumite performanțe. Întotdeauna un senzor constituie o parte componentă a unui anumit sistem de achiziție de date. Deseori, un astfel de sistem poate fi parte componentă a unui sistem mai complex care conține diferite mecanisme de reacție.

Poziția senzorilor într-un sistem mai complex este ilustrată în figura 3.3.

Fig. 3.3. Poziția senzorilor într-un sistem de achiziție de date.

Senzorul 1 este un senzor non-contact, senzorul 2 și 3 sunt pasivi, 4 este activ, iar senzorul 5 este senzor intern al sistemului de achiziție de date. Senzorul 5 are roluri diverse. El monitorizează structura internă a datelor în sistemul propriu. Unii senzori (1 și 3) nu pot fi conectați direct la circuitele electronice standard datorită formei necorespunzătoare a semnalelor lor de ieșire. Este motivul pentru care ei necesită un dispozitiv interfață (circuite de conversie).senzorii 1, 2, 3, și 5 sunt senzori pasivi. Ei generează un semnal electric fără a consuma energie electrică de la circuite electronice. Senzorul 4 este activ. El necesită un semnal de operare care îi este oferit de către un circuit de excitație. Acest semnal este modificat de către senzor în concordanță cu informația convertită. Un exemplu de zenzor activ îl constituie termistorul, care constituie un rezistor sensibil la temperatură. El poate funcționa alimentat cu o sursă de curent constantă care va constuitui circuitul de excitație. În funcție de complexitatea sistemului, numărul total al senzorilor poate varia între un senzor (un termostat domestic) și câteva sute (în cazul navetei spațiale).

Semnalele electrice produse de senzori sunt trimise într-un multiplexor (MUX), care este un comutator sau o poartă. Rolul său constă în conectarea senzorilor pe rând la un convertor analog – digital (A/D) dacă semnalele generate de senzori sunt analogice sau direct către computer dacă senzorii generează semnale digitale. Computerul controlează multiplexorul și convertoarele A/D pentru a realiza o sincronizare convenabilă. Poate transmite și semnale de control către actuatorul care acționează asupra obiectului. Ca exemple de actuatori pot fi menționate motoarele electrice, bobinele, releele, valvele pneumatice. Sistemul conține câteva dispozitive periferice (de exemplu un înregistrator de date, un display, o alarmă, etc.) și un anumit număr de componente care nu sunt reprezentate schema block: filtre, circuite de eșantionare și memorare (sample-and-hold circuits), amplificatoare ș.a.

Clasificarea senzorilor

Schemele de clasificare ale senzorilor pot acopri o plajă largă, de la cele mai simple la cele deosebit de complexe. În funcție de scopul clasificării, se pot alege diferite criteii de clasificare.

Toți senzorii pot fi clasificați în două categorii: pasivi și activi. Un senzor pasiv nu necesită nici un fel de sursă de energie suplimentară, generând un semnal electric ca răspuns al unui stimul extern. Energia stimulului de la intrare este convertită într-un semnal electric. Este cazul de exemplu a termocuplului, fotodiodei, și a senzorului piezoelectric. Marea majoritate a senzorilor pasivi sunt senzori direcți, cupă cum au fost ei definiți anterior.

Senzorii activi necesită energie externă pentru a putea opera, energie care se numește semnal de excitație. Acest semnal este modificat de senzor pentru a produce semnalul de ieșire. Uneori senzorii activi sunt denumiți uneori senzori parametrici deoarece proprietățile lor proprii se modifică drept răspuns la un fenomen extern, iar aceste proprietăti pot fi ulterikor convertite în semnale electrice. Se poate formula că parametrii senzorului modulează semnalul de excitație și această modulare poartă informația referitoare la valoarea măsurată. De exemplu, un termistor este un rezistor sensibil la temperatură. El nu generează nici un semnal electric, dar prin trecerea unui curent electric prin el (semnalul excitator), se poate măsura rezistența lui prin detectarea variațiilor de curent sau de tensiune de la bornele sale. Aceste variații (măsurate în ohmi) reflectă direct temperatura printr-o funcție cunoscută.

Senzorii mai pot fi clasificați în senzori asoluți și senzori relativi. Un senzor absolut detectează un stimul prin referință cu un sistem absolut de referință (scală), sistem independent de condițiile de măsurare, pe când un senzor relativ produce un semnal dependent de anumite situații speciale. Un exemplu de senzor absolut îl constituie termistorul. Rezistență sa electrică este direct dependentă de temperatura absolută (scara Kelvin). Termocuplul însă constituir un senzor relativ. El produce o tensiune electrică care este funcție de gradientul de temperatură de-a lungul spitelor sale. Astfel, semnalul de ieșire al termocuplului nu poate fi corelat cu o anumită temperatură fără a face referință cu o valoare de bază cunoscută. Un alt exemplu de senzor absolut și senzor relativ îl constituie senzorul de presiune. Senzorul de presiune absolut generează un semnal având ca referință vidul (valoarea zero absolut pentru scara presiunii), iar senzorul de presiune relativ produce un semnal care are drept referință o anumită valoare cunoscută a presiunii care nu este zero (de exemplu presiunea atmosferică).

O altă manieră de a privi un senzor constă în examinarea tuturor proprietăților sale cum ar fi:

ceea ce măsoară – natura stimulului;

ce specificații are;

la ce fenomen fizic răspunde;

ce mecanism de conversie utilizează;

din ce material este fabricat;

ce arie de aplicabilitate are.

Senzori de temperatură

Proiectarea exactă a unei sticle de bere, pasteurizarea laptelui și producerea energiei electrice constituie procese care necesită măsururări precise ale temperaturii. Există matode variate de măsurare a temperaturii, fiecare dintre acestea având propriile caracteristici și posibilități.

Opțiunile procesului de măsurare a temperaturii

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

limitele domeniului de măsurare a temperaturii;

precizia, liniaritatea, sensibilitatea dorită;

constanta de timp necesară;

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

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

utilitatea dispozitivului în raport cu un mediu specificat;

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

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

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

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

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

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

Calitatea procesului de măsurara a temperaturii

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

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

Măsurarea directă a temperaturii

Termometre cu lichid în expansiune

Principiul de funcționare. Termometrele cu lichid constau într-un balon conectat la un tub capilar, iar aceste este conectat la un tub Bourdon sau la o diafragmă, conform figurii 3.4.

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

Fig. 3.4. Termometru cu lichid.

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

Tabelul 3.1. Temperaturile de funcționare ale termometrelor cu lichid

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

Realizarea practică. Deoarece tubul capilar se dilată sau contractă sub acțiunea temperaturii licidului care circulă prin el, este foarte important ca acest ttub să fie cât mai scurt și subțire posibil. Acest deziderat nu poate fi îndeplinit întotdeauna. Din acest motiv a fost dezvoltată o metodă de compensare care permite ca distanța dintre balon și acul indicator să ajungă până la 60 m. În această situație, se utilizează un al doilea tub capilar în paralel cu primul, conectat la un al doilea tub Bourdon. Al doilea tub bourdon acționează în direcție opusă față de primul și compensează erorile acestuia, după cum este ilustrat în figura 3.5.

Fig. 3.5. Compensarea termometrelor cu lichid.

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

Termometre cu gaz în expansiune sau termometre detectoare de presiune

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

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

(3.1)

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

(3.2)

în care:

y este plaja de presiune în care funcționează tubul Bourdon;

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

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

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

Realizarea practică. Ca și în cazul termometrelor cu lichid, fluctuațiile temperaturii tubului capilar și ale tubului Bourdon pot produce indicații false. Cele mai utilizate metode de compensare sunt metoda cu sistem dublu (prezentată mai sus) și metoda deformării bimetalice. Acesta din urmă este ilustrată în figura 3.6.

Fig. 3.6. Compensarea prin deformare bimetalică.

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

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

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

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

Sisteme cu vapori sub presiune

Principiul de funcționare. Un termometru umplut cu vapori arată in principiu cu un termometru umplut cu lichid. Conținutul acestui tip de termometru constă într-un amestec de lichid și vapori ai aceluiași lichid. Un astfel de termometru este prezentat în figura 3.7.

Fig. 3.7. Termometru cu vapori sub presiune.

Linia de demarcare dintre lichid și vaporii săi este întotdeauna situaltă în balonul termometrului, deasupra intrării tubului capilar. Lichidul și vaporii săi se află în echilibru. Când temperatura crește, o cantitate mică de lichid se evaporează, iar presiunea din întregul sistem crește, ceea ce impune realizarea unui nou echilibru. Curba vaporilor sub presiune în cazul acestor lichide este neliniară (conform figurii 3.8), ceea ce va determina o scala neliniară a dispozitivului de măsurare.

Fig. 3.8. Dependența presiunii vaporilor de temperatură.

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

Termometre bimetalice

Principiul de funcționare. Dacă două metale cu coeficiente de dilatare αA și αB sunt atașate unul de celălalt la o anumită temperatură, modificările temperaturii vor produce deformări diferite, iar deformarea rezultată prin atașarea celor două metale va determina o curbare a ansanblului, conform figurii 3.8.

Fig. 3.9. Termometru bimetalic.

Raza curbei ρ este dată de relația:

(3.3)

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

Realizarea practică. Deoarece în practică nu există metale cu coeficient negativ de dilatare, pentru elementul A se utiliează aliajul Invar (64 % Fe, 36 % Ni, αA = 0,2∙105 [K-1]). Pentru elementul B a fost utilizat inițial bronzul (90 % Cu, 10 % Sn, αB = 1,9∙10-5 [K-1]), dar în prezent se utilizează o lagă varietate de aliaj alloy. Pentru a obține o plajă largă a valorilor deformării, ansamblul bimetalic se poate realiza sub formă de spiră sau de arc spiral, după cum este ilustrat în figura 3.10. Prin aceste procedee s-au realizat sisteme bimetalice cu possibilități de măsurare a temperaturii într-o gamă cuprinsă între -500C și +5000C și o precizie de 1 %.

Fig. 3.10. Variante de termometre bimetalice.

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

Măsurări termoelectrice (termocuple)

Principiul metodei de măsurare: termoelectricitatea

Dacă se încălzește local o bară sau un inel din material conductor omogen, concentrația electronilor mobili nu va mai fi aceeași în orice punct al materialului. Electronii mobili vor căuta zonele cu energie minimă și vor difuza către zonele mai reci. Zona mai caldă se va încărca la un potențial pozitiv în comparație cu zona mai rece (figura 3.11). La o anumită diferență de temperatură, se stabilește un echilibru dinamic; tensiunea termică generată va crea un câmp electric care se va opune difuziei în continuare a electronilor. Tensiunea dintre două puncte a și b este proporțională cu diferența de temperatură și cu coeficientul lui Seebeck.

Fig. 3.11. Difuzia termică a electronilor.

În momentul în care două materiale conductoare diferite A și B sunt conectate ca în figura 3.12, având o joncțiune la temperatura T1 și cealaltă joncțiune la temperatura T2, tensiunea electromotoare E dintre cele două joncțiuni poate fi citită prin intermediul uni voltmetru (cu rezistență internă infinită). Acesta constituie efectul Seebeck. Valoarea tensiunii E depinde de materialele utilizate, (de diferența coeficienților Seebeck) și de diferența de temperatură (T1 – T2).

Fig. 3.12. Configurația de bază a unui termocuplu.

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

Funcționarea termocuplelor se bazează pe efectul Seebeck, produs de difuzia termică a electronilor. Tensiunea termoelectrică nu este produsă de potențialul de contact (o afirmație eronată în multe lucrări). Termocuplele nu funcționează pe baza efectelor Peltier și Thompson, care se manifestă numai dacă prin circuit circulă curentul electric. Pentru configurația din figura 3.12 care constituie un termocuplu, se poate scrie:

(3.4)

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

(3.5)

Legile fenomenului termoelectric

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

Fig. 3.13. Prima lege a termocuplului.

Legea 1. Tensiunea produsă de un termocuplu E ale cărui joncțiuni se află la temperaturile T1 și respectiv T2, nu depinde de temperatura altei regiuni a termocuplului, conform figurii 3.13.

Legea 2. Dacă se plasează un al treilea metal omogen C între A și B, iar noile joncțiuni rezultate rămân la aceeași temperatură constantă T3, tensiunea rezultantă E va fi aceeași ca în cazul în care metalul C nu ar exista (figura 3.14).

Fig. 3.14. A doua lege a termocuplului.

Legea 3. În cazul în care un metal omogen C este conectat între metalele A și B, iar joncțiunile BC și CA rămân la temperatura constantă T1, tensiunea E va avea aceeași valoare ca în cazul în care metalul C ar lipsi (figura 3.15).

Fig. 3.15. A treia lege a termocuplului.

Legea 4. Dacă tensiunea corespunzătoare metalelor A și C este Eac și cea corespunzătoare metalelor B și C este Ecb, tensiunea corespunzătoare metalelor A și B este Eac + Ecb, conform figurii 3.16.

Fig. 3.16. A patra lege a termocuplului.

Legea 5. Dacă un termocuplu generează tensiunea E1 la temperaturile T1 și T2 ale joncțiunilor și tensiunea E2 pentru temperaturile T2 și T3 pentru temperaturile T1 și T3 ale joncțiunilor, tensiunea generată va avea valoare E1 + E2 (figura 3.17).

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

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

Fig. 3.17. A cincea lege a termocuplului.

Legile 2 și 3 permit inserarea unui voltmetru în circuit, în scopul măsurării tensiunii generate de termocuplu. Metalul C reprezintă circuitul intern al voltmetrului (de obicei executat din cupru) (figura 3.18). Instrumentul de măsură poate fi conectat în două moduri între A și B (figura 3.14) ori în A sau B (figura 3.15).

Fig. 3.18. Realizarea practică a unui termocuplu.

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

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

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

Măsurarea temperaturii prin intermediul termocuplelor

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

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

Compensarea software. Prin intermediul unui senzor de temperatură se măsoară temperatura joncțiunii reci în cadrul blocului de conexiune izotermal (care acre aceeași temperatură) și această informație se utilizează pentru calcularea temperaturii T1. Calculul este efectuat de un multimetru comandat de microprocesor special programat pentru măsurarea temperaturii (figurile 3.19 și 3.20).

Fig. 3.19. Principiul compensării software.

Fig. 3.20. Schema bloc a compensării software.

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

Compensarea hardware. În loc să se măsoare temperatura joncțiunii mai reci și să se calculeze temperatura coresounzătoare după cum s-a prezentat anterior, se poate include în circuit o sursă de tensiune pentru a elimina tensiunea de offset a joncțiunii mai reci (figura 3.21).

Fig. 3.21. Circuitul utilizat pentru compensarea hardware.

Conectarea în serie și paralel a termocuplelor

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

(3.6)

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

Fig. 3.22. Conectarea termocuplelor în serie.

În figura 3.22 se prezintă situația conectării termocuplelor în paralel. Circuitul rezultat este similar cu conectarea în paralel a trei surse de tensiune, cu rezistențele interne R1, R2 și respectiv R3. Precizia temperaturii medii indicate de gruparea celor trei termocuple cuplate în paralel este cu atât mai mare cu cât valorile rezistențelor interne R1, R2 și R3 sunt mai apropiate. Rezistențele pot fi ajustate până când R1 = R2 = R3.

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

În figura 3.23 se prezintă schema conexiunii termocuplelor în serie. Tensiunea la ieșirea grupării va fi:

(3.7)

Fig. 3.23. Conectarea termocuplelor în serie.

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

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

Detectoare rezistive de temperatură (termorezistențele) – DRT

Principiul de funcționare

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

(3.8)

în care R0 este rezistență la 00C.

Numărul termenilor din relația de mai sus depinde de natura materialului, de precizia măsurătorii și de plaja de devoluția a temperaturii. Cele mai utilizate metale sunt platina, nichelul (mai rar cuprul) și în mod uzual necesită 2 sau 3 coeficienți α pentru măsurătorile de mare precizie. Dependența rezistenței de temperatură este prezentată în figura 3.24.

Fig. 3.24. Dependența rezistenței de temperatură pentru diferite metale.

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

(3.9)

Pentru platină, α1 = 3,850∙10-3.

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

(3.10)

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

(3.11)

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

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

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

Materiale folosite și construcția dispozitivelor DRT

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

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

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

Există următoarele tipuri de elemente rezistive detectoare de temperatură:

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

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

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

Aplicații

Ca și termocuplele, termorezistențele pot fi conectate în seria sau paralel pentru a determina temperatura medie. Totuși, aceste operații necesită mai multe precautii decât in cazul termocuplelor: este foarte important ca rezistența conexiunii să fie foarte mică. În general se folosesc contacte de aur. Modificarea temperaturii se măsoară cu convertoare disponibile în comerț. Circuitul de măsurare al acestor convertoare este adesea bazat pe configurația punții Wheatstone (figura 3.25).

Fig. 3.25. Puntea Wheatstone.

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

conectarea cu două cabluri;

conectarea cu trei cabluri;

conectarea cu patru cabluri.

Conectarea cu două fire. Puntea are patru conductoare de conexiune, o sursă de alimentare și trei rezistori cu un coeficient de variație cu temperatura egal cu zero. Firele de conexiune au rolul de a separa dispozitivul DRT de rezistoarele din punte în scopul de a evita ce cei trei rezistori din punte să ajungă la aceeași temperatură cu dispozitivul de măsurare. Conductoarele de legătură pot introduce erori în cazul în care rezistența lor este comparabilă cu cea a termorezistenței. Schema de conexiune cu două fire este prezentată în figura 3.26.

Fig. 3.26. Schema de conexiune a punții Wheatstone cu două fire lungi.

Conexiunea cu trei fire. Conform figurii 3.27, dacă firele A și B au aceeași lungime și aceeași rezistență, efectul rezistențelor acestor fire se anulează reciproc, deoarece fiecare dintre ele aparține unei jumătăți de punte. Al treilea fir de conexiune C cu influențează rezultatul măsurătorii.

Fig. 3.27. Schema de conexiune a punții Wheatstone cu trei fire.

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

Fig. 3.28. Schema de conexiune cu patru fire.

Conexiunea cu patru fire din figura 3.28, îmbunătătește precizia măsurătorilor. Sistemul utilizează o sursă de putere și un voltmetru digital. Voltmetrul măsoară diferența de tensiune de la bornele dispozitivului DRT, fiind insensibil la lungimea firelor (I = 0). Singurul dezavantaj al metodei constă in utilizarea a patru fire de conexiune.

Termistori

Principiul de funcționare

Termistorul este un dispozitiv sensibil la temperatură constituit dintr-un material semiconductor. Dacă termocuplul este cel mai versatil dispozitiv de măsurare a temperaturii, detectorul rezistiv de temperatură este cel mai precis, termistorul este cel mai sensibil. Cei mai mulți dintre termistori au un coeficient de temperatură negativ (CTN), dar există și termistori cu coeficient de temperatură pozitiv (CTP). În cazul termistorilor cu coeficient de temperatură negativ, rezistența ohmică a acestora scade pe măsură ce termperatura lor crește (figura 3.29).

Fig. 3.29. Coeficientul temperatură negativ al temistorului,

în comparație cu dispozitivul DRT și cu termocuplul.

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

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

(3.12)

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

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

Tehnologia de fabricare a termistorilor

Uzual, termistorii sunt constituiți din oxizi ai unor materiale cum ar fi: nichelul, cobaltul și manganul. Se mai folosesc silicați și sulfați de fier, aluminiu și cupru. Termistorii se fabrică sub formă sferică, de disc, de inele sau de bară, după cum se poate observa în figura 3.30.

Fig. 3.30. Tipuri de termistori.

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

Domenii de utilizare

Spre deosebire de dispozitivele DRT, termistorii au la termoeratura camerei o rezistență mare (de la kΩ la MΩ). Din acest motiv, influența rezistenței firelor de conxiune este prea mică pentru a cauza erori de măsurare. Curentul de măsurare poate însă determina încălzirea senzorului. Ca și în cazul termometrelor rezitive, termistorii trebuie izolat de mediul care ar putea scurtircuita sistemul. De obicei, izolarea se realizează prin intermediul sticlei sau ceramicii. Se preferă utilizarea termistorilor în plaje înguste de variație a temperaturii, în care au caracteristici liniare și sunt foarte sensibili. Un exemplu de utilizare a termistorilor constă în folosirea acestora pentru a măsura temperatura joncțiunii de referință a termocuplelor. Termistorii sunt des utilizați în sistemele de monitorizare a temperaturii (cel mai adesea cu rol de contactoare). Domeniile de utilizare cele mai cunoscute includ:

comutator în aparetele de preparare a cafelei;

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

Senzori monolitici de temperatută (senzori integrați – CI sensors)

Senzorii monolitici de temperatură constituie dispozitive moderne de măsurare a temperaturii. Denumirea de „monolitic” derivă din faptul că toate elementele ale întregului circuit sunt situate pe același cip (circuit integrat – IC). Acești senzori pot avea ieșiri în tensiune sau în curent, după cum se poate observa în figura 3.31.

Fig. 3.31. Senzori monolitici de temperatură.

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

Senzori optici

Senzorii optici sunt dispozitive de măsurare care realizează în generat conversia mărimii ce trebuie măsurată într-un semnal optic (printr-un traductor) și aceta este convertit la rândul său într-un semnal electric prin intermediul unui traductor optoelectronic (senzor optic). Senzorii optici aparțin categoriei de senzori fără contact fizic. Semnalele de ieșire ale senzorilor optici sunt semnale electronice și metodele lor de interpretare sunt cunoscute în general. Din acest motiv, în cele ce urmează se va pune accent pe componenta optică a senzorului.

Fotorezistorii

Fotorezistorii sunt dispozitive a căror rezistență se modifică incidenței luminii cu suprafața acestora. Cele mai utilizate materiale în fabricarea acestora sunt cele pe bază de cadmiu (CdSe, CdS, Cdte), care funcționează în spectrul vizibil (lugimi de undă cuprinse între 100 nm și 700 nm). Pentru domeniul infraroșu (de la 1,4 μm până la 3 μm) se folosesc materiale pe bază de plumb (PbS, PBSe, PbTe). Pentru gama de lungimi de undă cuprinse între 3 μm și 1 mm, se utilizează materiale pe bază de indiu (InSb, InAs), recomandat fiind ca aceste materiale să fie dopate cu Si și Ge.

Studiile au demonstrat faptul că un singur foton determină eliberarea a 900 de electroni pentru conducție făcând prin acesta ca un fotorezistor să funcționeze ca un fotomultiplicator și să fie în consecință un dispozitiv foarte sensibil. Timpul de răspuns al fotorezistorilor este în general mare (fracțiuni de secundă). Aceste dispozitive se utilizează în regim de contactoare optice (contactoare pentru lămpile strafale), comutatoare pentru luminile de întâlnire ale autovehiculelor, deterctoare de flacără, pentru măsurarea densității tonerului în aparatele de copiat, etc.

Fotodiodele

Dacă o joncțiune p-n a unei diode este polarizată direct și este expusă luminii cu o lungime de undă acdecvată, curentul care străbate joncțiunea va crește puțin în comparație cu cazul în care joncțiunea se afla în întuneric. În cazul în care joncțiunea este polarizată invers, curentul va crește notabil în cazul iluminării joncțiunii. Fotonii incidenți dau naștere perechilor electroni – goluri și golurile astfel create se vor deplasa către terminalul negativ, dând naștere unui fotocurent care circulă prin dispozitiv.

Fig. 3.32. Caracteristica tensiune – curent pentru o fotodiodă.

Există două moduri de funcționare a unei fotodiode: fotoconductiv (FC) și fotovoltaic (FV).

Modul de funcționare fotoconductiv. În acest mod de funcționare fotodioda este polarizată invers (figura 3.32) și funcționează în cadranul trei al caracteristicii tensiune – curent. Curentul evoluează aproape liniar cu intensitatea luminii, însă în locul curentului se măsoară căderea de tensiune la bornele rezistorului conectat în serie cu fotodioda. Pentru rezistențe serie de valoare mică, răspunsul la evoluția a intensității luminii în formă de treaptă corespunde unei lățimi de bandă de sute de Mhz (deoarece în momentul polarizării inverse a joncțiunii capacitatea sa scade).

Modul de funcționare fotovoltaic. Structura unei fotodiode tipice (figura 3.32), constă din două straturi P + N (dintr-o joncțiune p-n) și un strat N+ plasat în apropierea electrodului de contact. În momentul în care lumina este incidentă pe suprafața joncțiunii p-n, are loc o deplasare a golurilor către zona P și a electronilor către zona N. Ca rezultat al acestei derive de purtători, la anodul diodei va apărea un potențial pozitiv. Se obține o mare concentrație de perechi electroni – goluri în domeniul P+ care nu vor contribui substanțial la producerea fotocurentului.

Prin absorbția fotonilor în domeniul N, crește concentrația golurilor. Modificarea concentrației electronilor datorită procesului de absorbție este neglijabilă în comparație cu valoarea mare a concentrației lor în în domeiul N. Ca urmare, golurile vor difuza prin zona neutră și chiar dacă viteza de difuzie este mică în comparație cu viteza lor de deplasare, ele vor ajunge în zona neutră făra a fi supuse procesului de recombinare. Odată ajunse în această zonă, mișcarea lor (deplasarea) va fi accelerată de câmpul electric al zonei neutre.

Dacă o fotodiodă funcționează cu o sarcină nulă (în scurtcircuit), intensitatea curentului electric va fi direct proporțională cu intensitatea luminoasă. Pe de altă parte, dacă se măsoară tensiunea la bornele diodei, se va constata că evoluează aproximativ logaritmic în funcție de intensitatea luminoasă, având valori tipice cuprinse între 0,3 V și 0,5 V. Dacă la bornele fotodiodei nu se aplică nici o tensiune, curentul de negru (în absența luminii) va fi nul, existând doar zgomotul termic. Acest femomen asigură o sensibilitate mai mare în cazul nivelurilor de iluminare scăzute. În schimb viteza de răspuns se reduce din cauza creșterii capacității joncțiunii.

Fotodiodele PIN

O fotodiodă PIN (figura 3.33) utilizează un strat de foarte mate rezistență I între straturile p și n, în scopul îmbunătățirii vitezei de răspuns.

Fig. 3.33. Structura unei fotodiode, a unei fotodiode PIN și a unui fototranzistor.

Fototranzistoarele

Un fototranzistor (figura 3.33), funcționează ca o conbinație dintre o fotodiodă polarizată invers și un tranzistor convențional.lumina incidenta pe joncțiunea colector – bază generează perechi de electroni – goluri. Electronii din bază și colector migrează către polul pozitiv al sursei de alimentare (în cazul unui tranzistor npn) și se întorc la colector prin emitor din care sunt trimiși către colector de către câmpul electriv. Curentul fotonic din baza tranzistorului este amplificat în aceeași manieră ca în cazul unui tranzistor convențional, ceea ce face din fototranzistor un deterctor foarte sensibil de lumină. Caracteristile tensiune – curent ale fototranzistorului diferă de cele ale unui tranzistor convențional prin faptul că rolul curentului de bază este preluat de nivelul de iluminare.

Detectoare de poziție fotosensibile (DPF)

Detectoarele de poziție fotosensibile sau potențiometrele pentru lumină sunt destinate pentru aplicațiile în cadrul cărora mărimea măsurată este convertită în poziția unei raze (surse) de lumină. Funcționarea unui dispozitiv DPF constă în generarea perechilor de electroni – goluri în substratul intern (intrinsec) al unei fotodiode PIN de mari dimensiuni produsă de o lumină incidentă pe suprafața sa frontală.

Curentul produs pe această cale este divizat în două de către stratul rezistiv produs de semiconductorul de tip P (figura 3.34,b).

Fig. 3.34. Detectorul de poziție fotosensibil; a) – structura detectorului; b) – circuitul echivalent; c) – dispozitiv DPF bidimensional; d) – circuitul echivalent cu rezistența și capacitatea de dispersie.

Partea din mijloc a senzorului (stratul intern – I) este constituit din siliciu cu rezistivitate mare. Câmpul electric corespunzător regiunilor neutre ale joncțiunilor PI și NI produce o deplasare a golurilor către zona P și a electronilor către zona N. Perechile electroni – goluri în punctul de incidență acționează ca o sursă cu intensitatea Io, astfel încât cutenții din stânga IA și dreapta IB vor avea expresiile:

(3.13)

Aceste relații sunt valabile pentru o distribuție omogenă a rezistivității stratului P.

Pentru a preveni influența intensității luminoase (curentul I0) se utilizează un circuit care să asigure un caracter liniar măsurătorii (un circuit care să sigure la ieșire o mărime proporțională cu mărimea de la intrare). Circuitul acesta trebuie să calculeze relația:

(3.14)

Dependența de intensitatea luminoasă este eliminată prin realizarea condiției că toți curenții I0, IA și IB sunt direct proporționali cu intensitatea luminoasă.

Un dispozitiv DPF bibimensional (figura 3.34 c), are două straturi omogene rezistive, unul plasat deasupra stratului P și celălalt plasat sub stratul N. Ambele straturi au lungimea de 2∙L și sunt prevazute cu perechile de borne 1 și 2, respectiv 3 și 4. Dispersia razei de lumină din centru plalului senzorului după direcția x către dreapta și după direcția y în sus (figura 3.34 d), va produce divizarea curenților din stratul de sus în I1 și I2, iar pentru curentul din stratul de jos în I3 și I4.

Senzori magnetici

Termenul “senzor magnetic” este folosit ȋn general pentru senzorii care funcționează pe principiile magnetismului. În categoria senzorilor magnetici sunt cuprinși senzorii de câmp magnetic și senzorii de curent electric.

Senzorii magnetici sunt de obicei senzori fără contacte, din care cauză sunt robuști, astfel ȋncât datorită acestor proprietăți au atins o poziție dominantǎ ȋn domeniul industriei de automobile și în numeroase alte sectoare industriale.

Introducere

Cȃnd un conductor prin care circulă un curent este plasat ȋntr-un cȃmp magnetic, distribuția tensiunii ȋn acel conductor se modificǎ. Schimbǎrile depind de orientarea relativǎ a curentului și a câmpului magnetic și de valorile acestor parametri. Efectele modificărilor acestor mărimi au fost clasificate ȋn trei categorii:

Efectul Hall: cȃmpul magnetic aplicat este situat pe direcția axei z perpendicular cu curentul de pe axa x, iar tensiunea Hall este mǎsuratǎ de-alungul axei y perpendiculară atȃt pe direcția curentului, cȃt și pe direcția cȃmpului magnetic.

Efectul longitudinal magnetorezistiv: câmpul magnetic este aplicat de-a lungul axei x, paralel la curentul care circulă de asemenea de-a lungul axei x. Modificarea tensiunii este mǎsuratǎ de-a lungul axei x. Aceasta reprezintă o micǎ modificare a rezistenței convenționale.

Efectul transversal magnetorezistiv: cȃmpul magnetic este aplicat de-a lungul axei y perpendicular pe curentul care circulă de-a lungul axei x și modificarea tensiunii este mǎsuratǎ pe axa x. Aceasta situație corespunde cu o modificare a rezistenței convenționale, dar existǎ și efecte datorate a secțiunii transversale a conductorului.

Aceastǎ clasificare este adecvatǎ pentru conductorii izotropi, asemeni majoritǎții metalelor și a multor materiale semiconductoare. Dacǎ conductorul este un material magnetic precum fierul, cobaltul sau nichelul, direcția oricǎrei magnetizari anterioare a metalului are un efect profund asupra proprietăților magnetorezistive.

Senzori Hall

Cei mai populari senzori magnetici sunt senzorii Hall care sunt folosiți pentru mǎsurarea inducțiilor (densitǎților fluxurilor magnetice) mai mari de 1 mT și funcționează ȋn parametri nominali pentru un domeniu de temperatură de la -1000C la +1000C și ȋn gama frecvenței de la curent continuu pânǎ la 30 kHz. Sunt folosiți pentru a mǎsura poziții liniare, poziții unghiulare, viteze și viteze de rotație. Senzorii magnetici Hall sunt, ȋn general, ȋncorporați ȋn periile motoarelor de curent continuu folosite la acționarea hard disk-urilor, a ventilatoarelor, unitǎților CD-ROM. Senzorii Hall sunt folosiți la măsurarea curenților electrici, având avantajul de a realiza izolația galvanicǎ ȋntre circuitele mǎsurate și cele de mǎsurǎ. Dispozitivele electronice de aprindere destinate automobilelor moderne și sistemele ABS de frȃnare folosesc senzori de vitezǎ, ȋn aceste aplicații temperatura ambientală putând ajunge pȃnǎ la 1800C, iar temperaturile joncțiunilor pȃnǎ la 2000C.

Senzorii Hall integrați sunt robuști, ieftini și neafectați de medii murdare. Ȋn contrast cu alți senzori magnetici, producerea senzorilor magnetici Hall nu necesitǎ tehnici speciale de fabricare datoritǎ faptului cǎ sunt compatibili cu tehnologiile microelectronice. Majoritatea acestor senzori sunt dispozitive ieftine și produse sub formă de dispozitive discrete, însă un număr ce se aflǎ ȋn continuă creșterese se produce în prezent sub formă de circuitele integrate. Senzorii magnetici Hall integrați ȋncorporeazǎ de obicei circuite de alimentare, de reducerea derivei de parametri, de compensare a temperaturii, de amplificare a semnalului și detectarea nivelului semnalului. Cei mai avansați senzori Hall sunt programabili și ȋncorporeazǎ circuite de procesare a semnalului digital.

Principiul de funcționare

Atunci cȃnd o bandǎ lungǎ prin care circulă curent este plasatǎ într-un câmp magnetic uniform, mișcarea tuturor purtǎtorilor de sarcinǎ din bandǎ sunt afectați de forța Lorentz, F:

(3.15)

în care q este sarcina electricǎ a purtătorului, v este vectorul viteză a purtatorului de sarcinǎ și B este vectorul inducție magnetică.

Se presupune cǎ materialul folosit pentru banda prin care circulă curentul este un semiconductor de tip n extrem de bine dopat astfel ȋncȃt sǎ se poată neglija prezența golurilor. O tensiune constantǎ este aplicatǎ de-alungul lungimii benzii ȋn direcția x creȃnd un cȃmp electric EE ce determină o vitezǎ medie de mișcare a purtǎtorilor de sarcinǎ vdn (figura 3.35). Astfel:

(3.16)

în care µn este mobilitatea purtǎtorilor de sarcină de tip n (electroni).

Fig. 3.35. Senzorul Hall.

Densitatea de curent va fi:

(3.17)

în care qn este sarcina elementară.

Dacă se neglijează agitația termică, componenta magnetică a forței Lorenz va avea expresia:

(3.18)

Electronii sunt ȋmpinși cǎtre marginea superioară a benzii. Datoritǎ creșterii concentrației de electroni la marginea superioară a benzii și a micșorării gradului de compensare la marginea inferioară, va apare un cȃmp electric transversal, numit câmpul Hall în regiunea dintre cele două laturi ale benzii. Acest cȃmp electric, EH, acționează asupra electronilor cu o forță:

(3.19)

Pentru un electron ce se mișcă de-alungul benzii ȋn direcția x, aceste două forțe crează un echilibru reciproc. Prin combinarea ultimelor două ecuații se obține:

(3.20)

în care µHn este mobilitatea Hall a sarcinilor de tip n și rH este factorul Hall de repartiție care reflectă influența mișcării termale a sarcinilor și răspândirea lor prin efectul Hall. S-a determinat valoarea acestui factor rH ≈ 0.8.

Cȃmpul electric Hall este perpendicular pe ambele cȃmpuri aplicate: electric și magnetic. Amplitudinea cȃmpului Hall este proporțională cu gradul de mobilitate al sarcinii. Din moment ce mobilitatea sarcinilor de tip p (goluri) este ȋntotdeauna mai mică decȃt mobilitatea electronilor, este mai bine de folosit ca senzori de câmp semiconductori de tip n decȃt semiconductori de tip p.

Cȃmpul electric extern poate fi exprimat ȋn termeni ai densitǎții curentului prin ȋnlocuirea factorului Jn precum urmeazǎ:

(3.21)

în care s-a introdus coefficientul Hall, RH.

Sensibilitatea Sv a siliciului, la temperatura camerei, este SVmax ≈ 0,126 V/VT, a GaAs este de 0,67 V/VT, iar a InGaAs este de 0,78 V/VT. Pentru perfecționarea și dezvoltarea dispozitivelor Hall se caută materiale cu o mobilitate ridicatǎ a purtătorilor de sarcină, precum InSb.

Există mai multe cauze ale asimetriei electrice cum ar fi micile erori geometrice, variații ale densității dopării, rezistența de contact, solicitări mecanice și efectele piezoresistive ale dispozitivelor Hall.

Uzual, valorile de offset ale inducției sunt: Boff ≈ 10 mT pentru Si, 1 mT pentru InGaAs și 0,1 mT pentru InSb, când se folosesc tehnologii microelectronice.

Tensiunea de offset (deriva de tensiune) variază cu temperatura și timpul. Chiar dacă se elimină toate celelalte influențe, vor rămȃne fluctuații de lungǎ duratǎ a tensiunii de ieșire datorită semnalului de zgomot. Aceste fluctuații corespund valorii Boff ≈ 10 μT în cazul dispozitivelor Hall care utilizează siliciu de înaltă calitate.

Coeficientul de variație cu temperatura a sensibilității magnetice pentru siliciu este de aproximativ 0,1 %/K. Dacă se extinde plaja de funcționare la temperaturi mai înalte, în loc de siliciu se utilizează semiconductori de bandă largă (de exemplu, GaAs se utilizează până la o temperatură de 1750C).

Noi tipuri de senzori Hall

Principala direcție ȋn dezvoltarea senzorilor Hall moderni, este căutarea de noi materiale și geometrii și integrarea noilor dispozitive în circuite analogice și digitale. De asemenea sunt foarte importante și noile metode de încapsulare care micșoreazǎ solicitările cipului, ȋn timp ce costurile se păstrează mici.

1. Elemente Hall din InSb de mare mobilitate

Primele elemente Hall din InSb au fost fabricate ȋn mare parte din cristale monobloc subțiri de InSb, din care cauză erau foarte scumpe și nu erau potrivite producției de serie mare. Noile elemente Hall sunt pelicule subțiri de InSb, au o rezistență de intrare sporită, de aproximativ 350 Ω, astfel ȋncât sunt stabile dacă sunt alimentate cu o tensiune de alimentare de 1 V – 2 V și pot fi alimentate de la o sursă de tensiune constantǎ. Folosirea unei surse de tensiune constantă ȋn locul unei surse de curent constant, reduce coeficientul variației cu temperatura a tensiuniii Hall de ieșire VH, de la -2,0 %/grd pȃnǎ la ± 0,1 – 0,2 %/grd [5].

2. Senzori Hall integrați

Fabricarea unui element Hall ȋn siliciu bipolar liniar nu necesitǎ etape adiționale, este o metodǎ simplă și ieftină, iar calitatea amplificǎrii și compensarea temperaturii sunt parametri ușor de realizat și de mare fiabilitate (figura 3.36).

Fig. 3.36. Senzorul Hall integrat (prin bunăvoința firmei Honeywell) [5].

Pentru a anula deriva parametrilor (offset-ului) compomentelor senzorului Hall, se utilizează elemente Hall duble sau qvadruple. Prin aceasta se mărește și sensibilitatea magnetică. Tehnologia integrării se utilizează în cazul multor comutatoare magnetice sau detectoare de poziție.

În multe aplicații industriale și ale construcției de automobile se preferă încă circuitele bipolare datorită fiabilității lor mari la temperaturi înalte și a abilității lor de a rezista la supratensiuni tranzitorii de mare valoare. Senzorii Hall integrați, ce pot rezista supratensiunilor tranzitorii de peste 100 V la bornele circuitului de alimentare și la bornele de ieșire, sunt produși ȋn mari cantități folosind tehnologia standard a siliciului bipolar liniar. Însă, numărul senzorilor Hall integrați care folosesc circuitele MOS (metal – oxid – semiconductor) este în continuă creștere.

Rezoluția lor este de 0,5 mT pentru domeniul de temperatură de la -400C până la 2000C. Pentru comutarea bornelor de alimentare și de ieșire ale elementelor cu effect Hall simetrice și pentru obținerea unor valori minime a offset-ului se utilizează comutatoare CMOS (Complementary MOS).

Deoarece tensiunea Hall este mică, senzorii cu efect Hall necesită circuite amplificatoare cu câștig mare. Valoarea maximă tipică a tensiunii Hall de ieșire este de 1,0 mV. Deriva în curent continuu (offset-ul) a amplificatorului limitează fundamental posibilitatea de utilizare a semnalului de la ieșire. Deriva în curent continuu de la ieșirea amplificatorului se poate elimina în cazul în care aplicația permite utilizarea semnalelor de curent alternativ. Precizia finală va fi determinată alte limitări ale circuitului.

Dacă sursa de alimentare a senzorului Hall este o sursă de curent, raportul semnal/offset are valori mai mici decât în cazul în care alimentarea se face de la o sursă de tensiune. Pe lângă aceasta, alimentarea de la o sursă de curent face mai dificilă compensarea offset-ului. Tensiunea de offset a elementului Hall este independentă de temperatură, iar coeficientul de temperatură al acesteia este impus de solicitările la care este supusă capsula acestuia.

Senzori GMR

Spre sfârșitul anilor 1980, câțiva cercetători au descoperit senzorii GMR (Giant Magneto Resistance), care au fost imediat folosiți la fabricarea hard disk-urilor. În comparație cu alte tehnologii de fabricare a senzorilor magnetici, această nouă tehnologie este mai puțin dezvoltată. Totuși, în domeniile cerute de piață (pentru capetele de citire), dezvoltarea este rapidă, dar mai lentă pentru aplicațiile care reclamă volume mici și sensibilitate mare (magnetometrele care măsoară câmpuri magnetice slabe).

În cazul senzorilor magnetorezistivi giganți (GMR), rezistența a două straturi subțiri din material feromagnetic separate printr-un strat subțire din material neferomagnetic se modifică dacă momentele magnetice ale straturilor feromagnetice se schimbă din antiparalele în paralele (figura 3.37).

Fig. 3.37. Efectul magnetorezistiv gigant: a) – momentele antiparalele; b) – momentele paralele;

curentul electric care trebuie măsurat circulă în direcția B1.

Straturile cu momente magnetice paralele vor avea o valoarea medie a căii libere a electronilor mai mare și o rezistență mai mică decât straturile cu momentele megnetice în antiparalel. Straturile trebuie să fie mai subțiri decât valoarea medie a căii libere a electronilor (tipic < 10 nm). În caz contrar, dispersia datorată momentului de rotație al electronilor (efectul de spin) nu poate avea o pondere semnificativă în rezistența totală.

Există câteva metode de a obține o aliniere magnetică antiparalelă în cazul mutistraturilor subțiri de consuctoare feromagnetice. Pentru senzorii GRM, se pot folosi următoarele structuri: senzori sandwici nefixați (unpinned), senzori multistrat antiferomagnetici și senzori valve de rotire.

Structuri sandwici nefixate (unpinned)

Constau în două straturi magnetice fine (fier, nichel sau cobalt) separate printr-un strat conductor nemagnetic (cupru). Între straturile magnetice ale căror grosime tipică este de 4 ÷ 6 nm există un cuplaj magnetic slab, datorită stratului nemagnetic de 3 ÷ 5 nm grosime. Câmpul magnetic produs de curentul care trebuie măsurat și care circulă de-a lungul benzii conductoare (în lungul structurii) este suficient pentru a determina rotirea starturilor magnetice în poziția antiparalel, adică în poziția de mare rezistență. Pentru a se obține rotirea momentelor magnetice ale ambelor straturi în poziția paralel este necesat să se aplice un câmp magnetic esterior de 3 ÷ 5 mT de-a lungul structurii (benzii). Aplicarea unui câmp magnetic exterior perpendicular pe bandă, are un efect redus supra valorii rezistenței.

Structuri multistrat antiferomagnetice

Aceste structuri constau într-o repetare a straturilor conductoare magnetice cu straturi conductoatre neferomagnetice. Au mai multe interfețe decât structurile sandwici, iar straturile nemagnetice sunt mai subțiri (1,5 ÷ 2,0 nm grosime), astfel încât efectul GMR este mai pregnant. Pentru anumite valori ale grosimii straturilor nemagnetice, circulația electronilor produce un cuplaj antiferomagnetic între straturile magnetice. Pentru a fi îndeplinită condiția ca dispersia datorată efectului de spin al electronilor să fie maximă, este necesar ca fiecare strat magnetic să aibă momentul magnetic în antiparalel cu momentele magnetice ale straturilor alăturate.

SENZORI WIRELESS

Generalități

Senzorii wireless sunt dispozitive standard de măsură echipate cu transmițătoare care au rolul de a converti semnalele instrumentelor de control al procesului respectiv, într-un semnal radio. Acest semnal radio este recepționat de către un receptor care-l convertește într-un semnal de ieșire specific, cum ar fi semnalul analogic sau rezultatul unei analize de date oferite de un sistem de calcul.

Utilizarea senzorilor wireless oferă următoarele beneficii:

Protecție. Dispozitivele wireless pot fi folosite în locații dificil de accesat datorită condițiilor extreme din aceste locații, cum ar fi condițiile foarte dificile de temperatură, pH, presiune, etc. Prin utilizarea senzorilor wireless operatorii umani pot supraveghea continuu procesele din medii periculoase și raporta rezultatele către echipa de monitorizare situată la distanța care îi oferă siguranță.

Confort. Senzorii wireless pot fi utilizați prin intermediul unei rețele (web/internet), ceea ce permite inginerului să monitorizeze un anumit număr de procese care se desfășoară în locații diferite, de la un singur punct de monitorizare. Acest lucru permite un control centralizat al proceselor dintr-o unitate industrială. În plus, un anumit număr de senzori wireless au posibilitatea de a crea o pagină web unică cu date actualizate permanent, accesibile din orice locație de pe glob.

Reduce costurile. Controlul wireless al proceselor poate reduce costul conducerii și monitorizării funcționale a unităților de producție eliminând necesitatea operațiilor de cablare, plasarea canalelor de cablu și a altor accesorii costisitoare.

Criterii de alegere a senzorilor wireless

În procesul de alegere a senzorilor wireless trebuie să se țină cont de unele criterii cum ar fi:

Natura măsurătorii

Este foarte important să se înteleagă natura măsurătorii. Transmițățorii wireless au în mod obișnuit o funcție unică. Senzorii sunt dedicați măsurătorilor de temperatură, presiune, debit, și trebuie selectați în concordanță cu natura mărimii pentru care sunt constituiți.

Precizia și timpul de răspuns

Acest criteriu trebuie să răspundă la întrebarea: care este precizia cu care trebuie efectuată măsurătoarea și cât de repede trebuie actualizată? Marea majoritate a senzorilor wireless sunt atât de preciși cât de precise sunt componentele lor. Tipic, citirile sunt transmise la fiecare câteva secunde în principal pentru a limita consumul din bateria de alimentare. În cazul în care sunt necesare măsurători instantanee, este necesar să se acorde o atenție deosebită alegerii transmitățorului, deoarece anumite modele nu oferă timpul de răspuns dorit.

Distanța de transmisie

Distanța de transmisie a senzorilor wireless variază în limite foarte largi. Unii sunt proiectați pentru scurtă distanță, aplicații de interior de câteva zeci de metri, pe când alți senzori wireless transmit datele unui receptor plasat la distanță de câtiva kilometri.

Indiferent de posibilitătile senzorului, distanța de transmisie a senzorului este întotdeauna limitată de obstacole. Transmiterea semnalului printre mașini, prin pereți și alte structuri diminuează puterea semnalului și reduce distanța de transmisie. Prin urmare, distanța de transmisie a unui transmițător plasat în interior este semnificativ mai redusă decât cea a aceluiași tip de transmițător care emite într-un spațiu deschis.

Frecvența

Este important să se țină cont de frecvenăț transmisiei radio. Legislația cu privire la banda disponibilă aplicațiilor wireless fără licență variază de la o țară la alte sau de la o regiune la alta. În S.U.A., întreprinderile industriale transmit în principal pe 915 MHz sau pe 2,4 GHz (WiFi). Dacă aparțin domeniului industrial, științific sau medical, utilizatorii nu au nevoie de o licență radio pentru a opera pe aceste frecvențe. În Europa, dispozitivele wireless operează tipic pe frecvențele 868 MHz sau 2,4 GHz. Datorită reglementărilor în vigoare, echipamentele de acest tip sunt produse astfel încât să funcționeze în aceste benzi de frecvență.

REȚELE DE SENZORI WIRELESS

Progresele actuale în domeniul tehnologiei sistemelor micro-electro-mecanice (micro-electro-mechanical systems – MEMS), a comunicațiilor fără fir (wireless) și al electronicii digitale au permis dezvoltarea nodurilor senzoriale multifuncționale, ieftine, cu un consum redus de putere, de mici dimensiuni, capabile să transmită informații la distanțe scurte. Existența acestor noduri senzoriale de mici dimensiuni capabile să detecteze, să proceseze date și să le comunice altor dispozitive a condus la ideea realizării unor rețele de senzori care funcționează pe baza eforturilor comune ale unui număr mare de noduri senzoriale.

Rețelele senzoriale au reprezentat din momentul implementării lor un important progres în raport cu senzorii tradiționali, din două puncte de vedere:

Senzorii pot fi plasați la distanță în raport cu fenomenul real, adică în raport cu ceva cunoscut prin percepția senzorială.

Se poate utiliza un anumit număr de senzori cu un singur rol și anume cel de detectare.

Poziția senzorilor și topologia sistemului de comunicație trebuie proiectată judicios. Aceștia transmit pachete de date referitoare la fenomenul dupravegheat într-un timp relativ scurt către un nod central în care datele sunt prelucrate și combinate.

O rețea de senzori este constituită dintr-un număr mare de noduri senzoriale implementate în interiorul fenomenului sau în imediata apropiere a acestuia. Poziția nodurilor nu trebuie proiectată sau predeterminată. Acest fapt permite o implementare aleatoare pe domeniile inaccesibile sau în ariile afectate de dezastre. Pe de altă parte, aceasta însemnă că protocoalele și algoritmii folosiți de rețelele de senzori trebuie să posede capacități de autoorganizare. Nodurile senzoriale sunt dotate cu un procesor propriu. În loc să trimită datele primare (în formă brută) către nodurile cu funcție de fuziune, nodurile senzoriale utilizează propriile lor posibilități de procesare de date prin care realizează calcule simple și transmit doar datele cerute și parțial procesate.

Caracteristicile menționate mai sus permit utilizarea retelelor de senzori într-un număr mare de aplicații. Printre domeniile în care rețelele de senzori au numeroase aplicații se pot mentiona: domeniul militar, al securitătții și al sănătății. De exemplu, datele de natură psihologică a pacientului pot fi monitorizate de doctor de la distanță. Pe lângă faptul că este mai comod pentru pacient, permite și medicului să înțeleagă mai bine starea curentă a pacientului. Rețelele de senzori pot fi utilizate pentru detectarea agenților chimici nedoriți din aer și din apă, putând identifica tipul, concentrația și localizarea agenților poluanți. În esență, rețelele de senzori înzestrează utilizatorul final cu inteligență și o mai bună cunoaștere a mediului. Se preconizează că în viitor rețelele de senzori wireless vor face parte din viața de zi cu zi a oamenilor așa după cum fac parte mai mult sau mai puțin în prezent computerele [6].

Aplicații ale rețelelor de senzori

Rețelele de senzori pot conține o mare varietate de senzori cum ar fi: seismici, magnetici, termici, optoci, în infraroșu, etc., senzori care sunt capabili să monitorizeze o mare varietate de caracteristici ale mediului ambiant, care pot include:

umiditate;

mișcarea vehiculelor;

caracteristici luminoase;

presiune;

calitatea solului;

nivelul zgomotului;

prezența sau absența diferitelor tipuri de obiecte;

nivelul sloicitării mecanice ce se exercită asupra obiectelor;

caracteristici uzuale ale obiectelor, cum ar fi: viteza, direcția, dimensiunile.

Nodurile senzoriale pot fi utilizate pentru detectare continuă, detectare de eveniment, identificarea evenimentului, detectarea locației și controlul actuatorilor. Există posibilitate să se extindă clasificarea de mai sus și cu alte categorii cum ar fi: explorarea spațiului, procesarea chimică și situații de dezastru. [7]

aplicații militare;

aplicații legate de mediul înconjurător;

aplicații în domeniul sănătății;

aplicații casnice;

alte aplicații comerciale.

Factori care influențează proiectarea rețelelor de senzori wireless

Proiectarea unei rețele de senzori este o operație supusă influentei mai multor factori:

posibilitatea de a funcționa cu unele componente defecte (toleranța la erori);

scalabilitate;

costurile de producție;

mediul în care funcționează;

topologia retelei de senzori;

restricțiile hardware;

mediul în care se efectuaeză transmiterea datelor;

consumul de putere.

Factorii enumerați mai sus sunt importanți deoarece ei servesc ca un ghid în proiectarea protocolului sau algoritmului după care va funcționa rețeaua de senzori. Ei pot constitui și criterii de comparație între diferite scheme de rețele de senzori.

Topologia rețelelor de senzori wireless.

Arhitectura sistemului de comunicație aferent unei rețele de senzori wireless poate configurată prin mai multe topologii, după cum se poate observa în figura 3.38 [11].

Fig. 3.38. Diferite topologii ale rețelelor de senzori wireless: a) – configurația în stea single-hop; b) – plasă plată multi-hop; c) – structură de retea regulată;

d) – structură în clusteri pe două niveluri [11].

Configurația în stea single-hop

Cea mai simplă topologie a rețelelor de senzori wireless este configurația în stea single-hop, prezentată în figura 3.38, a). În acestă configurație, fiecare nod comunică măsurătorile proprii direct către portal. Această structură se poate implementa în orice locație și simplifică semnificativ proiectarea. Însă o astfel de structură prezintă un grad de scalabilitate și robustețe reduse. De exemplu, pe arii extinse, nodurile sunt plasate la mare distanță față de portal, legăturile wireless find din această cauză de slabă calitate.

Configurația plasă plată multi-hop și rețea regulată

În cazul rețelelor de senzori care trebuie să acopere arii extinse, se impune rutarea multi-hop. În funcție de modul în care sunt plasate, nodurile pot forma un graf în formă de plasă, conform figurii 3.38, b) sau pot forma un graf de comunicație mai structurat, cum este rețeaua regulată 2D din figura 3.38, c).

3.4.3.3. Structură în clusteri pe două niveluri

Cea mai captivantă arhitectură pentru rețelele de senzori wireless o constituie acea arhitectură în care mai multe noduri din acceași locație raportează rezultatele măsurătorilor lor cluster-head-urilor (dispozitivul căruia îi raportează măsuratorile proprii nodurile dintr-un cluster). Există mai multe căi de implmentare a acestui tip de arhitectură ierarhică. Aceasta devine deosebit de atractivă în cazul structurilor heterogene în care nodurile cu rol de cluster-head sunt mult mai puternice din punct de vedere al posibilităților de calcul și de comunicație. Avantajul sistemului bazat pe metoda cluster-ilor constă în faptul că se descompune în mod natural în diferite zone în interiorul cărora datele se procesează și se acumulează local. În cadrul fiecărui cluster pot exista sisteme de comunicație single-hop sau multi-hop. Din momentul în care datele au ajuns la un cluster-head, ele vor fi rutate către o rețea de de rang inferior, formată din clustr-head-uri care comunică între ele sau cu un dispozitiv gateway. Acest tip de retea poate utiliza o bandă radio mai largă sau poate fi chiar o rețea cablată, în cazul în care nodurile care rețelei de rang inferior se pot conecta toate la infrastructura cablată. În cazul clădirilor este ușor de găsit o rețea cablată, în schimb nu se poate spune același lucru în cazul implementării aleatoare în localități aflate la distanțe apreciabile. În cazul implementărilor aleatoare, nu vor fi desemnate cluster-head-uri; acestea se vor stabili printr-un proces de auto-alegere.

Capitolul 4. PLC – Programabil Logic Controller

NOȚIUNI GENERALE

Automatele programabile denumite și PLC, au fost utilizate prima dată în anii ’60. Acestea au fost rezultatul cercetărilor din domeniu în scopul reducerii costurilor ridicate de proiectere, realizare, implementare și exploatare a sistemelor automatizate din domeniul atât industrial cât și casnic.

Apariția PLC-ului a fost precedată de elaborarea și sistematizarea unui set de cerințe necesar noului sistem de automatizare.

PLC-ul trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:

să fie comparabil economic cu sistemele de automatizare cu relee intermediare;

să fie capabil să lucreze în aria domeniilor atât industrial cât și casnic;

să fie realizat în formă modulară, cu posibilitatea înlocuirii modulelor;

să aibă posibilitatea de comunicare a datelor colectate din proces cu un sistem central supervizor de tipul SCADA;

să aibă o programare simplă și ușor de înțeles.

La sfârșitul anilor 1960, o companie americană pe nume Bedford Associates, a lansat un nou dispozitiv de calcul numit „MODICON – controler digital modular”.

Mai târziu, după ce și alte companii care au dezvoltat propriile lor variante pornind de la acest dispozitiv, tehnologia a primit denumirea de PLC – Programmable Logic Controller, așa numitul automat programabil. Inițial, scopul principal al unui PLC a fost de a înlocui releele electromecanice ca și elemente de logică, locul lor urmând a fi luat de calculatoare digitale semiconductoare. Un program stocat în memoria calculatorului este capabil să simuleze funcții logice realizate înainte prin interconectare de relee electromecanice.

Un PLC este soluția ce are la bază un microprocesor ce utilizează modulele de intrare conectate la senzori în scopul citirii stării sistemului controlat, schimbării sarcinii analiză a stării sistemului și clarificarea acțiunilor consecutive. Acesta lucrează cu module de ieșire. Pe lângă hard, dispozitivul PLC are și o componentă software și cu ajutorul căreia prelucrează informațiile valorilor de ieșire oferind o imagine a valorilor de intrare.

ARHITECTURA PLC

Automatul programabil realizează două sarcini principale ale automatizării unui proces:

monitorizarea stării procesului prin achiziția la intrările automatului, prin intermediul senzorilor, butoanelor, limitatoarelor de cursă, etc. a variabilelor de stare din proces;

prelucrarea informațiilor primite de la intrări și generarea comenzilor necesare spre elemente de execuție din procesul automatizat, conform program specific implementat.

În încercarea de simplificare a modului de programare a PLC-urilor, limbajul de programare a fost proiectat astfel încât să semene cu diagramele ladder. Astfel, un inginer sau electrician obișnuit cu citirea diagramelor ladder, se poate adapta relativ ușor mediului de programare a PLC-urilor pentru realizarea acelorași funcții de control.

În figura 4.1 este prezentată schematic, arhitectura unui PLC. Unitatea Centrală – UC este în general, bazată pe un singur procesor. Sunt situații, pentru aplicații complexe în care este necesar multiprocesorul. Majoritatea dispozitivelor PLC au o magistrală unică, comună cu blocul „UCP”, blocul „memoria” și interfețele.

Unitatea/dispozitivul PLC de utilizare, programare și depanarea este de regulă, un dispozitiv cu tastatură și display și poate ajunge până la complexitatea și dimensiunilor unui PC.

Fig. 4.1. Schema bloc – Arhitectura PLC.

Rolul modulelelor I/O de intrare/ieșire este de a converti semnalele primite de la senzori, într-un format digital și de a genera semnale electrice proporționale cu valorile digitale.

În principal, un dispozitiv PLC este alcătuit din două elemente majore:

Unitatea centrală de prelucrare UCP – este creierul controlerului programabil și este compus din trei părți prezentate schematic în figura 4.2:

Procesorul – codează, decodează și calculează date;

Sistemul de memorare – stochează programe și date de control necesare echipamentelor conectate la PLC. Este împărțită în trei zone:

zona de sistem – conține programe instalate de către fabricant cum ar fi sistemul de operare, module de diagnosticare și simulare, etc;

zona de program – conține codul de control implementat de programator;

zona de date – stochează variabilele utilizate de programul de aplicație.

Alimentarea – furnizează dispozitivului PLC tensiunea și curentul necesare bunei funcționări.

Sistemul de intrare/ieșire – module I/O – este zona din PLC la care sunt conectate toate dispozitivele din câmp. Sistemul de I/O are două părți principale:

Cadrul de montare (rack-ul) – este o cutie cu sloturi în interior, conectat la UCP (figura 4.3);

Modulele de intrare/ieșire (I/O) – sunt dispozitive cu terminale de conectare la care sunt conectate dispozitivele din câmp (figura 4.3).

Fig. 4.2. Schema bloc – Structura UCP.

Fig. 4.3. Rack-ul cu modulele I/O.

STANDARDUL IEC 61131 PENTRU PLC

IEC 61131 este un standard internațional și se aplică PLC-urilor și perifericelor asociate cum ar fi instrumentele de programare și depanare, HMI (Human Machine Interface – Interfața om – mașină), etc, toate fiind utilizate în scopul controlului și comenzii mașinilor și a proceselor industriale. Standardul este format din mai multe părți. Se consideră că IEC 61131-3 este considerată partea principală care standardizează cinci dintre cele mai utilizate limbaje de programare a PLC-urilor LD – Ladder diagram (grafic), FBD – Function Block Diagram (grafic), IL – Instruction list (text), ST – Structured text (text), SFC – Sequential Function Chart.

CRITERII DE ALEGERE PLC

clasa PLC-ului – este definită de către numărul maxim de semnale de intrare – ieșire I/O, capabile să comande și să conducă.

viteza de calcul a PLC-ului – este definită de către capabilitatea de luare a deciziei corecte într-un interval de timp precizat.

PLC vs DISPOZITIVE DE CONTROL TRADIȚIONAL

Dezvoltarea tehnologică în domeniul electronicii și în știința IT tinde spre arhitecturile hardware/software avansate, capabile să garanteze un timp de reacție scurt și o siguranță intrinsecă mult mai bună.

În mare parte, în sistemele industriale tradiționale de comandă și control, dispozitivele de control sunt cablate în conformitate cu modul în care trebuie să lucreze sistemul controlat pe când, în sisteme în care sunt implementate dispozitive PLC, acestea înlocuiesc cablarea dintre dispozitive astfel încât tot echipamentul este conectat la PLC. Programul de comandă și control este acel program scris și stocat în memoria internă a dispozitivului PLC prin intermediul căruia PLC-ul ia decizii în sistemul implementat.

Utilizarea PLC-ului în vederea oferiri cablării legăturilor dintre dispozitivele sistem este denumită și cablare software – softwiring. [12]

Avantajul cablării software (softwiring-ului):

Cablarea software permite ca modificările într-un sistem de comandă și control să fie facile, rapide și ieftine. Modificările sunt realizare imediat prin schimbarea/modificarea programului de comandă și control implementat. Într-un sistem tradițional, această modificare implică o schimbare a cablării fizice dintre dispozitive ceea ce conduce la costuri ridicate prin consumarea pieselor, resurselor umane și implicit a timpului.

Siguranță mai mare;

Necesitatea unui spațiu mic pentru implementare;

Costuri reduse;

Dezvoltare continuă, etc.

Capitolul 5. AUTOMATIZAREA UNEI CASE PASIVE (CASĂ PASIVĂ INTELIGENTĂ) UTILIZAND SENZORI WIRELESS

PREZENTAREA INSTALAȚIEI DIN CASĂ

Evoluția tehnicii în domeniul prezentat în această lucrare, a condus la o evoluție rapidă a tehnologiilor care propun un control rapid, intuitiv și eficient al instalațiilor electrice ale casei prin intermediul sistemelor integrate de comană și control.

Automatizarea este o parte integrantă a tehnologiei actuale precum și a proceselor de producție. Procesele automatizate, regăsite cel mai frecvent în industrie ca procese automatizate industriale, sunt utilizate din ce în ce mai mult și în domeniul casnic.

O casă pasivă inteligentă este dotată cu componente active (inteligente) care acționează în cadrul subsistemelor din alcătuirea spațiului. Sistemele și subsistemele interacționează atât între ele căt și cu un sistem central decizional.

Astfel, prin casă inteligentă sau mediu inteligent înțelegem integrarea tehnologiei și a serviciilor prin intermediul automatizărilor, în scopul unei calități mai bune a vieții.

Automatizări rezidențiale. Pe măsură ce tehnologia avansează, dispozitivele casnice cum ar fi aspiratoarele, cuptoarele cu microunde, frigiderele sunt dotate cu noduri senzoriale inteligente și actuatori. Nodurile senzoriale din interiorul acestor dispozitive pot interacționa între ele și cu o rețea externă via Internet sau Satelit. Ele permit utilizatorilor să utilizeze comod dispozitivele casnice din locuință sau de la distanță.

Mediu inteligent. Proiectarea unui mediu inteligent poate avea diverse aspecte, adică o proiectare bazată pe principiul omul să fie pe primul plan sau tehnologia să fie pe primul plan. In primul caz, un mediu inteligent trabuie să se adapteze utilizatorului final din punct de vedere al capacităților sale de intrare/ieșire. În cel de-al doilea caz, se impune dezvoltarea noilor tehnologii hardware, a soluțiilor de interconectare prin rețea, inclusiv a seviciilor. Nodurile senzoriale pot fi înglobate în mobilă și în aparatura casnică, putând comunica intre ele și cu serverul din încăpere. Serverul din încăpere poate comunica cu serverele din celelalte încăperi pentru a afla despre serviciile oferite de acestea, cum ar fi de exemplu tipărirea documentelor, scanarea acestora sau trimiterea lor prin fax. Serverele de cameră și nodurile senzoriale pot conlucra cu celelalte dispozitive încorporate în scopul obținerii unui sistem adaptiv autoorganizator, autocantolat, care funcționează având la bază teoria controlului modelelor [7].

Principalele sistemele care vot fi automatizate la casa sunt prezentate în cele ce urmează. Automatizările sunt integrate într-un singur sistem pot fi controlate printr-o interfață grafică facilă și comodă oricărui utilizator sau cu posibilitatea adăugării și a altor sisteme ce pot fi automatizate, necesare proprietarului casei.

sistemul de iluminat – utilizarea ca înlocuitor al întreruptoarelor a unui display touchscreen de control al iluminării, capabil să controleze un circuit de lumini, o cameră întreagă, toată iluminarea din casă, etc. Display-ul de control va fi prevăzut cu butoane pentru cazul iluminării și va trebui să fie poziționat într-un loc accesibil persoanelor mature:

buton1 – se aprind/sting toate luminile dintr-o cameră;

buton2 – modifică intensitatea luminii;

buton3 – se luminează scările, holurile, bucătăria, aleea din jurul casei, etc;

buton4 – se sting toate luminile din casa;

sistemului de aerisire cu ajutorul ferestrelor – Display-ul de control va fi prevăzut cu un buton de comandă a pornirii/opririi comenzii, restul fiind automat. Sistemul va folosi un automat programabil pentru procesul automatizat care va avea ca inrări și ca ieșiri motoarele care vor fi comandate să deschidă/închidă ferestrele;

sistemul de storurilor/jaluzelelor – la fel ca și celelalte, este integrat în display-ului de comandă al casei. Storurile sau draperiile pot fi deschise și închise automat, pe baza unui eveniment. Automatizarea lor va fi setată tot în cadrul PLC-ului, cu ajutorul unor motoare.;

temperatura – sistemul de control va permite programarea termostatelor pentru a regla automat temperatura în casă integrat sau individual, pentru a realiza confortul pe parcursul zilei sau nopții;

securitatea casei – soluții de supraveghere cu camere video care pot monitoriza în timp real diverse evenimente, direct din casă și de la distanță prin intermediul conexiunii de internet. Se va folosii același display de control care va avea funcție de observare a fiecărei camere video;

Sistemul de irigare al gazonului – preia date de la senzorul de umiditate a solului iar pe baza acestor date sunt acționate aspersoarele. Sistemul poate fi împărțit pe zone de funcționare și poate fi programat;

Funcționalitatea instalațiilor dintr-o casă este controlată prin scenarii bine definite sau, dacă toate subsistemele (mai sus prezentate) sunt integrate într-unul singur, pot fi controlate printr-o interfață grafică facilă și comodă utilizatorului.

PREZENTAREA PLC-ului

În exemplele prezentate în lucrare a fost utilizat un PLC cu:

11 intrări digitale;

4 intrări analogice;

6 ieșiri.

În figura 5.1 este prezentat PLC-ul văzut din față. Cei doi terminali L1 și L2 din partea superioară sunt pentru alimentarea circuitului intern al dispozitivului cu 120 Vca. Cei șase terminali din partea stângă se folosesc pentru conectarea dispozitivelor de intrare, fiecare terminal reprezentând un canal diferit cu propria sa notație (X). Terminalul din stânga jos (common), reprezintă masa, ce se conectează la L2.

Fig. 5.1. PLC – vedere din față.

Semnalele de intrare

În interiorul carcasei PLC-ului, între fiecare terminal de intrare și terminalul de masă, există conectat câte un dispozitiv opto-izolator (LED). Acesta asigură o izolare electrică între semnalul logic „înalt” de la intrare și circuitul calculatorului, atunci când există o tensiune de 120 V c.a. aplicată între terminalul respectiv și masă. O intrare energizată poate fi „citită” prin intermediul unui LED aprins pe carcasa dispozitivului.

Fig. 5.2. PLC – Semnalele de intrare.

Semnalele de ieșire

Semnalele de ieșire sunt generate de circuitul intern al PLC-ului prin activarea unui dispozitiv de comutare (tranzistor, triac, sau chiar releu electromecanic), conectând terminalul „Source” cu oricare dintre terminalii de ieșire „Y”. Terminalul „Source” este la rândul său conectat de obicei la L1. Din nou, o ieșire energizată poate fi citită de pe PLC prin intermediul unui LED.

Fig. 5.3. PLC – Semnalele de ieșire.

Programarea PLC-ului

Logica circuitului este stabilită în interiorul PLC-ului prin intermediul unui program software. Acest program decide care ieșiri sunt energizate și sub ce condiții de intrare. Programul este introdus și vizualizat prin intermediul unui PC conectat la portul PLC-ului (programming port).

Fig. 5.4. PLC – Legarea contactorului X1 de bobina Y1.

Atunci când comutatorul buton nu este apăsat, intrarea X1 a PLC-ului nu este alimentată. Urmărind programul, se poate vedea un contact X1 normal-deschis în serie cu o bobină Y1. Puterea de pe bobina Y1 este și în acest caz zero. Prin urmare, ieșirea Y1 a PLC-ului rămâne de-energizată, iar lampa indicatoare conectată pe această ieșire nu se aprinde.

Apăsarea butonului face ca intrarea X1 să fie alimentată. În acest caz, toate contactele X1 ce apar în program vor fi acționate.

Fig. 5.5. PLC – Simularea programului cu contactul X1 normal deschis.

Energizarea intrării X1 duce la închiderea contactului normal-deschis X1 alimentând bobina Y1. Când bobina Y1 a programului este energizată, ieșirea reală Y1 devin energizată și lampa conectată pe ieșire se va aprinde.

Contactul X1 și bobina Y1 și conductorii de legătură ce apar pe ecranul calculatorului sunt toate elemente pur virtuale. Ele există doar ca și comenzi în interiorul programului unui calculator.

Calculatorul este utilizat doar pentru vizualizarea și editarea softului PLC-ului, și nu este necesară prezența acestuia pentru funcționarea dispozitivului. Odată ce programul a fost încărcat în PLC de pe calculator, acesta poate fi deconectat PLC-ul continuându-și funcționarea conform instrucțiunilor programului.

Reprogramarea PLC-ului

Dacă dorim modificarea comportamentului unui sistem de comandă și control, având în vedere că PLC-ul este un dispozitiv programabil, comportamentul acestuia se modifică doar prin schimbarea comenzilor nefiind necesară reconfigurare sistemului care cuprinde și componentele electrice conectate la intrarea și ieșirea PLC-ului.

De exemplu, dacă dorim ca circuitul de mai sus să funcționeze invers: apăsarea butonului duce la închiderea lămpii iar eliberarea acestuia la aprinderea ei.

Soluția „hardware” constă în înlocuirea comutatorului buton normal-deschis cu un comutator buton normal-închis.

Soluția software, constă în modificarea programului, astfel încât contactul X1 să fie normal-închis în loc de normal-deschis.

a). când comutatorul nu este acționat b). când comutatorul este acționat

Fig. 5.5. PLC – Simularea programului cu contactul X1 normal închis.

Reutilizarea intrărilor PLC-ului

Semnalele de intrare pot fi refolosite în interiorul programului ori de câte ori este necesar.

Fig. 5.6. PLC – Acționarea simultană a mai multor comutatoare.

De exemplu, circuitul și programul alăturat sunt proiectate pentru a energiza lampa în cazul în care cel puțin două din cele trei comutatoare sunt acționate (închise) simultan.

Prin utilizarea dispozitivului PLC putem refolosi intrările X ori de câte ori dorim, prin intermediul soft-ului. Nu este necesară adăugarea unor noi componente deoarece fiecare intrare cât și ieșire a unui PLC este un simplu bit (0 sau 1) stocat în memoria digitală a dispozitivului. Nu există o limită teoretică a numărului de reutilizări ai acestor biți.

CONTROLUL SISTEMULUI DE ILUMINAT

Controlul sistemului de iluminat reprezintă soluția optimă pentru eficientizarea consumului de energie electrică, crescând totodată și confortul utilizatorului. Odată cu trecerea anilor și dezvoltarea tehnologiilor, tot mai multe țări adoptă norme și standarde în vederea îmbunătățirii performanțelor energetice ale clădirilor.

Printre avantajele implementării unui sistem de control a iluminatului se regăsesc:

Reducea consumului de electricitate;

Creare unei ambianțe plăcute;

Posibilitatea varierii intensității luminoase, dacă este necesar;

Posibilitatea schimbării culoarii luminii, acolo unde este posibil.

Uzual sunt utilizate în fiecare încăpere, întrerupătoarele dar folosirea acestora este de multe ori, pe lângă o pierdere de vreme și greu de realizat. O soluție pentru înlocuirea lor este utilizarea unui display touchscreen (ecran tactil intuitiv cu un design adaptat nevoilor) de control al iluminării, și nu numai, capabil să controleze în acest caz fie un circuit de lumini, o cameră întreagă, toată iluminarea din casă, sau pur si simplu orice scenariu într-o combinație utilă. [12]

Astfel display-ul touchscreen de control va fi prevăzut cu patru butoane pentru cazul iluminării și trebuie poziționat într-un loc accesibil persoanelor mature.

Un scenariu de comandă și control al iluminatului ar fi:

de la Buton1 se poate aprinde/stinge toate luminile dintr-o cameră;

cu Buton2 se poate modifica intensitatea luminii;

cu Buton3 se realizează iluminarea scărilor, culoarelor, holurilor, bucătăria și eventual curtea din jurul casei;

cu Buton4 se pot stinge toate luminile din casa.

Ca acest control să fie cu totul deosebit, pe display-ul touchscreen este implementat un sistem de semnalizare al tuturor becurile din casă cu ajutorul unor leduri în scopulsemnalizării luminoase a avariei survenite în sistem (arderea becului, neonului etc). Această semnalizare permite identificarea cu ușurința a avariei.

Acest control se îmbină perfect cu alte sisteme de control automatizat dintr-o casă inteligentă, ca de exemplu temperatura, lumina naturală, controlul multimedia etc, astfel eliminând prezența multiplelor întrerupătoare. Un sistem de control iluminat, corect proiectat, economisește energia, simplifică viața și oferă securitate întregii familii.

Implementare PLC:

Intrări digitale/analogice:

Senzor ambiental (de luminozitate) %IW1.0;

Senzor de mișcare %I0.0;

Ieșiri digitale :

Becurile/Neoanele/LED-urile amplasate în casa %Q0.0;

Mărimi controlabile :

Intensitatea luminoasă;

Descriere automatizare implementată:

Intrarea analogică %Iw1.0 monitorizează detecția luminii și respectiv intensitatea acesteia, astfel la o luminozitate naturală puternică senzorul trimite pe pinul de intrare o valoare de 5V iar la o luminozitate naturală aproape de 0 sau chiar 0 trimite 0V. În acestă plajă de valori 0 .. 5V luminile din casă sunt stinse sau aprinse în funcție de ce va indica senzorul.

De asemenea, luminile din casa adoptă o intensitate luminoasă și în funcție de intensitatea luminoasă naturală.

Intrarea digitală %I0.0 monitorizează detecția mișcării pentru aprinderea sau stingerea unor lumini, odată detectată mișcarea parametrul digital va lua starea 1, stare în care luminile din zona senzorului respectiv se vor aprinde. Dacă mișcarea nu mai este detectată, parametrul digital va lua starea 0, stare în care pentru 10 minute de la ultima detecție de mișcare luminile vor fi stinse și vor rămâne așa până la detecția următoarei mișcări.

CONTROLUL SISTEMULUI DE DE AERISIRE

Implementarea acestui sistem folosește ferestrele casei ca modalitate de aerisire naturală. Pentru acest sistem este necesar un buton pe display-ului de comandă, în scopul pornirii/opririi comenzii, restul fiind automatizat.

Implementare PLC:

Intrări digitale/analogice:

Senzor temperatură %IW1.1

Senzor de ploaie %I0.1;

Senzor de vânt %I0.2

Senzor de calitate al aerului %I0.3

Releu de timp %TM0

Ieșiri digitale :

Motoare pentru acționarea de deschidere/închidere a geamurilor %Q0.1;

Mărimi controlabile :

Calitatea aerului;

Descriere automatizare implementată:

Sistemul folosește PLC-ul pentru procesul automatizat care are senzori ca intrări „I1.0”, ieșirile „Q1.0” fiind motoarele care vor acționa ferestrele. Senzorul de temperatură el va fi amplasat în exteriorul casei de unde va prelua informații privind temperatura mediului. Senzorul de ploaie, plasat în exteriorul casei va detecta dacă afară plouă sau nu. Senzorul de vânt, plasat în exteriorul casei preia și transmite PLC-ului informațiile despre puterea eoliană. Senzorul de calitate a aerului trimite informațiile legate de poluarea atmosferică astfel încât să se păstreze în casă un mediu curat.

De asemenea, vor fi niște ore când geamurile pot fi deschise si niște ore când aceastea vor fi închise, această comanda fiind realizata cu un releu de timp care este inclus în PLC.

CONTROLUL STORURILOR/JALUZELELOR

Sistemele de control automatizat al caselor au căpătat teren astfel încât anumite automatizări au fost integrateîn display-ul de comandă. Printre aceste dispozitive integrate se află și controlul storurilor/jaluzelelor/draperiilor.

Folosind avantajele acestui sistem, storurile/draperiile/jaluzelele pot fi deschise și închise automat, pe baza unui eveniment bine definit (de exemplu momentul în care temperatura ambiantă interioară ajunge la temperatura programată). Scopul acestor tipuri de automatizări este îl constituie economia de energie consumată pentru încălzirea/răcirea încăperilor casei.

Automatizarea va fi programată în cadrul PLC-ului. Cu ajutorul motoarelor electrice acționate de către PLC, storurile/draperiile/jaluzelele vor fi ridicate sau coborâte.

Implementare PLC:

Intrări digitale/analogice:

Releul de timp al PLC-ului %TM1

Ieșiri digitale :

Motoare pentru acționarea de deschidere/închidere a storurilor/jaluzelelor %Q0.2;

Mărimi controlabile :

Lumina naturală;

CONTROLUL TEMPERATURII

Controlul temperaturii permite gestionarea sistemul de încălzire și răcire în scopul creșterii confortului termic interior și eficienței consumului. Sistemul de control permite programarea termostatelor pentru a regla automat temperatura în fiecare încăpere.

Avantajul controlului încălzirii/răcirii într-o casă inteligentă:

oferă posibilitatea de a seta menținerea temperaturii la un nivel eficient de consum și de a programa ajustarea acesteia la un nivel confortabil, în orice moment al zile și/sau nopții.

se poate monitoriza temperatura în anumite camere cum ar fi cea a copilului sau spațiul de depozitare al vinului, atunci când cineva este în casă de la dispozitivele instalate sau prin intermediul telefonului sau laptopului când toți membrii sunt plecați din casă.

Implementare PLC:

Intrări digitale/analogice:

Termostat cu senzor de temperatură si funcție PWM %IW1.2

Ieșiri digitale :

Dispozitive de aer condiționat %Q0.3;

Mărimi controlabile :

Temperatura

Descriere automatizare implementată:

Controlului temperaturii va fi făcut cu ajutorul unor dispozitive de aer condiționat. Ca să putem controla temperatura din fiecare cameră va trebui plasat în fiecare cameră câte un termostat prevăzut cu funcție PWM și afișare de temperatură, pentru setarea temperaturii dorite în camera respectivă. Astfel încălzirea/răcirea se va face după preferințe pentru fiecare cameră cu ajutorul termostatului legat la dispozitivele de aer condiționat.

Temperatura este o mărime neelectrică analogică care este preluată de către senzorul de temperatură. Acest senzor primește date din exterior urmând a converti mărimea preluată neelectrică într-o mărime electrică. De exemplu senzorul preia temperatura din exterior de 20 ºC. Mărimea electrică corespunzatoare pentru 20 ºC va fi convertită de senzor în tensiunea de 4 V. Pentru fiecare grad vom avea o tensiune de 0,2 V. Astfel, dacă tensiunea va fi de 4,2 V, temperatura va indica 21 de grade.

CONTROLUL PRIVIND SECURITATEA CASEI

Acest sistem va putea fi controlat și distanțe foarte mari. Odată detectat un eveniment semnalizarea sonoră va trimite informații iar prin mijloacele de comunicații acestea vor ajunge la dispeceratul de monitorizare, Camerele video transmit imagini iar sistemul automatizat transmite informația, mergând până la a lua decizii privind evenimentul (blocare căi de acces, anunțarea firmei de pază, filmare, expediere sms de alarmă, activarea localizată a sistemului de stingere a incendiului la detectarea fumului prin senzori, etc.).

În acest scop sunt necesare montări de camere videoatât în exterior cât și în interiorul locuinței. Se va utiliza același display touchscreen de control care va avea funcție de observare a fiecărei camere video. Se va amplasa un sistem antiefracție pentru detecția și notificarea imediată asupra unui element nedorit.

Pentru sistemul de detecție incendiu și avertizare pentru detecție incendiu este suficientă conectarea detectorilor de fum la centrala de alarma folosită împotriva efracției.

Implementare PLC:

Componentele sistemului antiefracție:

senzor de mișcare %I0.4;

senzor de geam spart %I0.5;

butoane de panică %I0.6

Componentele sistemului detecție incendiu:

senzor de fum optic %I0.7;

senzor de fum prin aspirație %I0.8;

senzor de flacără %I0.9;

senzor de temperatură %IW1.3;

sirene si indicatoare optice de semnalizare %Q0.4

CONTROLUL SISTEMULUI DE IRIGARE

Acest sistem este necesar să poată fi acționat și atunci când nu este nimeni acasă. Acest sistem preia date de la senzorul de umiditate amplasat în sol și pe baza acestor date se acționează aspersoarele. Sistemul poate fi programat să funcționeze în intervalul orar în care există avantaje ale implementării acestuia (de exemplu atunci când costul cu utilitățile este mai redus).

Se implementează și un senzor de ploaie pentru a se evita acționarea accidentală a sistemului pe timp de ploaie.

Mai pot fi realizate sisteme de irigare speciale pentru sere, la care se poate monitoriza compoziția solului, se poate regla temperatura apei și a aerului.

Printre avantajele implementării unui astfel de sistem se regăsesc:

Oferă economie de apă și timp;

Asigură vitalitate spațiului verde;

Permite obținerea unei grădini îngrijite, fără a depune efort si fără a interveni in vreun fel.

Implementare PLC:

Intrări digitale/analogice:

Senzor de umiditate a solului %IW1.4;

Senzor de ploaie %I0.2

Ieșiri digitale :

Sistem de irigare al gazonului %Q0.5;

Mărimi controlabile :

Umiditatea;

Calitatea solului

Bibliografie

[3]. J. S. Wilson, “Sensor technology handbook”, Oxford Elsevier’s Science & Technology, 2005.

[4]. M. Ilyas, I. Mahgoub, “Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems”, CRC Press, 2000.

[5]. W. Dargie, C. Poellabauer, “Fundamentals of Wireless Sensor Networks. Theory and Practice”, John Wiley and Sons, Ltd., Publication, 2010.

[6]. I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, “Wireless sensor networks: a survey”, Computer Networks, 38 (2002), p. 393 – 422.

[7]. C. Herring, S. Kaplan, “Component-based software systems for smart environments”, IEEE Personal Communications, October 2000, p. 60 – 61.

[8] G. Hoblos, M. Staroswiecki, A. Aitouche, “Optimal design of fault tolerant sensor networks”, IEEE International Conference on Control Applications, Anchorage, AK, September 2000, p. 467 – 472.

[9]. N. Bulusu, D. Estrin, L. Girod, J. Heidemann, “Scalable coordination for wireless sensor networks: self-configuring localization systems”, International Symposium on Communication Theory and Applications (ISCTA 2001), Ambleside, UK, July 2001.

[10]. A. Perrig, R. Szewczyk, V. Wen, D. Culler, J.D. Tygar, “SPINS: security protocols for sensor networks”, Proceedings of ACM MobiCom’01, Rome, Italy, 2001, p. 189 – 199.

[11]. B., Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press 2005

[12]. GAITAN Nicoleta Cristina, s.l.dr.ing. Facultatea de Inginerie Electrica si Stiinta Calculatoarelor

[13]. http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/logica-ladder/automate-programabile-plc

[14]. http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/logica-ladder/diagrame-ladder

[15]. http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/logica-ladder/functii-logice-digitale

[16]. Automatizarea Instalațiilor Vol.1 2010 – Sorin Larionescu

[17]. Curs urmat in cadrul Facultatii de Inginerie electrica : Microcontrolere și automate programabile, Titular de curs Prof.dr.ing. Valentin Navrapescu

Bibliografie

[3]. J. S. Wilson, “Sensor technology handbook”, Oxford Elsevier’s Science & Technology, 2005.

[4]. M. Ilyas, I. Mahgoub, “Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems”, CRC Press, 2000.

[5]. W. Dargie, C. Poellabauer, “Fundamentals of Wireless Sensor Networks. Theory and Practice”, John Wiley and Sons, Ltd., Publication, 2010.

[6]. I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, “Wireless sensor networks: a survey”, Computer Networks, 38 (2002), p. 393 – 422.

[7]. C. Herring, S. Kaplan, “Component-based software systems for smart environments”, IEEE Personal Communications, October 2000, p. 60 – 61.

[8] G. Hoblos, M. Staroswiecki, A. Aitouche, “Optimal design of fault tolerant sensor networks”, IEEE International Conference on Control Applications, Anchorage, AK, September 2000, p. 467 – 472.

[9]. N. Bulusu, D. Estrin, L. Girod, J. Heidemann, “Scalable coordination for wireless sensor networks: self-configuring localization systems”, International Symposium on Communication Theory and Applications (ISCTA 2001), Ambleside, UK, July 2001.

[10]. A. Perrig, R. Szewczyk, V. Wen, D. Culler, J.D. Tygar, “SPINS: security protocols for sensor networks”, Proceedings of ACM MobiCom’01, Rome, Italy, 2001, p. 189 – 199.

[11]. B., Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press 2005

[12]. GAITAN Nicoleta Cristina, s.l.dr.ing. Facultatea de Inginerie Electrica si Stiinta Calculatoarelor

[13]. http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/logica-ladder/automate-programabile-plc

[14]. http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/logica-ladder/diagrame-ladder

[15]. http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/logica-ladder/functii-logice-digitale

[16]. Automatizarea Instalațiilor Vol.1 2010 – Sorin Larionescu

[17]. Curs urmat in cadrul Facultatii de Inginerie electrica : Microcontrolere și automate programabile, Titular de curs Prof.dr.ing. Valentin Navrapescu

=== ϹUРRΙΝS ===

CUPRINS

CUPRINS 3

Capitolul 1. INTRODUCERE 5

1.1 SCOPUL LUCRĂRII 5

1.2 TERMENI, DEFINIȚII ȘI ABREVIERI ÎN DOMENIU 5

1.2.1 Termeni 5

1.2.2 Definiții 5

1.2.3 Abrevieri 7

1.3 NECESITATEA LUCRĂRII 7

1.4 ACTUALITATEA ÎN DOMENIU b#%l!^+a? 10

Capitolul 2. CASA PASIVĂ 12

2.1. NOȚIUNI GENERALE 12

2.2. CARACTERISTICILE CASELOR PASIVE 12

2.3. CONSUMUL DE ENERGIE PENTRU O CASĂ PASIVĂ 14

2.4. VENTILAȚIA CASEI PASIVE 14

2.5. SISTEM DE ÎNCĂLZIRE ȘI PRODUCERE APĂ CALDĂ MENAJERĂ (ACM) 17

2.6. SISTEMUL DE CLIMATIZARE DE TIP “PUȚ CANADIAN” 19

2.6.1. Descrierea sistemului 19

2.6.2. Proprietățile termice ale pământului 21

2.6.3. Amplasarea conductelor de aer în cazul sistemului de tip “puț canadian” 22

2.7. SITUAȚIA PE PLAN NAȚIONAL ȘI INTERNAȚIONAL ÎN DOMENIUL TEMATICII PROPUSE 23

2.8. ANALIZA CRITICĂ A STADIULUI ACTUAL 25

Capitolul 3. REȚELE DE SENZORI WIRELESS 26

3.1. GENERALITĂȚI 26

3.2. SENZORI 27

3.2.1. Noțiuni generale 27

3.2.2. Clasificarea senzorilor 33

3.2.3. Senzori de temperatură 34

3.2.3.1. Opțiunile procesului de măsurare a temperaturii 34

3.2.3.2. Calitatea procesului de măsurara a temperaturii 35

3.2.3.3. Măsurarea directă a temperaturii 35

3.2.3.4. Măsurări termoelectrice (termocuple) 40

3.2.3.5. Detectoare rezistive de temperatură (termorezistențele) – DRT 46

3.2.3.6. Termistori 50

3.2.3.7. Senzori monolitici de temperatută (senzori integrați – CI sensors) 51

3.2.4. Senzori optici 52

3.2.4.1. Fotorezistorii 52

3.2.4.2. Fotodiodele 53

3.2.4.3. Fotodiodele PIN 54

3.2.4.4. Fototranzistoarele 55

3.2.4.5. Detectoare de poziție fotosensibile (DPF) 55

3.2.5. Senzori magnetici 56

3.2.5.1. Introducere 56

3.2.5.2. Senzori Hall 57

3.2.5.3. Senzori GMR 61

3.3. SENZORI WIRELESS 62

3.3.1. Generalități 62

3.3.2. Criterii de alegere a senzorilor wireless 63

3.4. REȚELE DE SENZORI WIRELESS 64

3.4.1. Aplicații ale rețelelor de senzori 65

3.4.2. Factori care influențează proiectarea rețelelor de senzori wireless 65

3.4.3. Topologia rețelelor de senzori wireless. 66

3.4.3.1. Configurația în stea single-hop 66

3.4.3.2. Configurația plasă plată multi-hop și rețea regulată 67

3.4.3.3. Structură în clusteri pe două niveluri 67

Capitolul 4. PLC – Programabil Logic Controller 68

4.1. NOȚIUNI GENERALE 68

4.2. ARHITECTURA PLC 69

4.3. STANDARDUL IEC 61131 PENTRU PLC 70

4.4. CRITERII DE ALEGERE PLC 71

4.5. PLC vs DISPOZITIVE DE CONTROL TRADIȚIONAL 71

Capitolul 5. AUTOMATIZAREA UNEI CASE PASIVE (CASĂ PASIVĂ INTELIGENTĂ) UTILIZAND SENZORI WIRELESS 72

5.1. PREZENTAREA INSTALAȚIEI DIN CASĂ 72

5.2. PREZENTAREA PLC-ului 74

5.3. CONTROLUL SISTEMULUI DE ILUMINAT 78

5.4. CONTROLUL SISTEMULUI DE DE AERISIRE 79

5.5. CONTROLUL STORURILOR/JALUZELELOR 80

5.6. CONTROLUL TEMPERATURII 80

5.7. CONTROLUL PRIVIND SECURITATEA CASEI 81

5.8. CONTROLUL SISTEMULUI DE IRIGARE 82

Bibliografie 84