Module Electronice In Sisteme Hidraulice

Cuprins

=== l ===

Cuprins

MODULE ELECTRONICE IN SISTEME HIDRAULICE

DE REGLARE AUTOMATA A POZITIEI

1. Introducere

In ultimii 10-15 ani, echipamentele hidraulice si pneumatice au capatat o raspandire tot mai larga si se intrevede pe plan mondial o extindere tot mai mare, inlocuind alte tipuri de actionari (mecanice, electrice, etc.) datorita marilor avantaje pe care le prezinta legate in primul rand de robustetea si adaptabilitatea la conditii de lucru variate, forte si momente de nivel ridicat pe care le poate dezvolta la preturi de cost relativ scazute si mai ales integrabilitatea in sisteme de automatizare complexe prin introducerea tehnicii elementelor proportionale si a servo-elementelor comandate electronic.

Pe plan mondial se constata o evolutie rapida si spectaculoasa a acestui din urma domeniu, care a condus la conceptia unor elemente cu electronica de comanda integrata, iar in ultimul timp, prin includerea atat a elementelor de informare (senzorii) cat si a elementelor de comanda si de decizie (microcontrolere) s-au creareat elemente hidraulice complexe dotate cu inteligenta locala care pot fi interconectate in retele de automatizare conduse de calculator, avand precizii si timp de raspuns ridicate, dimensiuni din ce in ce mai mici ceea ce le face de neinlocuit in conducerea proceselor industriale si robotica.

Un subansamblu tipic in sisteme de automatizare il constituie axele hidraulice. Acestea reprezinta baza sistemelor mecatronice cu actionare hidraulica si pot fi cu deplasare liniara sau de rotatie. Axele hidraulice se fabrica in doua variante principale:

cu pozitionare continua-analogica utilizand pentru aceasta un element de comanda electrohidraulic (servovalva; sau element proportional) si un element de control (reactie) care este de regula un traductor de deplasare

cu pozitionare discreta utilizand un motor electric pas cu pas si un amplificator hidraulic.

Constructiv se pot distinge doua categorii de sisteme de pozitionare:

– axele primare care includ doar motorul hidraulic (liniar sau rotativ) si traductorul. Aceasta varianta care de obicei porneste de la cilindri tipizati este oferita mai ales de producatori de cilindri care au oricum in fabricatie o buna parte din reperele componente.

actuatoarele sau servocilindri, care include cilindrul, servovalva, traductorul si servocontrolerul. este in fabricatie de serie si are deja un numar destul de mare de producatori. Acestia provin mai ales din randul marilor producatori de hidraulica si din randul executantilor de sisteme.

Ambele variante folsesc reactia electrica si reprezinta subansamblul mecatronic tipic. In principiu, un sistem automat de reglare a pozitiei, prin utilizarea unui traductor specific si a unui regulator electronic, devine capabil sa realizeze, o deplasare de translatie, controlata riguros atat in pozitie cat si in viteza si acceleratie.

Principiul de functionare a reactiei electrica este urmatorul:

Un amplificator reguiator de regula de tip PID compara tot timpul tensiunea care reprezinta pozitia cu o tensiune de referinta UR care reprezinta pozitia comandata.Atita timp cat cele doua tensiuni vor fi diferite , amplificatorul de reglare va da, la iesirea sa, o tensiune de comanda care transformata in curent cu ajutorul unui convertor tensiune-curent , actioneaza elementul de comanda hidraulic in sensul egalarii celor doua tensiuni, producandu-se in final obtinerea unei curse efective egale cu cea prescrisa. Intrucit la conceptia si executia acestuia sistem sunt luate toate masurile ca el sa fie stabil atit din vedere static cit si dinamic, se obtine astfel o pozitionare precisa chiar in conditiile de variatie a sarcini.

Sistemul automat de reglare a pozitiei si vitezei unghiulare este alcatuit in acelasi fel si are o functionarea identica elementul de executie este insa de tpul motorului rotativ, iar traductorul este de rotatie respectiv de turatie.

Servocilindri se utilizeaza cu precadere, in servosisteme dinamice de precizie si viteza mare, si care nu rareori trebuie sa lucreze in conditii mecano-climatice grele (ex. servosisteme pentru aeronautica, echipament maritim, simulatoare etc.).

2. Structura sistemelor electrohidraulice de pozitionare

In practica se intilnesc multe variante constructive de servocilindri hidraulici, insa din analiza lor reiese ca structura lor de baza este alcatuita din urmatoarele elemente functionale:

– cilindru hidraulic (cu tija unilaterala sau bilaterala)

– element de reglare electrohidraulic (element proportional sau servovalva)

– traductoare corespunzatoare marimilor mecanice executate (deplasare, viteza, acceleratie, forta sau diferenta de presiune)

– modul electronice adaptor pentru traductoare

– modul electronic asociat controlului elementelor sistemului hidraulic

– modul electronic de prelucrare a comenzilor

– modul electronic de alimentare stabilizata

In figura 2.1 este prezentata schema unui circuit de reglare automata a pozitiei cu un cilindru hidraulic cu tija bilaterala si sevovalva.

Figura 2.1 Schema simplificata a sistemului de pozitionare

In figura au fost folosite urmatoarele notatii:

i – curebtul prin servovalva

A – aria pistonului

M – masa sarcinii

Fs – forta perturbatoare

x – deplasare pistonului

x` – viteza pistonului

Uc – tensiunea de comanda

Ux – tensiunea corespunzatoare deplasarii x (Ux = Kx x )

Kx – factorul de conversie a adaptoru;ui traductorului

KP – amplificarea electrica

KI – factorul de conversie tensiune-curent a regulatorului

Schema bloc functionala este reprezentata in figura 2.2

Figura 2.2 Schema bloc functionala

Amplificarea globala a circuitului este egala cu produsul tuturor factorilor de amplificare ai membrilor circuitului de reglare.

(2.1)

unde = amplificare debit

=amplificare volum-presiune

In realitate atat servovalva cat si cilindrul hidraulic pot fi reprezentate ca elemente de executie de ordinul 2. Daca se ia in considerare faptul ca pentru intreg sistemul de eglare a pozitiei mai este necesara integrala vitezei cilindrului, rezulta ca sistemul este de ordinul 5. In cazul sistemelor de reglare automata cu sarcini relativ mari se poate neglija dinamica elementului cu frecventa proprie ridicata, respectiv a servovalve iar sistemul devine de ordinul 3.

In figura 2.3 este reprezentata schema bloc functionala detaliata.

Figura 2.3 Schema bloc cu reprezentarea in detaliu a caracteristicilor de frecventa

2.1 Functia de transfer a sistemelor de pozitionare

Pentru sistemele de pozitionare cu cilindru hidraulic se poate elabora un model matematic cu ecuatii liniarizate

Exuatia debitului prin servovalva: Qs = Ks i – KPQ Ps ( 2.2 )

Ecuatia vitezei: Qs = A x` + c P`s ( 2.3 )

Ecuatia fortelor: A Ps = M x” + b x’ + F ( 2.4 )

Ecuatia curentului prin servovalva: i = Kx KP KI ( xc – x ) ( 2.5)

Se folosesc notatiile:

KQ – factorul de conversie curent/debit al servovalvei

KPQ – gradientul debit/prestune al servovalvei

c – factorul de compresie volumetrica a fluidului de lucru

b – coeficientul de frecare vascoasa

Ps – diferenta de presiune ihtre camerele cilindrului

xc – deplasarea comandata

Daca se neglijeaza forta de frecare vascoasa si forta perturbatoare, se obtine expresia functiei de transfer a sistemului:

( 2.6 )

unde Vx este amplificarea globala a sistemului (relatia 3.1 )

2.2 Caracteristicile sistemelor de pozitionare

Pentru sistemele de reglare a pozitiei care au n suficient de mare sistemul poate fi considerat ca fiind de urdinul 1 de ordinul 1. In aceste conditii pot fi apreciate performantele unui sistem de pozitionare.

2.2.1 Constanta de timp a circuitului de reglare

Daca in relatia 2.6 se considera n >>1 sistemul devine de ordinul1 avand constanta de timp proportionala cu .

(2.7)

Din aceasta relatie se poate deduce ca rapiditatea ststemului este cu atat mai mare cu cat amplificarea globala este mai mare.

2.2.2 Rigiditatea

In sistem stationar pentru rigiditatea sistemului fata de fortele de perturbatii este valabila relatia:

(2.8)

Rigiditatea este deci proportionala cu amplificarea circuitului, aria cilindrului si invers proportionala cu amplificarea volum – presiune .

(2.9)

2.2.3 Eroarea de reglare

De obicei intr-un circuit de reglare a pozitiei este necesar mai putin de 5% din debitul supapei pentru a aduce la zero viteza, respectiv pentru a compensa o forta perturbatoare, deoarece la 5% din semnal se poate considera ca exista deja intreaga presiune de sistem necesara corectiei.

Eroarea de reglare este:

[mm] (2.10)

Rezulta ca amplificarea circuitului ar trebui sa fie pe cit posibil de mare pentru ca eroarea de reglare sa fie cat mai mica.

2.3 Stabilitatea sistemelor

Din cele aratate anterior rezulta ca pentru ca un sistem sa fie precis si rigid trebuie aleasa o servovalva cu debit nominal cat mai mic posibil, o arie a pistonului cilindrului cat mai mare precum si o amplificare a ststemului cat mai mare.

Din cauza conditiilor de stabilitate marirea amplificarii circuitului nu poate fi aleasa in mod arbitrar. Daca amplificarea circuitului VX devine mai mare decit o amplificare numita critica atunci sitemul incepe sa oscileze la aparitia unui factor perturbator, adica sistemul devine instabil.

Se poate stabili ca valoarea amplificarii critice Vxcrit, este:

Vx<Vx crit=2n ( 2.11

La stabilirea valorii maxime a lui VX se are in vedere ca frecventa servosupapei V ( frecventa de defazare cu ) este considerabil mai mare decit frecventa proprie a sarcinii L .Daca VX este mentinut mic la o amortizare data rezulta un raspuns treapta ascendent relativ monoton; daca dimpotriva VX devine foarte mare, atunci apare o oscilatie puternica.

Plecind de la raspunsul sistemului la un semnal treapta putem stabili criteriile de calitate a sistemului. Se foloseste criteriul ITAE (Integral of Time multipied with Absolute Error – Integrala de timp multiplicata cu eroarea absoluta):

(2.12)

Daca se variaza VX la amortizare constanta si se traseaza valoarea ITAE fata de amplificarea relativa VX / L , rezulta diagrama din figura 2.4. Se observa ca pentru domeniul coeficientilor de amortizare tipici (0.2< <0.9) valorile ITAE optime se situeaza intre valorile 0,25 – 0,35.

.

Figura 3.4

Rezulta ca amplificarea optima este

( 3.13 )

In figura 2.5 este reprezentat comportamentul in timp a unui sistem de pozitionare functie de valorile amplificarii si amortizarii relative.

Figura 2.5 Comportamentul in timp al unui circuit de reglare

2.4 Optimizarea performantelor

Din cele aratate pana acum se poate spune ca performantele unui sistem de reglare a pozitiei- precizia si rigiditatea nu pot fi crescute la infinit pentru o anumita configuratie a sistemului. Totusi se pot aduce anumite imbunatatiri si anume:

1.Introducerea unei reactii suplimentetare de viteza cu constanta de timp T=1/T face posibila marirea amplificarii optime si deci a rigiditatii cu max 50 % tipic (30-40%).

2.Introducerea unui regulator PD face posibila marirea amplificarii optime cu 100%, daca D= (0,5..0,7) crit.Este necesara insa introducerea unui filtru trece jos cu frecventa de trecere T=5 D.

3.Introducerea unei componente integratoare in regulator face in principiu posibila obtinerea unei precizii si rigiditati nelimitate, in cazul unei pulsatii de rezonanta a sarcinii foarte scazuta, dar apar oscilatii de amplitudine constanta in sistem.

3. Elemente hidraulice de executie

3.1 Cilindri hidraulici – axe primare

O varianta destul de des intalnita este cea a axelor primare care includ doar motorul hidraulic (liniar sau rotativ) si traductorul. Acest lucru permite ca beneficiarul sa poata adauga servovalva sau proportionalul impreuna cu electronica in functie de cerintele sistemului.

In figura 3.1 este reprezentat un cilindru cu traductor incorporat iar in fidura 3.2 este ilustrata montarea traductorului de deplasare in exteriorul cilindrului hidraulic

Figura3.1 Cilindru hidraulic cu tija unilaterala cu traductor de deplasare iip Hottinger incorporat

Figura 3.2 Cilindru hidraulic cu traductor extern

3.2 Servocilindri hidraulici

Servocilindri hidraulici se deosebesc de alte sisteme electrohidraulice de reglare automata prin constructia lor compacta. Din conceptie elementele functionale care alcatuiesc ansamblul sistemului electrohidraulic se integreaza reciproc formand o structura aparent monobloc care prezinta o serie de avantaje dintre care ar putea fi mentionate urmatoarele:

-elementele sistemului sunt acordate reciproc din punct de vedere al caracteristicilor

-fabricatia sistemului este abordata de un executant unic asigurandu-se astfel obtinerea unor performante de ansamblu in clase stricte de calitate

-optimizarea elementelor de circuit hidraulic (servovalva, traseu circuit-cilindru)

-inglobarea elementelor electrice-electronice in interiorul elementelor constructive mecano-hidraulice.

In figura 3.3 este redat un servocilindru hidraulic echipat cu traductor de deplasare, adaptor electronic incorporat traductorului, servovalva, electronica de comanda inclusa in corpul servovalvei.

Figura 3.3 Servocilindru hidraulic

4. Elemente de reglare electrohidraulice

Elementele de reglare electrohidraulice sint unitati constructive distincte dispuse pe calea de transmitere a comenzilor de la sistemul de conducere catre proces. Aceste elemente sint cuplate la intrare cu regulatorul electronic (servocontrolerul) iar la iesire cu procesul prin intermediul dispozitivelor de actionare hidraulice. O particularitate a acestor elemente este caracteristica proportionala curent-debit, curent-presiune, sau curent-forta, obtinuta prin utilizarea de convertoare liniare electromecanice. Cele mai utilizate elemente hidraulice sint servovalvele si elementele hidraulice proportionale.

4.1 Elemente hidraulice proportionale

4.1.1 Distribuitorul proportional comandat direct

Distribuitorul proportional serveste comandarii sensului si marimii unui debit volumetric.

Figura 4.1 Distribuitor proportional comandat direct cu reactie electrica

Componentele principale ale supapei sint: carcasa (1), unul sau doi electromagneti proportionali (2) cu caracteristica curent-deplasare proportionala, un traductor inductiv de deplasare (3), pistonul de comanda (4) precum si unul sau doua arcuri de reglare a revenirii (5).

Daca electromagnetii nu sint excitati, pistonul de comanda este mentinut prin intermediul arcului de revenire in pozitie de mijloc. Actionarea pistonului de comanda are loc direct prin intermediul electromagnetilor proportionali.

La pistonul reprezentat in figura este inchisa legatura intre P, A, B, T. Daca spre exemplu se excita electromagnetul A (stinga), el deplaseaza pistonul de comanda catre dreapta. Se creaza legatura intre PB si AT.

Electromagnetul sting este prevazut cu un traductor inductiv de translatie. Aceasta stabileste pozitia reala a pistonului de comanda, o converteste intr-un semnal electric (Volt) proportional cu cursa; acesta este transmis la amplificatorul electronic.

Cursa este deci proportionala cu semnalul electric. Cu cit mai mare este cursa, cu atit mai mare este sectiunea de curgere si deci cu atit mai mare este debitul volumetric.

4.1.2 Electromagneti proportionali

Electromagnetii proportionali constituie veriga de legatura intre electronica si hidraulica. Ei genereaza forta sau cursa ca marimi de iesire proportional cu curentul electric ca marime de intrare.

In functie de utilizarea practica se deosebesc :

-electromagneti cu comportament proportional curent–cursa, asa numiti “electromagneti proportionali de deplasare”

-electromagneti cu comportament curent – forta proportional, asa numiti “electromagneti proportionali de forta”

Pentru a varia proportional cu curentul marimea de iesire forta respectiv deplasare pot fi utilizati numai electromagneti de curent continuu.

Valoarea tipica a curentului de comanda este 200…800mA, la o rezistenta ohmica a bobinei de 20.

4.1.3 Electromagneti proportionali de forta

La electromagnetul proportional de forta prin varierea curentului I este reglata forta magnetica, fara ca plunjerul electromagnetului magnetului sa efectueze o deplasare considerabila. Prin folosirea unei reactii de curent in amplificatorul electric curentul prin magneti si odata cu el forta magnetica sint mentinute constante chiar si atunci cind se modifica rezistenta magnetica. Proprietatea esentiala a electromagnetilor proportionali de forta este caracteristica forta-deplasare. Forta magnetica ramine, la aplicarea unui anumit curent, constanta pe un anumit domeniu de deplasare. Pentru electromagnetul prezentat deplasarea este de 1.5 mm. Acesta este domeniul util. Din punct de vedere constructiv electromagnetul proportional de forta ocupa un volum mic datorita deplasarii reduse. Deoarece deplasarea este mica electromagnetul proportional de forta este utilizat la supape si distribuitoare proportionale pilotate. Aici forta magnetica este transformata in presiune hidraulica.

Figura 4.2 – Electromagnet proportional de forta

Figura 4.3 Caracteristica cursa –forta

4.1.3 Electromagnetul proportional de deplasare

La electromagnetul proportional de deplasare pozitia plunjerului este reglata printr-un circuit de reglare in bucla inchisa si este mentinuta independenta de forta, in masura in care aceasta se situeaza in domeniul de lucru admisibil al electromagnetului. Prin intermediul electromagnetului proportional de deplasare pot fi actionate direct pistoanele supapelor de presiune, supapelor de debit precum si ale distribuitoarelor proportionale. Ele pot fi comandate in orice pozitie arbitrara a cursei. Deplasarea electromagnetului se situeaza, in functie de marimea constructiva, intre 3-5 mm.

Prin reactie electrica histerezisul si eroarea de reproductibilitate a electromagnetului sint mentinute mici. De asemenea sint reglate si fortele hidraulice ce apar la pistonul supapei (forta electromagnetului fiind relativ mica in raport cu fortele turbulente).

La supapele pilotate o mare suprafata de reglare este incarcata cu presiune hidraulica comandata. Fortele de reglare existente sint astfel mult mai mari si fortele turbulente nu mai au o influenta procentuala asa de mare. De aceea supapele proportionale pilotate pot fi construite fara reactie electrica.

Figura 4.4 Electromagnet proportional de deplasare

Figura 4.5 – Linia caracteristica, electromagnet proportional de deplasare

4.2 Servovalva

In figura 4.6 este redata o sectiune printr-o servovalva. Acest element hidraulic prezinta avantajul uneie dinamici foarte bune, un consum energetic scazut, dar are dezavantajul unui pret de cost ridicat si necesita ofiltrare foarte buna a uleiului. Curentul de comanda este in domeniul 10…100mA in functie de fabricant la orezistenta tipica de 44.

Figura 4.6 Servosupapa

1 – motorul de comanda

2 – amplificator hidraulic cu placa de recul si duze

3 – miez magnetic moale

4 – tub elastic cu pereti subtiri

5 – placa de recul

6 – suruburi de reglaj a distantei indus-placa superioara

7 – corp

8 – placa superioara

9 – intrefier

10- bobine

5. Traductoare

Traductoarele ca si elementele de executie hidraulice sau pneumatice sunt unitati constructive distincte dispuse pe calea informationala avand sensul de transmitere de la proces catre sistemul de conducere, elemenetele de executie fiind plasate pe cealalta cale, de transmitere a comenzilor, a caror sens este de la sistemul de conducere catre proces. Prin pozitia lor, traductoarele sunt cuplati la intrare cu procesul iar la iesire sunt conectate la dispozitivele de automatizare (regulatorul electronicautomat sau interfata cu calculatorul de proces). Cuplarea la proces se poate face intr-o maniera foarte diversificata (mecanic, inductiv, capacitiv, optic, ultrasonic, etc.).

Dupa cum am amintit deja, pentru reglarea unei marimi fizice este necesar un sistem de masurare. El trebui sa poata transforma marimea respectiva intr-un semnal electric – curent sau tensiune. De aceea sint necesare aparate pentru masurarea unghiurilor, vitezelor, cursei, turatiilor presiunilor, fortelor. Pentru fiecare din aceste marimi exista o multitudine de principii de masurare. Ele sint utilizate in functie de domeniul de masura, cerinte de precizie, conditii de mediu. In general sint valabile urmatoarele observatii:

reglarea nu poate fi niciodata mai precisa decit metoda de masurare

sistemul de masurare este caracterizat de factorul de transfer. Acesta este raportul intre tensiunea de iesire sau curent si marimea de masurat

precizia sistemului de masurare trebuie sa fie de cel putin 5 ori mai mare ca precizia de reglare dorita

factorul de transfer si punctul de zero trebuie sa fie constante in toate conditiile de functionare

Din punct de vedere al caracteristicilor statice si dinamice, principalele cerinte impuse traductoarelor sint:

-relatie liniara de dependenta intrare-iesire;

-dinamica proprie care sa nu influenteze in mod esential comportarea sistemului automat.

Aceste ipoteze reprezinta restrictii severe in ceea ce priveste constructia traductoarelor. Astfel, daca pentru un aparat de masurat relatia de dependenta intre marimea aplicata si deviatia acului indicator este neliniara, aceasta nu constituie un impediment intrucit se poate grada neliniar scara aparatului. In cazul traductoarelor dependenta trebuie sa fie strict liniara (eroarea de neliniaritate admisa este foarte redusa), toate calculele de sistem bazindu-se pe aceasta proprietate de liniaritate. Relativ la dinamica proprie a traductorului, aceasta trebuie interpretata in sensul necesitatii ca ea sa fie foarte rapida, si ca urmare, neglijabila in comparatie cu dinamica procesului propriu-zis. O astfel de caracteristica este absolut necesara deoarece informatiile trebuie furnizate cu promtitudine (fara intirziere) pentru ca interventiile sa fie oportune. Se deduce ca, si din acest punct de vedere, caracteristicile dinamice ale traductoarelor sint, in mod frecvent, mult mai pretentioase decit ale aparatelor de masurat destinate sa indice valori stationare sau lent variabile, in limitele vitezei de perceptie vizuala.

Traductoarele trebuie sa imbine cerintele semnalate, de liniaritate si viteza de raspuns ridicata, cu performante metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de masurat sau chiar mai ridicate tinind cont de posibilitatile superioare de discriminare ale sistemelor de conducere automata fata de cele ale unui operator.

Este de remarcat faptul ca analiza preciziei sistemelor de reglare automata vizeaza in mod curent aspecte referitoare la valoarea erorii stationare si la dependenta acesteia de dinamica sistemului in cazul anumitor forme standard de variatie a marimii de referinta: trepta, rampa, impuls etc. Toate consideratiile si relatiile stabilite pentru analiza si sinteza sistemelor de reglare pornesc de la premisa ca erorile pe care le-ar putea introduce traductorul sint neglijabile. In consecinta devine evidenta importanta preciziei acestuia pentru problema reglarii si pentru conducerea automata in general.

Traductoarele implica si necesitatea unei fiabilitati sporite in raport cu aparatele de masurat datorita faptului ca o indicatie gresita a acestora din urma ar putea fi sesizata si interpretata ca atare de catre un operator, pe cind detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificila in cazul sistemelor de conducere automata.

5.1 Structura generala a unui traductor

Realizarea functiilor mentionate de catre traductor, astfel incit semnalul obtinut la iesirea acestuia sa reprezinte valoric marimea masurata, sub forma accesibila dispozitivelor de automatizare, implica o serie de operatii de conversie (cu caracter informational) insotite totodata si de transformari energetice bazate, fie pe energia asociata marimii preluate de la proces, fie pe cea furnizata de surse auxiliare. In acest scop, in componenta oricarui traductor se pot distinge unele elemente functionale tipice, conform structurii generale prezentate in figura 5.1.

Figura 5.1 Structura generala a unui traductor

Considerind cazul uzual al sistemelor de reglare, marimea de masurat x aplicata la intrarea traductorului reprezinta parametrul reglat (debit, viteza, nivel, presiune, etc.).

La iesire traductorul furnizeaza valoarea marimii masurate y sub forma unui semnal unificat in tensiune sau in curent in concordanta cu cerintele aparaturii de automatizare.

Functiile elementelor componente din figura 5.1 sunt urmatoarele :

a) Elementul sensibil (denumit si detector, captor sau senzor) este elementul specific pentru detectarea marimii fizice pe care traductorul trebuie sa o masoare.

Mediului in care functioneaza traductorul, in afara marimii x pe care acesta trebuie sa o converteasca, ii sint proprii numeroase alte marimi fizice. Elementul sensibil se caracterizeaza prin proprietatea de a detecta numai marimea x, eliminind sau reducind la un minim acceptabil influentele pe care le exercita asupra sa toate celelalte marimi fizice existente in mediul respectiv. Sub actiunea marimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil, care, fiind o cosecinta a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, contine informatia necesara determinarii valorii acestei marimi.

b). Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. In raport cu fenomenele fizice pe care se bazeaza detectia si cu cota din puterea asociata marimii de intrare, care se poate ceda fara a-i altera valoarea, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal electric la iesirea elementului. In alte situatii modificarea de stare are ca efect variatii ale unor parametri de material a caror evidentiere printr-un semnal electric necesita o energie de activare externa (sursa de excitatie)

c). Informatia furnizata, indiferent cum s-ar manifesta modificarea de stare a elementului sensibil, de obicei nu poate fi folosita ca atare necesitind prelucrari ulterioare functie indeplinita de adaptoarele electronice.

d). Pentru sistemele de conducere complexa poate sa apara necesitatea caracterizarii procesului printr-o marime de calitate dedusa de combinarea mai multor parametri. Obtinerea valorii acestei marimi de calitate se realizeaza prin operatii specifice masurarilor indirecte, efectuate asupra mai multor marimi componente in cadrul unui traductor adecvat ( de exemplu derivata deplasarii reprezinta viteza) sau asupra semnalelor de iesire de la mai multe traductoare cu aceeasi structura. In acest scop se utilizeaza un circuit de prelucrare a semnalelor.

Componentele specificate la paragraful b), c), d) se vor trata separat in capitolul despre module electronice adaptoare pentru traductoare (cap.6)

5.2 Elementele sensibile ale traductoarelor

Elementele sensibile constituie partea cea mai diversificata a traductoarelor, ele fiind acelea care permit detectarea marimii de masurat din intreg ansamblul de marimi care actioneaza in mediul inconjurator, rejectind sau reducind la un minimum acceptabil influenta celorlalte.

Dat fiind numarul si marea varietate a marimilor care intervin in procesele automatizate si care trebuie masurate cu ajutorul traductoarelor, rezulta in mod firesc necesitatea unei multitudini de tipuri de elemente sensibile corespunzatoare acestor aplicatii. Din aceste considerente, elementele sensibile sint cele luate in considerare intr-o serie de clasificari ale traductoarelor, dintre care apar mai importante urmatoarele doua:

a) Dupa principiul de conversie a marimii fizice aplicate la intrare, elementele sensibile se impart in parametrice si generatoare.

b) Dupa natura marimii fizice de masurat, ele sint clasificate in tipuri ce poarta denumirea domeniului de aplicatie (de exemplu: elemente sensibile pentru deplasare, viteza, forta).

Primul mod de clasificare este important pentru studiul general al traductoarelor, pentru evidentierea fenomenelor fizice care stau la baza conversiei marimii de masurat intr-un anumit tip de marime electrica, fapt care impune alegerea corespunzatoare a circuitelor de intrare si chiar a structurii adaptorului.

Cea de-a doua clasificare este legata mai mult de aspectele concrete de utilizare si este importanta indeosebi pentru specificarea performantelor si adoptarea in consecinta a tipului de element sensibil adecvat pentru o anumita aplicatie data.

5.2.1 Elemente sensibile de tip parametric

Elementele sensibile parametrice sau modulatoare sint utilizate in cazul cind marimea de masurat este o marime pasiva, adica nu are asociata o putere suficienta, sau fenomenul fizic pe care se bazeaza conversia nu permite obtinerea directa a unui semnal electric.

Denumirea de elemente sensibile parametrice provine de la faptul ca marimea de intrare (neelectrica) determina variatia proprietatilor de material, care sint in principal de natura unui parametru electric de circuit – rezistivitate, inductivitate, capacitate sau combinatii ale acestora.

Punerea in evidenta a variatiilor unor asemenea parametrii implica necesitatea unei surse de energie auxiliare. Aceasta sursa genereaza de regula o tensiune sau un curent electric constant, a carui valoare este modulata de variatia parametrului respectiv, obtinindu-se astfel un semnal electric ale carui variatii reproduc pe cele ale marimii de masurat.

Posibilitatile de conversie a unor marimi de natura neelectrica (din cele mai variate domenii: mecanica, caldura, procese chimice, radiatii etc.) se datoreaza legilor fizice care exprima dependenta parametrilor mentionati, la anumite materiale conductoare, semiconductoare, sau dielectrice, de asemenea marimi. Pentru a ilustra asemenea posibilitati este suficient a se reaminti urmatoarele relatii fundamentale:

Rezistenta electrica a unui conductor omogen:

R= (5.1)

unde este rezistivitatea, l este lungimea, iar s sectiunea conductorului.

Inductivitatea proprie a unei bobine (considerind circuite electromagnetice liniare):

L= (5.2)

unde N este numarul de spire al bobinei, lk ,k si Sk fiind lungimea, permeabilitatea magnetica si sectiunea diverselor medii care alcatuiesc circuitul magnetic al bobinei.

Capacitatea unui condensator plan cu armaturi paralele:

C= (5.3)

unde este permitivitatea dielectricului, S este suprafata comuna a armaturilor, iar d este distanta dintre acestea.

Se poate observa usor posibilitatea influentarii valorilor acestor parametri prin modificari geometrice (lungime, sectiune), gasindu-se astfel aplicatii in masurarea deplasarilor, nivelului, grosimii, controlului dimensional etc.

Prin asocierea lor cu unele componente auxiliare, de natura mecanica, de exemplu mase, elemente elastice amortizoare, ele pot deveni sensibile si la alte marimi de intrare, cum sint fortele, acceleratiile, vibratiile.

Elementele sensibile parametrice R, L, C necesita in mod evident surse de curent sau tensiune electrica, dar printr-o proiectare ingrijita consumurile energetice pot fi reduse la valori minime (fractiuni de watt). Pe de alta parte, ele permit asigurarea unor sensibilitati si precizii inalte tocmai datorita consumurilor energetice reduse de la marimile de masurat. Ca urmare a largilor posibilitati pe care le ofera, privind gama de marimi si domeniul de variatie al acestora, elementele sensibile parametrice cunosc o larga raspindire.

5.2.2 Elementele sensibile tipice pentru anumite marimi fizice

In tabelul 5.1 este prezentata o succinta clasificare a elementelor sensibile dupa marimile carora le sint destinate.

Clasificarea elementelor sensibile electrice dupa marimile detectate tabelul 5.1

Se poate remarca faptul ca adesea aceleasi tipuri de elemente sensibile pot fi aplicate pentru detectarea unor marimi fizice foarte deosebite. Explicatia consta in primul rind in aceea ca urmarindu-se conversia intr-o marime electrica, este firesc ca elementele sensibile pasive sa fie de tipul R, L, C, iar cele generatoare sa furnizeze o tensiune, un curent sau o sarcina electrica.

Pe de alta parte, variatiile parametrilor R, L, C sau tensiunile si curentii generati depind, la rindul lor, de o multitudine de factori care, in cadrul unor fenomene fizice convenabil exploatate uneori si cu ajutorul unor elemente de cuplare adecvate pot fi influentati de diverse marimi.

Privind dintr-un alt punct de vedere, se poate observa ca pentru o aceeasi marime pot exista mai multe tipuri de elemente sensibile. Selectarea dintre acestea se face in functie de gama de variatie a marimii masurate, de posibilitatea de cuplare la proces, de factorii de mediu, de performantele impuse, de factorii economici, etc.

5.3 Traductoare pentru deplasari liniare

Aceste traductoare sint destinate in primul rind conversiei intermediare a unor marimi a caror variatie se materializeaza, prin sisteme mecanice, in deplasari liniare mici. Domeniul acoperit este de ordinul 1010 mm (rareori peste 100 mm).

De asemenea aceste traductoare permit masurarea mai multor marimi la care efectul se materializeaza prin modificarea pozitiei unui punct (suprafata, corp) in raport cu un sistem de referinta: de exemplu, presiuni, forte, nivel, temperaturi, etc.; de regula, acestea sint caracterizate prin deplasari mici.

Cele mai raspindite sint cele parametrice: de tip inductiv, de tip capacitiv, si de tip rezistiv.

In cazul sistemelor de pozitionare cu cilindri hidraulici, majoritatea traductoarelor sunt de tip inductiv.Din punct de vedere constructiv, aceste traductoare sint prevazute cu elemente sensibile de doua tipuri: cu modificarea prin deplasarea unui miez mobil a inductantelor proprii sau mutuale si fara contact.

5.3.1 Traductoare inductive diferentiale cu miez mobil.

In varianta de baza elementul sensibil este consituit dintr-o bobina de lungime l, in interiorul careia se deplaseaza un miez feromagnetic , sub actiunea marimii de masurat x; aceasta deplasare provoaca o variatie a inductantei proprii a bobinei L conform relatiei ( 5.2 ). Aceasta varianta prezinta o caracteristica statica pronuntat neliniara, datorita cimpului magnetic neomogen creat in bobina si in plus, apar forte parazite de atractie ce influenteaza asupra miezului in deplasare.

In practica se foloseste varianta diferentiala (figura 5.2), la care se utilizeaza doua bobine in interiorul carora se deplaseaza miezul mobil, pozitia de referinta fiind cu miezul introdus in mod egal in cele doua bobine. Varianta diferentiala permite ameliorari si in ce priveste sensibilitatea, iar caracteristica statica este mult mai liniara

Figura 5.2 Traductor inductiv diferential de deplasare

Principiul de functionare se bazeaza pe modificarea reactantelor circuitelor de inchidere si respectiv pe modificarea inductantelor proprii ale celor doua bobine:

LN21G1(x) (5.4)

LN22G2(x)

Aproximarea datorindu-se faptului ca reductanta variaza neliniar cu x.

Daca cele doua bobine sint alimentate la o sursa de tensiune sinusoidala, relatiile (1.4) permit sa se exprime variatiile impedantelor Z1 si Z2. In concluzie deplasarea miezului mobil fata de pozitia de echilibru are ca efect final aparitia unei diferente de impedante:

Z=ZZ (5.5)

Punerea in evidenta a variatiei Z se poate face prin conectarea bobinelor in bratele adiacente ale unei punti de impedante alimentata in c.a. de la o sursa avind tensiunea efectiva Uef si pulsatia cunoscute si constante. Celelalte doua brate sint constituite din doua rezistente, de asemenea de valoare fixata

La o deplasare x a miezului, apare o tensiune de dezechilibru de forma:

U= (5.6)

in care:

L(x)=; L(x)=; L’=LL12

unde Rrezistenta ohmica a bobinelor L1, L2; L12 impedanta mutuala de cuplaj.

Din relatia (5.6) se poate constata ca tensiunea de dezechilibru este o marime complexa caracterizata prin modul si faza, faza indicind sensul de deplasare a miezului mobil. Pentru conversia modululuiacestei tensiuni in semnal unificat se folosesc redresoare sensibile la faza.

Domeniul maxim pentru traductoare inductive cu astfel de elemente sensibile este uzual 100 mm. In functie de caracteristicile magnetice ale miezului, frecventa tensiunii de alimentare se alege in zona sute de Hz pina la 5kHz.

O varianta asemanatoare cu cea prezentata anterior este aceea la care bobinele din montajul diferential constituie secundarul unui transformator. Traductorul realizat cu un astfel de element sensibil se numeste Transformator Diferential Liniar Variabil (TDLV) sau LVDT ( Linear Variable Differential Transformer) .

Elementul sensibil este compus dintr-o bobina primara si doua bobine secundare plasate simetric intr-o capsula cilindrica (figura 5.3). In interiorul bobinei se afla un miez magnetic deplasabil pe distanta x, care asigura inchiderea fluxului magnetic.

Cind bobina primara este alimentata de la o sursa de c.a. in bobinele secundare se introduc tensiuni. Intrucit bobinele secundare sint legate in sens contrar, tensiunile induse sint in opozitie de faza. Astfel, la iesire se obtine diferenta tensiunilor induse. Diferenta este nula cind miezul se afla in centrul bobinei, considerata pozitie de zero.

Traductoarele de tip LVDT folosesc ca adaptor un redresor sensibil la faza, eventual precedat de un amplificator de c.a. Iesirea din demodulator este aplicata unui amplificator de c.c. cu impedanta de iesire mica .

Performantele traductoarelor cu miez mobil sint:

-lipsa frecarilor la deplasarea miezului, de unde durata de viata foarte mare, moment de inertie redus, fiabilitate ridicata, robustete;

-rezolutie si reproductibilitate foarte bune;

-insensibilitate la deplasari radiale ale miezului;

-posibilitatea de protectie a bobinei de medii corosive, cu presiune ridicata si temperaturi inalte etc. ;

-asigurarea separarii galvanice;

-posibilitatea de a optimiza factorul de calitate.

Figura 5.3 Traductorul de tip LVDT

Traductoarele pentru deplasari mari prezinta totusi neliniaritati relativ pronuntate.

Compensarea acestora se face realizand bobinele cu un numar de spire variabil pe lungime. In figura 5.4 sunt redate doua variante constructive de realizare a infasurarilor, una liniar distribuita, a doua distribuita discret.

Figura 5.4 Distributia spirelor intr-un traductor

5.3.2 Traductoare de deplasare inductive fara contact

Traductorul de deplasare inductiv de acest tip poate masura fara contact cursa pistonului. Principiul de masura este modificarea inductantei proprii a unei bobine prin curenti Eddie Traductorul consta dintr-un corp cilindric care patrunde in interiorul tijei pistonului care poate fi feromagnetic. In corpul traductorului sunt montate doua bobine din care una este de referinta, formind astfel o semipunte inductiva cu un singur brat activ. Sepoate mari sensibilitatea prin introducerea in tija pistonului a unui manson din teava de duraluminiu. Aceste traductoare prezinta avantajul ca pot sa reziste la presiuni mari, mergand pana la 315bar. In figura 5.5 este reprezentat un astfel de traductor, realizat de firma Vibrometer.

Figura 5.5Traductor de deplasare fara contact

5.3.2 Traductoare de deplasare rezistive

Aceste tipuri de traductoare sunt extrem de usor de folosit. Ele sunt de fapt rezistente variabile de tip potentiometric al carui curor este deplasat fara contat prin intermediul unui magnet inelar montat intr-un locas special in corpul pistonului.In figura 5.6 este ilustrat modul de montare.

6. Module electronice adaptoare pentru traductoare

In raport cu natura fenomenelor purtatoare de informatie, structura modulului electronic este dependenta de caracteristicile constructive ale traductoarelor respectiv de natura fizica a marimii obtinute la iesire (rezistenta, capacitate, inductanta, frecventa, etc.), care trebuie sa fie adusa cu ajutorul schemei de masura electronice, la o forma cat mai avantajoasa pentru afisarea simpla a masurari.

Conversia informatiei data de traductor intr-un semnal unificat in tensiune (0…10V sau -10…+10V) sau curent (2…10mA sau 4…20mA) este realizata de module electronice specializate denumite adaptoare de masura, convertoare de masura sau conditionere de semnal. Aceste module pot fi montate in carcasa traductorului, in carcasa conectorului sau in sertare echipate cu alte module necesare sistemului.

In functie de tipul traductorului se pot diferentia cateva tipuri de module:

– modul adaptor pentru traductoare inductive in semipunte sau punte completa

– modul adaptor pentru traductoare rezistive in punte

– modul adaptor pentru traductoare de turatie incrementale

– modul adaptor pentru traductoare unghiulare de tip resolver bipolar

Dezvoltarea tehnologica a condus la realizarea unor mijloace de masurat cu utilizare multipla in functie de traductorul primar si care inglobeaza treptat si alte functii de automatizare si conducere, astfel incat aparatul de masurat care pana nu demult era doar o componenta intr-un lung lant de automatizare, a ajuns datorita integrarii pe scara larga a circuitelor cu semiconductoare, sa cuprinda aproape toate functiile sistemului pana la elementele de executie.

Tendintele actuale sunt indreptate pe de o parte spre realizarea de aparate de masurare numerice in care rezultatul masurarii este afisat direct in cifre sau semnalul de iesire este livrat sub forma seriala folosindu-se in acest scop convertoare analog-digitale integrate si pe de alta parte spre realizarea de complexe de masurare cu parte numerica predominanta si organizarea sistemului pentru a permite o multitudine de masurari simultan , corelate sau necorelate, precum si prelucrari asupra marimilor masurate cu scopul imbunatatirii parametrilor procesului de masurare sau a utilizarii ulterioare a rezultatelor masuratorilor , aceasta tendinta fiind orientata deci spre instalatii de masurare cu microprocesoare sau.sisteme de achizitie de date..Procedeele sunt diversificate selectia acestora poate fi facuta prin analiza raportului pret de cost -performante.

6.1 Adaptoare electronice. Principii generale

Rolul adaptorului asa cum s-a aratat mai sus, este acela de a converti marimea generata de elementul sensibil in semnalul electric de iesire al traductorului. Deoarece in acest caz conversia si adaptarea semnalului de iesire la cerintele impuse de echipamentele de automatizare implica circuite si blocuri electronice, se utilizeaza frecvent denumirea de adaptoare electronice.

In scopul standardizarii echipamentelor de automatizare, adaptoarele furnizeaza la iesire, de regula, semnale unificate, adica tensiuni si curenti electrici variind in limitele specificate, indiferent de natura si domeniul de variatie al marimii aplicate la intrarea traductorului. Aceste semnale au de asemenea asociata o putere corelata cu caracteristicile energetice ale circuitelor de intrare din aparatura de automatizare unificata (rezistenta de sarcina). Ca urmare, etajele de iesire ale adaptoarelor sint similare pentru un acelasi tip de semnal unificat.

Diferentierile cele mai importante la adaptoare apar astfel pe partea de intrare, care receptioneaza marimile diversificate atit ca natura fizica, precum si ca gama de variatie, furnizate de elementul sensibil. Circuitele de intrare ale adaptoarelor capata astfel caracteristici particulare in raport de tipurile elementelor sensibile si in acest caz vor fi tratate in cele ce urmeaza.

6.2 Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric

Adaptoarele din aceasta categorie se caracterizeaza prin aceea ca sint prevazute la intrare cu scheme specifice marimilor electrice de circuit R, L, C.

Tinind seama ca se urmareste transformarea variatiilor de rezistenta, inductivitate sau capacitate in tensiune sau curent electric, cele mai frecvent realizate sint schemele cuprinzind punti de curent continuu sau de curent alternativ functionind in regim dezechilibrat. Se obtine astfel un semnal de dezechilibru care, dupa o amplificare convenabila, este aplicat etajului de iesire, care il converteste intr-un semnal unificat. In scopul eliminarii influientei perturbatiilor schemele sunt realizate cu amplificatoare operationale functionand cu reactie negativa, astfel incat eventualele erori sunt cauzate de exclusiv de calitatea componentelor pasive folosite (rezistente, capacitati etc.).

Atunci cand elementul sensibil prezinta neliniaritati importante se prevad blocuri de liniarizare sub forma unor transformatoare de functii.

In unele cazuri, metoda de masurare sau necesitatea eliminarii unor componente parazite detectate impreuna cu marimea utila impun introducerea si a unor blocuri speciale de calcul : multiplicatoare, extractoare de radical, ridicare la patrat, mediere, filtrare etc.

6.2.1 Module adaptoare pentru traductoare rezistive

Pentru ilustrare in figura 6.1 se prezinta schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil rezistiv. In afara blocurilor din figura 6.1 se prevad surse de alimentare cu valori de tensiuni si puteri corespunzatoare circuitelor electrice utilizate.

Pentru alimentarea schemei de masurare in punte Wheatstone functionind in regim dezechilibrat este necesara o sursa de tensiune foarte bine stabilizata, tensiunea de dezechilibru fiind direct influentata de variatiile acesteia.

U U U I

U

In figura 6.1 s-au folosit urmatoarele notatii:

SMschema de masurare tip punte Wheatstone in curent continuu functionind in regim dezechilibrat;

BCbloc de comparatie prin diferenta care compara tensiunea de dezechilibru U provocata de variatia R cu tensiunea de reactie U;

Aamplificator de tensiune continua;

CTCconvertor tensiune curent, care asigura semnalul unificat de iesire in curent (de exemplu 4…20mA c.c);

BRbloc de reactie negativa care furnizeaza tensiunea U proportionala cu I; in unele cazuri se prevede un bloc de reactie si liniarizare (BRL);

BLbloc de liniarizare introdus atunci cind este necesar sa compenseze neliniaritatile determinate de elementul sensibil sau de schema de masurare.

Schemele in punte sint, de obicei, preferate unor montaje mai simple de tipul divizor de tensiune, intrucit ele permit compensarea influentei unor factori externi si deci asigura o precizie mai ridicata.

Amplificatorul de tensiune continua, in functie de valoarea tensiunii de dezechilibru, de conditiile privind adaptarea de impedanta si de necesitatea separarii galvanice poate fi de tipul cu cuplare directa sau cu modulare-demodulare. Exista o gama larga de amplificatoare de masurare integrate care satisfac in bune conditii cerintele mentionate, de la tipurile mai simple din categoria amplificatoarelor operationale, pina la cele mai evoluate, cu separare galvanica, instrumentala etc.

Convertorul tensiune-curent este realizat de regula cu tranzistoare de putere medie, deoarece amplificatoarele, in special cele integrate, nu pot asigura la iesire puterea necesara, de exemplu 20 mA pe o rezistenta de sarcina de 600 . Montajele de tip Darlington sint cele mai frecvente. Blocul de reactie, de cele mai multe ori, este un divizor rezistiv de tensiune sau de curent.

Blocul de liniarizare este un transformator de functii realizat cu diode, diode Zener, tranzistoare, montate in reteaua de reactie a amplificatoarelor operationale. care introduce in mod intentionat neliniaritati de sens opus celor determinate experimental pe elementul sensibil, astfel ca pe ansamblu, relatia intrare-iesire a traductorului, pe domeniul considerat, sa fie liniara.

6.2.2 Module adaptoare pentru traductoare inductive

Pentru tipurile de elemente sensibile, inductive sau capacitive, structura adaptorului este similara cu cea a traductoarelor rezistive. Deosebirile apar in modul de realizare a blocurilor functionale. Astfel schemele de masurare in acest caz sint punti de curent alternativ functionind in regim dezechilibrat, iar amplificatoarele de curent alternativ sint de tipul selectiv, acordate pe frecventa de alimentare a schemelor de masurare iar sursa de excitatie a puntii este asigurata de generatoare de semnal sinusoidal sau dreptunghiular.

6.2 .2.1 Oscilatorul in cuadratura

Acest tip de oscilator RC furnizeaza simultan la iesirile sale, doua semnale in cuadratura (sin si cos). Oscilatorul in cuadratura este foarte indicat pentru obtinerea semnalelor de frecventa fixa in domeniul 1Hz – 10kHz. El prezinta avantajul unei stabilizari in amplitudine usor de realizat in practica, fara introducerea unor distorsiuni importante.

Principiul de functionare al acestui oscilator se bazeaza pe faptul ca dubla integrare a sinusoidei ofera o sinusoida de aceeasi frecventa dar defazata cu fata de prima. Astfel rezultatul dublei integrari poate fi utilizat ca reactie pozitiva pentru a genera oscilatii.

(6.1)

Figura 6.2 – Oscilator in cuadratura

In figura 6.2 este aratata schema de principiu a unui oscilator in cuadratura cu limitarea amplitudinii. Amplificatoarele operationale OA1-C si OA1-D sint utilizate ca circuite integratoare. Circuitul de limitare este realizat cu diode polarizate. Daca se considera ca se lucreaza in regim liniar si ca pe condensatorul C8 exista o tensiune initiala U0, toate celelalte conditii initiale fiind egale cu zero, transformatele Laplace ale tensiunilor U1 si U2 sint date de relatiile:

(6.2)

(6.3)

(6.4)

Notatii: U3=Asin0t

Presupunind ca amplificatoarele operationale sint ideale, U1 si U2 vor fi egale. Daca se noteaza T1=R31C8 , T2=R32C7 si T3=R33C6 atunci:

(6.5)

Daca

(6.6)

Transformata Laplace inversa ne da solutia in functie de timp a acestei relatii:

(6.7)

unde:

(6.8)

Daca T3=T rezulta:

(6.9)

In acest caz frecventa de oscilatie este data de:

(6.10)

unde R31=R32=R33=R si C6=C7=C8=C

In practica R31C8 este putin mai mare decit R32C7 pentru a se obtine oscilatii de amplitudine crescatoare. Acestea vor fi limitate la o anumita valoare stabilita de circuitul de limitare. Distorsiunile vor fi in mare proportionale cu diferenta de marime dintre constantele de timp R31C8 si R32C7. Semnalul U3 este mai putin distorsionat decit si va fi utilizat pentru alimentarea semipuntii inductive.

6.2.2.2 Circuit de formare a impulsurilor de memorare

Figura 6.3 – Circuit de formare a impulsurilor de memorare

Semnalul va fi folosit pentru obtinerea impulsurilor de memorare. In acest scop semnalul va fi trecut printr-un circuit de detectie a trecerii prin zero, realizat cu tranzistoarele Q1 si Q2 in montaj de amplificator diferential. Se obtine astfel in colectorul lui Q2 un semnal dreptunghiular cu fronturile situate pe maximul sinusoidei. Acest semnal este diferentiat de circuitul C9R40R39 si amplificat de Q3. Se obtin pe colectorul lui Q3 (U15) pulsuri pozitive cu latime de aproximativ 10s axate pe –15V si situate pe virful sinusoidei U3.

Dioda D3 limiteaza pulsurile din colectorul lui Q3 la +0.5V, iar C10 micsoreaza fronturile. Pulsurile se aplica pe grila lui Q4.

6.2.2.3 Amplificatorul de intrare

Figura 6.4 Amplificatorul de intrare

Pe IN(-) se aplica prin R43 tensiunea U3. Pe IN(+) se aplica tensiunea de la semipuntea inductiva, care va fi egala , unde este variatia relativa a celor doua inductante proportionala cu deplasarea (se considera rezistenta bobinelor r<<L) care nu depaseste 5%.

Daca R44 = R43:

Valoarea curentului pe IN(-) va fi:

(6.11)

Se calculeaza tensiunea U4, astfel:

(6.12)

(6.13)

Pentru a putea face reglajul de zero, se introduce semireglabilul P1 care dezechilibreaza puntea astfel ca R44 R43. Inlocuind in relatia (13) R43 cu R43+K1P1 si R44 cu R44+(1-K1)P1, unde K1(0…1) va rezulta:

(6.14)

(6.15)

Din relatia de mai sus reiese ca variind K1 intre 0 si 1

= (0.95 1.05) si reprezinta plaja de reglaj de zero fata de mijlocul real (mijlocul mecanic).

Pentru A.O. ideal si daca P2 << R46 se poate calcula factorul de calibrare ca fiind:

(6.16)

rezulta ca:

(6.17)

Pentru valorile din schema:

la K2 = 0 amplificarea e maxima ,

la K2 = 1 amplificarea e minima .

Reglajul de zero este in oarecare masura interdependent cu reglajul de calibrare. Reglajul de zero modifica cu 5- 10% amplificarea.

6.2.2.4 Bloc de memorare

Este format din R42, C5 si Q4.

Cind se dezechilibreaza puntea intr-un sens apare la iesire lui OA1 o tensiune sinusoidala cu amplitudinea U5; la dezechilibrul in sens invers apare o sinusoida de aceeasi amplitudine dar defazata cu . Aceasta tensiune se aplica pe sursa tranzistorului Q4.

Pe grila tranzistorului Q4 este aplicata o tensiune negativa care il tine blocat. Cind apar pulsurile pozitive pe grila de la blocul de formare prin D3 si C10, Q4 se deschide si incarca C5 la valoarea tensiunii existente pe sursa tranzistorului Q4. Intrucit pulsurile sint situate pe virful sinusoidei (U3), tensiunea pe C5 e tensiunea de virf a lui U3. In momentul in care Q4 se blocheaza C5 ramine incarcat (se spune ca sa facut o detectie de virf).

NOTA: Calculele s-au facut presupunind un traductor ideal strict inductiv. Pentru ca el prezinta in fapt o impedanta complexa (Z) U5 va fi usor defazat fata de U3. In practica nu conteaza pentru ca in loc sa memoreze valoarea de virf va memora 0.99 din valoarea tensiunii de virf. Traductoarele sunt astfel concepute incat defazajul nu depaseste 10 .

Figura 6.5 – Bloc de memorare

6.2.2.5 Amplificatorul final

Este realizat in montaj de filtru activ trece jos cu amplificare 2 cu ajutorul grupului R45 si R49. Se foloseste amplificare cu 2 pentru a mentine tensiunea pe drena tranzistorului Q4 mai mica de 5V, iar la iesire sa se obtina o tensiune unificata de 10V. La tensiune mai mare de 5V tranzistorul FET (Field Effect Transistor) Q4 poate ramine deschis (conduce in afara pulsurilor) si descarca C5.

Figura 2.6 – Amplificator final

Se da un exemplu de calcul al unui FTJ activ cu amplificare unitara.

(6.18)

(6.19)

(6.20) (6.21)

(6.22)

(6.23)

(6.24)

(6.25)

(6.26)

In continuare vor fi prezentate formele de unda ale amplificatorului LVDT in trei cazuri, in functie de pozitia indusului de masurare.

In cazul din figura 6.7 puntea este la echilibru, iar tensiunile U4 si respectiv U7 au valori nule. In celelalte doua cazuri se observa ca tensiunea U7 isi schimba polaritatea in functie de directia de deplasare a miezului mobil.

7. Module electronice regulatoare

7.1 Structura generala

Servocontrolerele, denumite si servoamplificatoare sau regulatoare electronice au rolul de a face legatura intre operator si proces si trebuie sa asigure urmatoarele functii:

-prelucrarea semnalelor de referinta

-prelucrarea semnalelor de la traductoare

-prelucrarea semnalelor de eroare

-asigurarea reglajelor necesare functionarii optime (acordarea regulatorului)

-alimentarea elementului de executie electrohidraulic

-asigurarea unor semnalizari in caz de avarie

-asigurarea unor iesiri de monitorizare a marimilor semnificative

Bucla de reglaj principala asigura controlul deplasarii, care este corectat cu abaterea de turatie a elementului de executie final.

La aceasta bucla de reglaj automat de baza, se pot adauga pentru marirea fidelitatii executiei , una sau mai multe bucle de reglaj secundare. Asfel, pentru se pot adauga bucle de reglaj automat suplimentare a acceleratiei, vitezei si diferentei de presiune (fortei),

.Se poate mentiona ca aceasta structura se poate aplica si la controlul automat al unei turatii, in cazul in care elementul hidralic actioneaza asupra unor motoare hidraulice rotative, iar traductorul este un traductor de deplasare unghiulara sau de rotatie.

Aceste module pot fi grupate in doua categorii distincte:

– module servoamplificator pentru elemente hidraulice proportionale

module servoamplificator pentru servovalve

Din studiul multitudinii de module prezentate de fabricantii traditionali de elemente electrohidraulice de reglare automata, reiese ca majoritatea folosesc o schema bloc redata in figura 7.1 care universal valabila pentru modulele de control automat destinate comenzii elementelor proportionale.

In continuare se vor detalia blocurile functionale a acestor module.

Figura 7.1 Schema bloc a modulelor de reglare

7.2 Amplificatorul de eroare

Rolul lui este de a suma algebric o tensiune de referinta U1 cu o tensiune U2 care este in modul egala cu tensiunea furnizata de amplificatorul traductorului inductiv (U7).

La acest etaj tensiunile de intrare U1 si U2 trebuie sa fie in antifaza una fata de cealalta pentru a se obtine o reactie negativa in caz contrar reactia devine pozitiva si semnalul se blocheaza pe una din tensiunile de alimentare Cea mai simpla metoda de inversare a reactiei consta in inversarea capetelor bobinelor traductorului astfel incat

U7 = -U2.

Figura 7.2 – Amplificator de eroare

In continuare se da un exemplu de calcul pentru o amplificare unitara.

(7.1)

(7.2)

(7.3)

Semnalul U1- U7 se mai numeste semnal de eroare.

S-a notat cu amplificarea proportionala.

7.3 Regulatorul pentru placa amplificatorului proportional

Regulatorul placii amplificatorului proportional este optimizat la tipul de supapa. Regulatorul genereaza in functie de diferenta valoare nominala-valoare reala un semnal de iesire, care comanda blocul final generator de curent.

Pentru a putea alege in mod corect regulatorul este necesara o descriere cit mai exacta a comportamentului dinamic al tuturor membrilor circuitului de reglare. Asa cum se arata in figura 7.3 comportamentul temporal al regulatorului trebuie sa fie adecvat fiecarui sistem, pentru a rezulta circuite de reglare stabile.

Figura 7.3 – Selectia unui regulator adecvat

7.2.1Regulator P (comportament de reglare proportional)

Figura 7.4 – Regulator P

Comportament de reglare proportional inseamna ca marimea de iesire UA si marimea de intrare UE sint proportionale una cu cealalta.

(7.4)

unde R1/R0 = factor de amplificare = KPPentru evaluarea comportamentului unui amplificator de reglare este folosit raspunsul treapta propriu lui. Prin aceasta se intelege desfasurarea in timp a tensiunii de iesire UA, cind tensiunea de intrare UE creste in treapta de la zero la o valoare reglata. Regulatorul P raspunde deci la o variatie in treapta a marimii de intrare a marimii de iesire (marimea de reglare).Avantajele regulatorului P: constructie simpla; reglare usoara; reactie rapida la modificarea marimii de reglare.Dezavantajele regulatorului P: In esenta marimea de reglare nu poate egala prin intermediul regulatorului P marimea de comanda. Trebuie mereu acceptata o abatere de reglare remanenta, dependenta de factorul de amplificare. Aceasta se explica prin aceea ca regulatorul P are nevoie pentru a lucra de o abatere de reglare.

7.3.2 Regulator I

Un regulator cu actiune integratoare il constituie integrala de timp a marimii de intrare. Caracteristice sint constanta de timp a integrarii (indica timpul necesar integratorului pentru a obtine la iesire valoarea de tensiune Ua, avind la intrare o tensiune in treapta

Ue). TI=R0C (7.5)

sau valoarea ei inversa (coeficient de integrare) KI=1/TI

Tensiunea de intrare Ue este diferenta de reglare w – x = Xw. Tensiunea de iesire este marimea de reglare . Corespunzator montajului semnalul de iesire este inversat. Treapta de tensiune de la intrare genereaza o variatie liniara in timp a tensiunii de iesire Caracteristica speciala a unui membru I consta deci in aceea ca marimea de iesire variaza atita timp, cit marimea de intrare nu este egala cu zero. Tensiunea de iesire ramine la o valoare arbitrara cind tensiunea de intrare este zero.

Figura 7.5- Regulator I si diagrama de timp

Figura 7.6 – Raspunsul regulatorului I

In comparatie cu regulatorul P nu marimea de reglare generata de regulatorul I este proportinala cu abaterea de reglare ci modificarea in timp a marimii de reglare. Regulatorul cu actiune integratoare elimina in principiu orice abatere de reglare, deoarece chiar si cel mai mic semnal de intrare creste cu timpul intr-un semnal de iesire mare. Acest avantaj, inexistenta abaterii de reglare remanenta, este insa combatuta de unele dezavantaje. Asa cum se poate recunoaste din diagrama timpului regulatorului I, el reactioneaza relativ incet la modificarea marimii de reglare. De aici rezulta timpi de reglare lungi si poate apare o variatie puternica a marimii de reglare.

7.3.3 Regulator D

Regulatorul diferential raspunde la viteza de modificare XW / t a abaterii de reglare. Acest regulator este testat de aceea nu printr-un semnal de intrare de forma treapta ci in forma de rampa.

Caracteristica este constanta de timp de diferentiere TD sau constanta de reglare KD. Acest regulator este utilizat de obicei numai in interdependenta cu alti regulatori.

respectiv (7.6)

TD=C0R1 [s] T1=R0C0

Figura 7.7 – Regulator D si comportamentul regulatorului D

7.3.4 Regulator PID

La regulatorul PID este vorba de o combinatie intre toate cele trei tipuri de reglare. Bunelor caracteristici dinamice ale regulatorului PD li se mai adauga si faptul ca dispare eroarea de reglare statica.

Un asemenea regulator cu constante de reglare variabile poate fi adaptat oricarui interval de reglare.

Marimea corectiei se modifica mai intii cu o valoare dependenta de viteza de modificare a marimii de intrare dxd/dt (fractiunea D). Dupa scurgerea timpului de intirziere marimea de corectie revine la valoarea ce corespunde domeniului proportional si apoi se modifica conform valorii partii I.

Figura 7.8- Regulator PID si comportamentul regulator PID

KP =(R1+R2)/R0 ;TN=R1*C1 ; TV=R2*C2 ; (7.7)

T1=R3*C2 constanta de timp de amortizare, R3=rezistenta de amortizare

7.4 Separatorul de polaritate

Trebuie amintit faptul ca electromagnetii proportionali actioneaza asupra unui distribuitor hidraulic in contratimp, adica pentru o cale electromagnetul A, iar pentru cealalta cale electromagnetul B. Transpuns la nivelul comenzii rezulta ca pentru o comanda pozitiva actioneaza un electromagnet, iar pentru comanda negativa celalalt electromagnet. Aceasta actiune o indeplineste separatorul de poleritate prezentatin figura 7.8 Daca tensiune de intrare este pozitiva, reactia negativa se inchide prin D4 si R11.Daca tensiune de intrare este negativa, reactia se inchide prin D5 si R12. Amplificarea etajului va fi R11/R10 respectiv R12/R10. Daca R10=R11=R12, amplificarea va fi unitara in ambele cazuri. Tensiunea de iesire va fi disponibila in primul caz pe anodul diodei D4 si va avea polaritate negativa, iar in al doilea caz pe catodul diodei D5 si va avea polaritate pozitiva. Intrucit tensiunea necesara comenzii etajului de putere trebuie sa aiba polaritate negativa, semnalul pozitiv din catodul lui D5 este aplicat unui etaj cu amplificarea –1 realizat cu OA4-A si rezistentele R14 si R15.

Notam cu U10 tensiunea la iesirea A respectiv cu U13 tensiunea la iesireaB.

Astfel (7.8) (7.9)

Figura 7.9 – Separatorul de polaritate

7.5 Etaj final de putere in comutatie

Modulul contine doua etaje de putere in comutatie de tip PWM (Pulse Width Modulation) identice, cite unul pentru fiecare electromagnet proportional. In continuare se prezinta functionarea si calculul lor. Etajul de putere este conceput in schema autooscilanta fapt realizat prin introducerea unei reactii pozitive cu ajutorul rezistentei R20 conectata intre intrarea pozitiva a amplificatorului operational OA3 (notata cu IN(+)) si iesirea acestuia (notata OUT). Pe aceeasi intrare e conectata o retea de rezistoare formata din R21, R19 si P7 (R21 la masa, R19 si P7 la plusul sursei de alimentare). Datorita reactiei pozitive, tensiunea de iesire poate sa fie in stare “1” adica la potential +Ec (+15V), fie in stare “0” respectiv la potential –Ec (-15V).

Figura 7.16 – Etaj de putere in comutatie tip PWM

Tensiunea pe IN(+) va avea urmatoarele valori functie de starea iesirii.

si (7.10)

Din relatiile (7.10) rezulta tensiunea U11 in cele doua stari:

(7.11)

(7.12)

Electromagnetul proportional functioneaza in domeniul 200…800mA, In acest scop se monteaza semireglabilii P6 (minim) si P7(maxim), respectiv P9 si P8.

Rezistenta R27 (R30) are valoarea de 1 astfel incat sa rezulte o conversie curent/tensiune de 1A/V care poate servi la monitorizarea curentului prin electromagnet.

Acest tip de amplificator are frecventa variabila (100 – 300)Hz cu marimea curentului de iesire. Un avantaj al acestei scheme este ca functionind in comutatie se disipa putere minima pe tranzistoarele de iesire si scade consumul de energie consumat din sursa de alimentare astfel incat

De asemenea nu mai este necesar oscilatorul de ditter care consta in suprapunerea unei oscilatii de (100 – 300)Hz pentru mentinerea in miscare a elementelor mobile ale electromagnetului.

8.Module electronice auxiliare

In afara de modulele electronice de baza, este necesara eciparea sistemelor de reglare automata cu alte module electronice care sa mareasca flexibilitatea sistemului. Se vor figura in continuare l cateva tipuri de modulele electronice auxiliare

8.1 Modul alimentare stabilizata ( 220Vca / 24Vcc, 15Vcc)

Figura 8.1

8.2 Modul generator de functii

Figura 8.2

8.3.Modul generator de rampe si programe

Figura 8.3

Toti producatorii consacrati in productia de echipamente electrohidraulice de reglare automata au adoptat pentru realizarea modulelor standardul industrial EUROCARD avand in componenta placa cablaj imprimat 100160 mm, panou frontal de aluminiu 13260 mm si conector cu 232 pini. Astfel modulele pot fi introduse intr-un sertar tipizat rack 19”.

Figura 8.4

9. Module electronice integrate

Aceste tipuri de module electronice au o schema bloc functionala identica cu modulele tipizate, difera doar realizarea lor constructivam astfel incat sa poata fi montate in interiorul carcasei traductoarelor respectiv a elementelor hidraulice de reglare automata.

Reglajele acestor module se fac strict pentru elementul pe care vor fi montate, astfel ca acest element contine partea mecano-hidraulica precum si electronica aferenta.

9.1. Schema bloc.

Schema bloc a modului este prezentata in figura 9.1. Acesta contine un oscilator in cuadratura realizat cu doua amplificatoare operationale care furnizeaza pe de o parte, un semnal sinusoidal cu frecventa de 5kHz si amplitudinea de 5Vef stabilizata, destinat alimentarii senzorilor inductivi si pe de alta parte un semnal cosinusoidal, care trecut printr-un circuit de detectare a trecerii prin zero si apoi diferentiat, formeaza impulsuri de esantionare-memorare cu frecventa purtatoarei, situate pe virful semnalului sinusoidal de dezechilibru amplificat de un al treilea amplificator operational. Acesta este prevazut cu doua reglaje, unul de ajustare a zeroului si celalalt pentru calibrarea traductorului, reglajele facindu-se la etalonarea traductorului, dupa care se sigileaza. Un circuit de memorare format dintr-un condensator de memorare si un tranzistor cu efect de cimp comandat de impulsurile de memorare, retine valoarea de virf a tensiunii de dezechilibru. Aceasta este aplicata unui al patrulea amplificator operational cu impedanta de intrare ridicata care preia tensiunea de pe condensatorul de memorare, o trece printr-un filtru trece-jos si o debiteaza la iesire ca semnal unificat in tensiune (-10V…+10V). Aceasta tensiune reprezinta semnalul de reactie negativa pentru regulatorul automat. Acesta este compus dintr-un etaj amplificator de eroare care compara tensiunea de referinta cu tensiunea obtinuta de blocul amplificator LVDT. Iesirea acestuia reprezentind o tensiune de eroare multiplicata cu un factor de proportionalitate, ajustabila in functie de sistem. Acest semnal de eroare este prelucrat intr-un etaj cu functie de transfer PID (Proportional Integrativ Diferentiativ).

Semnalul de eroare prelucrat este in continuare preluat de blocul separator de polaritate. Acesta are rolul de a furniza doua semnale de iesire unul pentru situatia in care semnalul de intrare este pozitiv, iar altul cind semnalul de intrare este negativ. Amplificarea pe ambele canale este unitara. Aceste semnale vor fi folosite pentru comanda etajelor finale de putere. Intrucit aceste etaje sint identice si sint astfel proiectate incit sa functioneze numai pentru tensiuni negative de intrare. Canalul de iesire corespunzator valorii pozitive va fi in prealabil inversat. Pentru polaritatea de semn contrar iesirile respective ramin pe zero. Astfel incit etajele finale vor fi conectate pe rind, una daca semnalul de intrare este pozitiv respectiv tensiunea de eroare este mai mare ca zero, iar cealalta pentru semnal de intrare negativ adica tensiune de eroare mai mica decit zero.

Etajele finale sint niste convertoare de tensiune – curent de putere ce functioneaza in comutatie prin utilizarea unei reactii pozitive. Curentul de iesire comanda electromagnetii proportionali ai elementelor electrohidraulice in asa fel incit tensiunea de eroare sa aiba tendinta de a se anula. Marimea realizata sa fie aproximativ egala cu marimea comandata.

Tot modulul este alimentat de la surse de alimentare stabilizate, Tensiunea negativa se obtine local din cea pozitiva, fiind necesara o singura tensiune pozitiva nestabilizata.

figura 9.1 – Schema bloc a modulului servoamplificator

In figura 9.2 este ilustrat un distribuitor hidraulic proportional cu electronica integrata

Figura 9.2

In general se proiecteaza aceste module astfel incat sa poata fi alimentate de la o singura sursa de alimentare nestabilizata de regula 24Vcc sau 12Vcc.

De asemenea se pot executa in doua variante, cu semnal de intrare/iesire in tensiune sau curent (0…10V. –10…+10V, 4…20mA).

O varianta care incepe sa se impuna pe piata este realizarea acestor module pe baza unui microcontroler dedicat si comunicatie seriala (de obicei RS232)/ Acest sistem prezinta avantajul cuplarii directe la un calculator si posibilitatea reglarii soft.

10 Bibliografie

[1] Blackburn, J.F. Fluid Power Control, MIT Press, Boston, 1969

[2] Klaus Dieter Schafer, Elektrohydraulische Regelsysteme der8. Konferenz

uber Flussigkeitmechanismen, Prag, 1977

[3] Chaimovitch, E.M. L'hydro-automatique et les commandes hydrauliques,

Societe de Publications Mecaniques, 1968

[4] Test Point for Windows, Users Guide, Capital Equipment Corporation,

Burlington, MA, 1994

[5] N. Vasiliu , E. Kalisz , C. Chelaru D, Vasiliu P. Drumea, Numericalsimulation and experiment for pressure valve – Proceedings of the IMAC Congres – Paris 1988

[6] M.Comes, P. Drumea, M. Neacsu, Sisteme electronice de reglare automata

a pozitiei si fortei unui servocilindru hidraulic, A XXV-a reuniune anuala tenico-stiintifica, Ploiesti, 1996

[7] S. Iliescu, M. Comes, P. Drumea, M. Blejan, N.D. Codreanu, O.Tol,

Servoamplifier for proportional hydraulic valves used in automatization systems, MTM Sympozium Lvov, Ucraina 1998

[8] M. Comes, P. Drumea, M. Blejan, A.V. Mirea Positioning system tuning

interface using proportional hydraulic driver, SITME 98 Bucharest, Romania

[9] MirceaComes, AndreiDrumea, Tehnologie de realizare a modulului electronic PID pentru distribuitoare hidraulice proportionale cu electronica integrata, Conferinta Hidroenergeticienilor din Romania, Bucuresti

[10] Mircea Comes, Marian Blejan, Andrei Drumea, Electronic module for rotation speed control, SIITME 2000, Bucharest, Romania

[11] G.Ionescu, R.Dobrescu,…Traductoare pentru automatizari industriale, vol I,Editura Tehnica, Bucuresti 1985, p.181-183

[12] M.Ciugudean, V.Tiponut…Circuite integrate liniare.Aplicatii

Editura Facla Timisoara 1986, p.71-75

[13] M.Bodea, I.Mihut…Aparate elactronice pentru masurare si control,

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1986, p.167-170

[14] DISA ELEKTRONIC Information, 1976 p.28-30

[15] Validyne Engineering Corporation Short Catalogue 1981p.1

[16] Benjamin Kuo, A.Kelemen Sisteme de comanda cu reglare incrementala a

pozitiei, Editura tehnica 1981

[17] I.Catana, A.Surpeteanu, V.Panduru Comanda cu microporocesor a

motoarelor electohidraulice pas cu pas Revista Romana de Mecanica Fina & Optica

nr6 / 1995

[18] A. Mirea, I. Moldoveanu Servomotor liniar cu comanda numerica . Hidraulica

nr.1 / 1997

[19] I. Cristea, M. Comes, M. Blejan, A. Mirea, A. Drumea

Force Transducer with integrated electronics for hydraulic cylinder. , Conference Proceedings, ICRAM 99. Istanbul

[20] Mannesmann Rexroth, Hydraulic Trainer, vol2,1986

[21] V.Marin, A.Marin , Sisteme hidraulice automate, Editura Tehnica1987

[22] St.Calarasu.T. Colosi, L.Festila, Electronica si automatizari industriale, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti1982