Regulatoare Electronice Automate

CUPRINS

1. Regulatoare

1.1. Regulatoare automate

1.1.1. Noțiuni generale

1.1.2. Clasificare

1.1.3. Răspunsul regulatoarelor automate la semnalul treaptă unitară

1.2. Legi de reglare

1.2.1. Obținerea legilor de reglare tipizate

1.2.2. Obținerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice liniare

2. Traductoare de temperatură

2.1. Senzori cu dispozitive semiconductoare

2.2. Senzori rezistivi

2.3. Termistori

3. Schema bloc SRA

4. Proiectarea schemei bloc pentru sistemul de ventilație

5. Schema electrică a cablajului

6. Proiectare elemente de circuit. Calcule și simulări

7. Proiectare cablaj

7.1. Realizarea cablajelor cu folie de transfer de tip PnP

8. Bibliografie.

1. Regulatoare

1.1. Regulatoare automate

1.1.1. Noțiuni generale

Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelucra operațional semnalul de eroare ε (obținut in urma comparației liniar – aditive a mărimii de intrare xi și a mărimii de reacție xr în elementul de comparație) și de a da la ieșire un semnal de comandă xc pentru elementul de execuție. Este plasat pe calea directă, între elementul de comparație și elementul de execuție, conform schemei bloc a sistemului de reglare automată reprezentată în Figura 1 Schema bloc a sistemului de reglare automată.

Figura 1 Schema bloc a sistemului de reglare automată

Informațiile curente asupra procesului automatizat se obțin cu ajutorul traductorului de reacție TR și sunt prelucrate de regulatorul automat RA în conformitate cu o anumită lege care definește algoritmul de reglare automată (legea de reglare).

Cu toate că există o mare varietate de regulatoare, orice regulator va conține următoarele elemente componente (figura 2.):

amplificatorul (A)

elementul de reacție secundară (ERS)

elementul de comparare secundară (ECS)

Figure 2 Schema bloc a unui regulator automat

Amplificatorul (A) este elementul de bază. El amplifică mărimea ε1 cu un factor KR, deci realizează o relație de tipul:

,

unde KR reprezintă factorul de amplificare al regulatorului.

Elementul de reacție secundară ERS primește la intrare mărimea de comandă xc (de la ieșirea amplificatorului) și elaborează la ieșire un semnal xrs denumit mărime de reacție secundară. ERS este de obicei un element care determină o dependență proporțională între xrs și xc.

Elementul de comparare secundară (ECS) efectuează continuu compararea valorilor abaterii ε  și a lui xrs dupa relatia:

Din punct de vedere constructiv regulatorul automat include de obicei și elementul de comparație EC al sistemului de reglare automată.

1.1.2. Clasificare

Se poate face după mai multe criterii.

1. În funcție de sursa de energie exterioară folosită, acestea se clasifică în:

regulatoare automate directe – funcționează fără o sursă de energie exterioară, transmiterea semnalului realizându-se pe seama energiei interne preluată direct din proces prin intermediul traductorului de reacție;

regulatoare automate indirecte – necesită o sursă de energie exterioară pentru acționarea elementului de execuție. Sunt cele mai utilizate regulatoare care permit obținerea unor caracteristici funcționale mai complexe și performanțe superioare regulatoarelor directe.

2. După viteza de răspuns există:

regulatoare automate pentru procese rapide folosite pentru reglarea automată a parametrilor proceselor cu răspuns rapid, caracterizate de constante de timp mici (mai mici de 10 s), ca de exemplu procesele de tip acționări electrice.

regulatoare automate pentru procese lente folosite atunci când constantele de timp ale instalației sunt mari (depășesc 10 sec), situație frecvent întâlnită în cazul proceselor având ca parametri temperaturi, presiuni, debite, nivele etc.

3. După tipul acțiunii regulatoarele pot fi:

regulatoare automate cu acțiune continuă – sunt cele in care mărimile ε(t) și xc(t) variaza continuu in timp;

regulatoare automate cu acțiune discontinuă sau discretă, la care cel puțin una din mărimile ε(t) și xc(t) variază discontinuu în timp, de exemplu ca trenuri de impulsuri (modulate în amplitudine sau durată). În această categorie intră regulatoarele bi sau tripoziționale, la care ε(t) variază continuu dar xc(t) poate lua un număr limitat de valori în raport cu eroarea.

Regulatoarele cu acțiune continuă la rândul lor pot fi:

regulatoare automate liniare dacă dependența dintre cele două mărimi este liniară;

regulatoare automate neliniare dacă dependența dintre cele două mărimi este neliniară.

4. După numărul mărimilor de ieșire ale instalației tehnologice:

regulatoare automate monovariabile (pentru o singură mărime reglată)

regulatoare automate multivariabile (pentru mai multe mărimi reglate).

etc.

Figura 3 Clasificarea regulatoarelor automate în funcție de particularitățile constructive și funcționale

1.1.3. Răspunsul regulatoarelor automate la semnalul treaptă unitară

Semnalul treaptă este unul din cele mai utilizate semnale în automatică și presupune trecerea bruscă, instantanee, a unei mărimi m, de la o valoare constantă la altă valoare constantă.

O variație treaptă a unei mărimi m este reprezentată în figura 1. Mărimea m trece la momentul t1 de la valoarea constantă m1 la valoarea constantă m2.Semnalul treaptă reprezintă o variație idealizată, deoarece trecerea de la o valoare la cealaltă nu se poate face instantaneu decât pentru o viteză infinită de variație.

Figura 4 Variația treaptă a unei mărimi

Figura 5 Semnal treaptă unitară

În Figura 5 este dată reprezentarea convențională a unui semnal treaptă unitară, considerând că valoarea anterioară m1 este nulă, iar trecerea la m2 = 1 se face la momentul inițial t = 0.

În continuare vom analiza răspunsul regulatoarelor automate cu legi de reglare având una sau mai multe componente la semnalul treaptă unitară al erorii. În reprezentarea răspunsului diferitelor tipuri de regulatoare se consideră condiții inițiale nule.

Regulatoare cu acțiune proporțională (de tip P)

Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență proporțională descrisă de :

,

unde KR este factorul de amplificare al regulatorului.

În Figura 6 este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip P. Mărimea de comandă va avea o variație tot sub formă de treaptă, dar amplificată cu factorul KR.

Figura 6 Răspunsul la intrare treptă al unui regulator P

Datorită inerției elementelor componente ale regulatorului mărimea de comandă nu poate urmări instantaneu variația erorii și din această cauză variația reală a mărimii xc(t) este trasată punctat.

Adesea în loc de KR se utilizează factorul numit bandă de proporționalitate BP definit ca fiind acel procent din domeniul mărimii de intrare în regulator ε(t) pentru care regulatorul de tip P determină o valoare xc(t) egală cu 100% din domeniul posibil pentru mărimea de ieșire.

Când domeniul de variație al erorii ε este egal cu domeniul de variație al mărimii de comanda xc (cazul regulatoarelor unificate), banda de proporționalitate se determină din relația:

Dacă domeniul de variație al mărimii ε(t) diferă de cel al lui xc(t) , atunci banda de proporționalitate BP se determină cu relația:

Factorul de proporționalitate KR, respectiv banda de proporționalitate BP, reprezintă unicul parametru al regulatoarelor de tip P. Prin construcția regulatorului P acest parametru se prevede a fi ajustabil în limite largi pentru a satisface o varietate mare de legi de reglare. Astfel, dacă mărimile de la intrarea și ieșirea regulatorului au același domeniu de variație, KR poate fi variat între 50 și 0,5, ceea ce corespunde unei benzi de proporționalitate cuprinse între 2% și 200%

b. Regulatoare cu acțiune integrală (de tip I)

Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență descrisă de :

.

Mărimea xc(t) depinde de integrala în timp a erorii ε(t). Constanta Ti se numește constantă de integrare și are dimensiunea timp.

În Figura 7 este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip I.

Derivând în funcție de timp relația , se obține:

Rezultă că la regulatorul de tip I viteza de variație a mărimii de comandă este proporțională cu eroarea, factorul de proporționalitate fiind inversul timpului de integrare.

Figura 7 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator I

Răspunsul regulatorului de tip I la intrare treaptă este un semnal rampă cu coeficientul unghiular:

.

Parametrul ajustabil al regulatorului I este timpul de integrare care poate fi variat în diverse limite, de la ordinul fracțiunilor de secundă până la zeci de minute, în funcție de tipul regulatorului, pentru procese rapide sau procese lente.

Regulatoarele de tip I sunt rar utilizate datorită întârzierilor pe care le introduc. Se aplică atunci când se dorește eroare staționară nulă și nu există alte elemente ale sistemului de reglare automată care să permită aceasta.

c. Regulatoare cu acțiune proporțional integrală (de tip PI)

Aceste regulatoare reprezintă o combinație între un regulator de tip P și unul de tip I și stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență descrisă de :

.

Factorii KR și care caracterizează cele două componete ale răspunsului regulatorului pot fi modificați independent unul de celălalt.

Relația mai poate fi scrisă și:

,

unde este constanta de timp de integrare a regulatorului. Ea prezintă avantajul că factorul de proporționalitate KR intervine atât în componenta proporțională cât și în componenta integrală, astfel că modificarea lui KR permite modificarea ambelor componente. Aceasta corespunde condițiilor constructive reale ale celor mai multe regulatoare de tip PI.

În Figura 8 este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PI.

Figura 8 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PI

Datorită posibilității de combinare a celor două acțiuni, proporțională și integrală, prin modificarea simultană a celor două constante, regulatoarele PI permit obținerea de caracteristici superioare în realizarea legilor de reglare.

d. Regulatoare cu acțiune proporțional derivativă (de tip PD)

Aceste regulatoare, similar celor de tip PI, reprezintă o combinație între un regulator de tip P și unul de tip D și stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență descrisă de :

,

unde factorul Td se numește constantă derivativă și are dimensiunea timp.

Similar ca la regulatoarele PI, relația poate fi scrisă și:

,

unde factorul se numește constantă de timp derivativă a regulatorului și are dimensiunea timp.

În Figura 9 este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PD.

Figura 9 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PD

Din aceleași considerente ca la regulatoarele PI, se preferă ca dependența determinată de regulatoarele PD să fie exprimată prin a doua relație, deoarece din punct de vedere constructiv, prin modificarea factorului KR este permisă și modificarea constantei de timp derivative. Unele regulatoare sunt prevăzute cu dispozitive care permit variația simultană a lui KR și a lui TD, astfel ca produsul KR·TD să rămână constant.

Analizând răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PD se observă ca acțiunea componentei derivative se manifestă numai la momentul inițial, când are loc saltul mărimii de la intrare. Prezența componentei derivative care apare la momentul inițial și este de scurtă durată, are ca efect o accelerare a regimului tranzitoriu și deci o reducere a acestuia. Comparativ cu regulatoarele de tip P sau cele de tip I, aceste regulatoare permit posibilități mai largi de realizare a legilor de reglare.

e. Regulatoare cu acțiune proporțional integrală derivativă (de tip PID)

Aceste regulatoare sunt cele mai complexe regulatoare cu acțiune continuă, care asigură performanțe de reglare superioare, atât în regim staționar cât și în regim tranzitoriu. Ele înglobează efectele proportional P, integral I și derivativ D expuse mai sus, conform legii de reglare:

+.

Dacă se ține seama de realizarea constructivă a regulatorului, relația poate fi scrisă:

.

Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PID este reprezentat în Figura 10 în care se observă prezența celor trei componente P, I și D:

Figura 10 Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PID

Regulatoarele PID au trei parametri ajustabili KR, TI, TD, ceea ce asigură posibilități mult mai largi în asigurarea legilor de reglare decât la oricare din regulatoarele descrise anterior și explică performanțele superioare ale sistemelor de reglare automată prevăzute cu aceste regulatoare. Evident că regulatoarele PID au construcții mai complexe și necesită o acordare atentă a valorilor celor trei parametri.

1.2. Legi de reglare

1.2.1. Obținerea legilor de reglare tipizate

a. Legea de reglare de tip P

Schema unui bloc pentru realizarea legii de reglare de tip P este reprezentată în Figura 11.

Figura 11 Schema unui bloc de reglare tip P

Aplicând prima lege a lui Kirchhoff pe nodul de intrare, se obține:

I1 I2 = Ii

Din proprietățile AO:

Zi Ii = 0 I1 = – I2

Aplicând a doua lege a lui Kirchhoff pe ochiul de intrare, se obține:

I1 R1 – ui un – U1 =0

I1 R1 = U1 – (un – ui )

Din proprietățile AO:

A0 (un – ui ) = 0 I1 =

Aplicând a doua lege a lui Kirchhoff pe ochiul de ieșire, se obține:

– U2 I2 R2 – ui un = 0

– U2 = – I2 R2

Din:

U2 = I2 R2

și

I1 = – I2

U2 = – I1 R2

Prin definiție:

.

.

Notând:

,

relație analoagă cu:

semnul minus indică polaritatea inversă a tensiunii de ieșire U2 față de tensiunea de intrare U1 ca urmare a aplicării semnalului la borna inversoare.

b. Legea de reglare de tip I

Schema unui bloc pentru realizarea legii de reglare de tip I este reprezentată în Figura 12. Semnalul de intrare este aplicat la borna inversoare, iar circuitul de corecție are o rezistență R1 în circuitul de intrare și o capacitate C2 în circuitul de reacție.

Figura 12 Schema unui bloc de reglare tip I

Ca și în cazul regulatorului de tip P, intensitatea curentului prin R1 este:

I1 =

Dacă se notează cu uc2 tensiunea pe condensator, intensitatea curentului I2 prin condensatorul C2 este:

Ținând cont că:

sau:

Prin integrarea acestei relații se obține:

,

cu Ti=R1C2.

Relația de dependență a mărimii de ieșire din regulator în funcție de mărimea de intrare este analoagă cu:

.

c. Legea de reglare de tip D

Legea de reglare de tip D nu se folosește singură, separat, dar componenta derivativă D intervine în legile de reglare PD și PID.

Schema de principiu pentru obținerea acestei legi este reprezentată în Figura 13.

Figura 13 Schema unui bloc de reglare tip D

Ținând cont de proprietățile amplificatorului operațional rezultă:

și:

Tensiunea de ieșire este dată de:

,

cu Td = R2C2.

Relația de dependență a mărimii de ieșire din regulator în funcție de mărimea de intrare este analoagă cu:

f. Legea de reglare de tip PID

Legea de reglare de tip PID se obține prin combinarea schemelor din Figura 11, Figura 12 și Figura 13, rezultând în cazul aplicării semnalului de intrare la borna inversoare schema din Figura 14.

Figura 14 Schema unui bloc de reglare de tip PID

Semnalul de ieșire are expresia:

,

unde:

și ; ,

deci o lege PID analoagă cu cea definită de:

.

1.2.2. Obținerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice liniare

Regulatoarele automate electronice (RAE) fac parte din sistemele de reglare automată atât pentru procese lente cât și pentru procese rapide și au în componența lor circuite electronice cu ajutorul cărora realizează caracteristicile funcționale necesare.

Avantaje RAE:

obținere relativ ușoară a legilor de reglare;

inerție redusă;

posibilități largi de miniaturizare;

consum energetic redus;

posibilități de transmitere a semnalelor la distanță;

posibilități de cuplare la calculator.

Un dezavantaj al RAE în comparație cu regulatoarele pneumatice și cele hidraulice este faptul că nu prezintă siguranță suficientă în medii explozive sau inflamabile.

Structura unui RAE este prezentată în Figura 15.

Figura 15 Schema bloc a unui regulator automat electronic

Elementul principal este unitatea de reglare în care este elaborată legea de reglare sau algoritmul de reglare. Unitatea de reglare este alcătuită din amplificatoare operaționale la care sunt conectate circuite de corecție alese corespunzător legii de reglare dorite.

Eroarea sau mărimea de abatere este calculată atât în unitatea de reglare cât și în blocul de calcul al erorii.

Deoarece mărimea de referință poate fi prescrisă de:

un operator;

un alt regulator;

un calculator,

este necesară introducerea unui bloc de comutare a semnalului de referință.

Mărimea de comandă pentru acționarea elementului de execuție este furnizată fie de unitatea de reglare, fie de la un dispozitiv de comandă manuală, fie de la un calculator prin intermediul comutatorului ce permite trecerea pe regimul de funcționare automat-manual. Pentru ca trecerea de pe manual pe automat și invers să se facă fără vibrații bruște ale mărimii de comandă este necesar circuitul de echilibrare.

Conform schemei bloc din Figura 15 RAE mai conține:

blocuri de limitare a semnalelor în limite admisibile;

bloc de afișare a semnalelor de comandă, ieșire și eroare;

blocuri de semnalizare optică și acustică în cazul depășirii limitelor admisibile de mărimea de comandă.

Principalele elemente componente ale RAE sunt:

a. Circuite pentru realizarea legii de reglare

Aceste circuite denumite și circuite de corecție sau elemente de corecție au fost prezentate în 2.1.

b. Elementul de comparație (EC)

Este inclus în blocul de reglare și are rolul de a compara mărimea de referință (xi) cu mărimea de reacție (xr).

În Figura 16 este reprezentată cea mai simplă variantă a unui EC realizat cu un amplificator operațional în montaj diferențial.

Pentru notațiile din figură:

U1 – semnalul de reacție (mărimea de reacție) și

U2 – semnalul de referință (mărimea prescrisă),

se obține pentru tensiunea de ieșire:

,

semnalul de ieșire fiind proporțional cu eroarea ε.

Figura 16 Circuit de comparație cu AO în montaj diferențial

c. Elemente de interfață cu operatorul

Au rolul de a realiza în ambele sensuri legătura între regulatorul automat și operator și cuprind butoane și comutatoare pentru ca operatorul să poată:

modifica anumite condiții de funcționare;

stabili valorile constantelor ce intervin în legea de reglare;

efectua trecerea de la funcționarea automată la funcționarea cu comandă manuală a IT și invers.

d. Elemente de interfață cu calculatorul

Sunt instalate pe toate legăturile dintre calculator și sistemul de reglare automată, pe cele prin care calculatorul primește informații de la SRA și pe cele prin care sunt transmise comenzi spre SRA.

e. Surse de alimentare

Permit alimentarea cu o tensiune stabilizată, reglabilă.

Regulatoare automate electronice pentru procese lente

Domeniul proceselor lente se caracterizează prin constante de timp mai mari de 10 s și cuprinde marea majoritate a proceselor industriale în care se realizează reglări de temperatură, presiune, debit, nivel etc. O altă caracteristică generală a proceselor lente constă în faptul că timpul mort nu este neglijabil și trebuie luat în considerație în proiectarea regulatoarelor electronice.

Din cauza vitezelor mici de variație a semnalelor, constantele de timp Ti și Td au valori mari, ceea ce impune utilizarea de amplificatoare operaționale și circuite de corecție cu componente pasive de bună calitate, ale căror caracteristici să nu varieze în timp.

În Figura 17 este prezentată structura generală a unui RA destinat reglării proceselor lente.

Figura 17 Schema bloc a unui regulator pentru procese lente

Principalele module componente ale RAE liniare sunt:

Modulul adaptor de intrare care conține elementul de comparație realizat cu două amplificatoare operaționale, un bloc pentru afișarea valorii abaterii pe placa frontală a regulatorului și un bloc de filtrare prin care este trecut numai semnalul de reglat.

Modulul PI, de fapt un modul P+PI realizează componentele legii de reglare. În Figura 18 este reprezentată schema simplificată a blocului PI.

Modulul D derivează numai semnalul a cărui valoare depinde de mărimea de reacție ceea ce conduce la evitarea șocurilor în funcționarea instalației tehnologice.

Modulul convertor de ieșire asigură obținerea la ieșire a semnalului unificat 4…20 mA curent continuu.

Figura 18 Schema blocului PI din RA pentru procese lente

Caracteristicile generale ale RAE liniare pentru procese lente:

blocurile de reglare sunt realizate cu amplificatoare electronice integrate cu performanțe ridicate, curenți de intrare foarte mici.

semnalul de eroare este prelucrat după o lege de reglare de tip PI iar mărimea de reacție după o lege PID, pentru evitarea șocurilor provocate de componenta derivativă asupra instalației tehnologice.

pentru limitarea efectelor zgomotelor sunt prevăzute filtrări ale semnalelor.

semnalul de intrare, respectiv de ieșire sunt semnale unificate.

Regulatoare automate electronice pentru procese rapide

Procesele rapide se caracterizează prin viteze mari de variație a mărimilor reglate, mai mici de 10s, procese întâlnite în domeniul acționărilor electrice și echipamentelor electroenergetice.

În cadrul proceselor rapide cele mai frecvent mărimi reglate sunt:

mărimi de poziție (deplasări liniare, unghiulare)

viteze liniare sau de rotație

mărimi electrice și magnetice (intensitatea curentului electric, tensiune electrică, flux magnetic).

Condiții impuse sistemelor de reglare automată pentru procese rapide:

gamă largă de variație a mărimii reglate

viteză mare de răspuns (efectul unei variații bruște a sarcinii trebuie înlăturat în 100ms.)

precizie mare a reglării (1% sau chiar 0,1%)

constanță în timp a parametrului reglat;

nivel redus al semnalelor de intrare.

Elementele de automatizare folosite în sistemele de reglare automată a proceselor rapide prezintă particularități datorită condițiilor enumerate mai sus și datorită naturii mărimilor reglate.

Astfel RAE pentru procese rapide trebuie să fie compatibile cu elementele de execuție, de obicei electrice, specifice acestor procese.

Legile de reglare se obțin pe baza acelorași scheme electrice ca în cazul proceselor lente, cu deosebirea că valorile rezistențelor și capacității condensatoarelor din circuitele de corecție sunt mai mici deoarece constantele de timp Ti și Td sunt mai mici.

În Figura 19 este prezentată schema bloc a RAE pentru procese rapide.

Figura 19 Schema de principiu a RAE pentru procese rapide

Acesta cuprinde:

EC (cele două rezistoare R0) care compară semnalul de referință (Ui) cu semnalul de reacție (Ur)

Amplificatorul diferențial A

Circuitul de reacție (impedanțele Z1, Z2 și Z3).

La ieșirea regulatorului este legat rezistorul de sarcină Rs care constituie rezistența de intrare a elementului de execuție comandat de acest regulator.

Dacă se înlocuiesc impedanțele Z1, Z2 și Z3 prin rezistențele R1, R2, respectiv condensatorul de capacitate C se obține conform schemei din Figura 20. RAE de tip PD.

Figura 20 Schema de principiu a RAE de tip PD pentru procese rapide

Legea de reglare de tip PID se obține dacă impedanța Z1 este înlocuită de gruparea serie R1 și C1, impedanța Z2 de R2, iar Z3 de C2, conform schemei din Figura 21.

Figura 21 Schema de principiu a RAE de tip PID pentru procese rapide

2. Traductoare de temperatura

Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene și efecte fizice, în care modificarea temperaturii determină modificări ale unor proprietăți sau caracteristici ale materialelor: variația dimensiunilor geometrice, variația rezistenței electrice, apariția unei tensiuni electromotoare de-a lungul joncțiunii a două metale, variația intensității radiaței emise, variația frecvenței de rezonanță a unui cristal de cuarț etc.

Acuratețea procesului de măsurare a temperaturii este foarte importantă pentru cele mai multe aplicații de control a diferitelor procese tehnologice.

În Tabel 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatură, împreună cu câteva caracteristici semnificative ale lor.

Tabel 1 Traductoare de temperature

Termocuplurile sunt capabile să măsoare temperaturi extreme dar necesită tehnici de realizare a temperaturii de referință, sunt neliniare și au un nivel mic al semnalului de ieșire. Senzorii de temperatură cu semiconductori se pretează la realizarea lor sub formă integrată, au un nivel mare al semnalului de ieșire dar acoperă un domeniu relativ restrâns de temperaturi.

Termometrele cu rezistență metalică au o acuratețe și o liniaritate mai bune, dar necesită o sursă de energie de excitare și un circuit de masură de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari.

2.1. Senzori cu dispozitive semiconductoare

Se știe că intensitatea curentului prin joncțiunea unei diode semiconductoare poate fi exprimată cu ajutorul relației:

în care IS este curentul de saturație prin joncțiunea polarizată invers. În polarizare directă exponențiala este mult supraunitară, astfel încât se poate scrie cu o foarte bună aproximație:

Figura 22 Tranzistor bipolar

Relația precedentă este valabilă și pentru juncțiunea bază-emitor a unui tranzistor bipolar (Figura 22) și, neglijînd contribuția curentului de bază la curentul de colector, se poate scrie:

Exprimăm tensiunea dintre bază și emitor din relația precedentă:

Observăm că aceasta este direct proporțională cu temperatura mediului în care se află joncțiunea. Pe această dependență se bazează folosirea unor structuri integrate cu tranzistori pentru măsurarea temperaturii. La 300K mărimea raportului kT/q este de 26 mV.

2.2. Senzori rezistivi

Termometrele cu rezistență metalică acoperă un domeniu relativ larg de temperaturi, fiind folosite pentru măsurarea temperaturii gazelor și lichidelor, a temperaturii suprafețelor unor solide sau temperatura din interiorul unor solide ușoare.

Ele sunt stabile și rezistente la condiții de mediu neprietenoase, fiind des folosite în industria chimică (pentru măsurarea temperaturii lichidelor corozive sau pulberilor) sau industria alimentară (pentru măsurarea temperaturii produselor alimentare, cum ar fi carnea). Termometrele cu rezistență metalică au o acuratețe bună dar un răspuns lent în timp, fiind destul de fragile și uneori scumpe.

Conductibilitatea electrică a unui metal depinde de deplasarea electronilor prin rețeaua sa cristalină. Datorită excitării termice, rezistența electrică a unui conductor metalic variază în funcție de temperatura. Marea majoritate a metalelor au un coeficient de temperatură al rezistenței pozitiv (rezistența electrică a lor crește odată cu creșterea temperaturii. Pe domenii restrânse de temperatură dependența rezistenței unui conductor metalic de temperatură este aproape liniară. Pe domenii mai largi de temperatură ea este neliniară și poate fi scrisăsub forma:

R0 este rezistența conductorului la o temperatură de referință (de regulă 00C), Rt este rezistența conductorului la temperatura t0C, este coeficientul de temperatură al materialului, iar , , … sunt coeficienți de neliniaritate. Această dependență de temperatură a rezistenței electrice a metalelor stă la baza folosirii lor în termometre cu rezistență metalică.

Metalele cele mai folosite în ca traductori de temperatură sunt platina, cuprul și nichelul.

Valorile standardizate pentru rezistența la temperatura de referință Ro (valori nominale) sunt 10, 50, 100, 500 și 1000 ohmi. În Tabel 2 sunt prezentate caracteristicile acestor materiale, cu precizarea că ele se referă la termometre cu rezistența nominală de 100 Ω.

Dintre metalele folosite ca senzori rezistivi de temperatură, menționate în Tabel 2, cel mai folosit este platina. Deși este foarte scumpă, ea are avantajul de a fi un material de referință pentru standardele internaționale. Platina este un metal stabil și are calitatea de a nu se volatiliza apreciabil la temperaturi până la 10000C.

În schimb ea poate fi contaminată de gaze în atmosfere reducătoare și acționează ca un catalizator în prezența anumitor hidrocarburi. De aceea termometrele cu fir de platină sunt de obicei încapsulate. Nichelul cu un grad înalt de puritate, are cea mai mare variație a rezistenței cu temperatura între 0 și 1000C. Peste 3000C coeficientul său de temperatură scade brusc, iar caracteristica sa este puternic neliniară. Cuprul se oxidează ușor și își pierde puritatea, ceea ce îl face mai puțin utilizabil.

Pentru măsurarea temperaturilor de peste 10000C poate fi utilizat wolframul.

Tabel 2 Caracteristici materiale senzori rezistivi

Expresia reprezintă un parametru adițional pentru caracterizarea termometrelor cu rezistență metalică, cunoscut sub denumirea de coeficient mediu de temperatură între 0 și 1000C.

2.3. Termistori

Termometrele cu rezistențe metalice bobinate au dezavantajul variației mici a rezistenței cu temperatura. Termistorii folosesc același principiu de măsurare a temperaturii, dar variația cu temperatura a rezistenței lor este mult mai mare (de peste 100 de ori) decât cea a senzorilor rezistivi metalici.

Aceasta se întâmplă deoarece ei sunt confecționați din materiale semiconductoare, mult mai sensibile la variațiile de temperatură decât metalele.

Termistorii sunt amestecuri de oxizi de Mn, Cr, Ni, Co cu pulbere fină de Cu.

În mod normal, rezistența unui termistor scade cu creșterea temperaturii. De aceea ei se numesc termistori cu coeficient negativ de temperatură (NTC – Negative Temperature Coefficient). Există și termistori cu coeficient pozitiv e temperatură, dar ei sunt folosiți mai rar.

Dependența dintre rezistență și temperatură este exponențială (deci neliniară) și este exprimată prin relația:

Unde RT este rezistența termistorului la temperatura absolută T [K], R0 este rezistența termistorului la temperature absolută de referință T0 [K], iar este o constantă caracteristică materialului termistorului, depinzând de compoziția materialului acestuia și de tehnologia de fabricație. Coeficientul se definește ca:

are valori uzuale cuprinse în domeniul 3000 – 5000K.

În multe cataloage termistorii sunt caracterizați și prin coeficientul definit ca:

Cu cât coeficienții și sunt mai mari, cu atât variația per 0C a rezistenței termistorului este mai mare, adică el are o sensibilitate mai bună.

3. Schema block SRA

Un sistem de reglare automată (SRA) poate fi reprezentat prin schema bloc din figura 1.

Sistemul de reglare automată (SRA) este un sistem în conexiune inversă care îsi decide

comportamentul față de mărimile externe (exogene) pe baza mărimii de eroare, , generate în mod automat, cu scopul expres al anulării acesteia. Acest lucru presupune cunoasterea apriorică a modelului mărimilor externe, deci prezența în sistem a unei copii sub forma modelului intern.

Elementele componente ale SRA sunt următoarele:

a) Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelua semnalul de eroare și de a elabora la ieșire un semnal de comandă pentru elementul de execuție.

b) Elementul de execuție (EE) este dispozitivul care primește semnale electrice și furnizează marimi de ieșire de natură mecanică (în general) capabile să modifice starea procesului.

c) Procesul (P) este procesul tehnologic care trebuie reglat.

d) Traductorul (T) realizează conversia unei mărimi fizice (neelectrice) într-o mărime de

altă natură fizică (în general electric) proporțională și dependentă de prima.

Definirea indicilor de calitate, deci a performanțelor, si aprecierea lor într-o manieră

inginerească reprezintă obiectul analizei SRA.

Metodologiile de analiză convenționale fac apel la comportamentul intrare/iesire al SRA, deci la structura din figura 2.

Sunt puse în evidență următoarele subsisteme ale unui SRA: SC – compensatorul după eroare, P – procesul.

Mărimile reprezentative ale unui SRA vor fi în consecință:

– – eroarea,

– u – comandă,

– m – mărimea de execuție,

– z – mărime de calitate,

– y – mărimea măsurată.

Se introduc următoarele funcții de transfer reprezentative:

Tipurile de regulatoare cele mai utilizate astăzi în industrie sunt regulatoare standard, a căror comportare se poate explica prin cele trei forme de bază idealizate ale elementelor P, I si D.

Regulatorul standard cel mai important si cel mai complex are o comportare PID. Modul de acțiune al unui regulator PID poate fi explicat printr-o schemă de conectare în paralel a câte unui element P,I si D (figura 3).

Prin introducerea factorului de amplificare KR, o mărime adimensională, si a celor două

constante de timp TI si TD, espresia (6.9) capătă o altă formă:

Aceste trei mărimi KR, TI si TD sunt în mod obisnuit ajustabile într-un domeniu determinat: ele sunt desemnate de aceea ca parametrii de acord (ajustabili) ai regulatorului.

Prin alegerea corespunzătoare a valorii parametrilor de acord se poate realiza adaptarea unui regulator la procesul condus, astfel încât să rezulte cea mai bună comportare a buclei de reglare. Din (6) rezultă că evoluția în timp a mărimii de comandă este următoarea:

Răspunsurile indiciale ale acestor tipuri de regulatoare sunt reprezentate în figura 4.

4. Proiectarea schemei bloc pentru sistemul de ventilație

5. Schema electrica a cablajului

6. Proiectarea elementelor de circuit. Calcule și simulări

Schema folosita pentru calcule

CALCULE

Senzorul de temperatura pe care il vom folosi in aceasta aplicatie este LM35. Conform datelor de catalog, acesta scoate la ieșire o tensiune de 10mV/0C, gama temperaturilor de lucru fiind cuprinsă în domeniul -550C ÷ +1500C. Prin urmare, tensiunea la ieșirea circuitului LM35 este cuprinsă în domeniul -0,55V ÷ +1,5V. Ne propunem să prelucrăm informația furnizată de senzor și să aducem tensiunea în domeniul 0 ÷ +5V.

Circuitul U1:A oferă o tensiune de referință pentru U1:B.

Circuitul U1:B

VOut=VTemp*(1+R2/R1) – Vx*R2/R1

Ne propunem ca la VTemp=-0,55V să obținem VOut=0V și la VTemp=1,5V să obținem VOut=5V.

Deci:

0=-0,55*(1+R2/R1)-Vx*R2/R1

5=1,5*(1+R2/R1)-VxR2/R1

Rezultă:

5-0=(1,5-(-0,55))*(1+R2/R1)

5=2,05*(1+R2/R1)

1+R2/R1=5/2,05

R2/R11,5

Aleg R1=10K, rezultă R2=15k.

0=-0,55*(1+1,5)-Vx*1,5, rezultă Vx=-0,92V

U1:A funcționează ca repetor de tensiune, prin urmare Vx este egală cu tensiunea pe cursorul lui S1.

Impunem ca prin reglarea lui S1 să se poată obține o tensiune între -0,8 și -1,2V.

Deci:

12V*R5/(R4+R5+S1)=0,8

12V*(R5+S1)/(R4+R5+S1)=1,2

Rezulta:

1,2/0,8=(R5+S1)/R5, S1/R5=0,5

R5/(R4+R5+S1)=0,8/12, rezulta R4/R5=12/0,8-1,5, rezultă R4/R5=13,5

Aleg R5=2k, rezulta S1=1k, R4=27k

U1:C funcționează în schemă de repetor. Asigură tensiunea care semnifică temperatura setată.

Deoarece prin circuitul descris anterior am adus tensiunea corespunzatoare temperaturii masurate in domeniul 0 ÷ +5V, este necesar ca circuitul de setare a temperaturii să ofere o tensiune în același domeniu.

Prin urmare, dorim ca tensiunea la ieșirea Tsetat să fie în domeniul 0 ÷ +5V.

UTsetat= tensiunea de pe cursorul P1.

Prin urmare:

12V*P1/(P1+R6)=5V Rezulta 7P1=5R6, Rezultă R6=1,4P1.

Aleg P1=10k, Rezulta R6=14k.

U1:D funcționează în schemă de amplificator diferențial.

UEroare=-VTsetat*R9/R8 + VTambiant*(1+R9/R8)*R10/(R7+R10)

Alegem R10/R7=R9/R8 și obținem:

UEroare=R9/R8*(VTambiant – Vtsetat)

Alegem R9/R8=1, rezultă

UEroare= VTambiant – Vtsetat

Alegem R9=R8=10k

SIMULĂRI

Circuit procesare semnal oferit de senzorul de temperatură

Tensiune la iesire pentru Tambiant=1550C

Tensiune la ieșire pentru Tambiant=-550C

Circuit reglare temperatură setată

Tensiunea la ieșire pentru reglaj Tsetat maxim

Tensiunea la ieșire pentru reglaj Tsetat minim

Semnal eroare pentru Tambiant minim, Tsetat minim

Semnal eroare pentru Tambiant minim, Tsetat maxim

Semnal eroare pentru Tambiant maxim, Tsetat minim

Semnal eroare pentru Tambiant maxim, Tsetat maxim

PID

Circuit proporțional

Schema circuitului proporțional

Tensiunea la ieșirea circuitului proporțional este dată de:

U5:A(out)=-VEroare(RP2+*RVP1)/RP1, [0…1]

Am proiectat elementele de circuit astfel încât câștigul să fie cuprins între 0,5 și 2.

Astfel:

Kp=(RP2+*RVP1)/RP1

Kpmin=RP2/RP1

Kpmax=(RP2+RVP1)/RP1

Rezultă:

0,5=RP2/RP1

2=(RP2+RVP1)/RP1

Alegem RP2=10k

Rezultă RP2=5K. Alegem RP2=5,1k.

Rezultă RVP1=15k

Am prevăzut un potențiometru în bucla de reacție negativă pentru a putea seta câștigul circuitului de proporționalitate.

De asemenea, pentru a putea analiza contribuția semnalelor oferit de circuitul de proporționalitate, ciruitul de derivare și circuitul de integrare, am prevăzut pe ieșire câte un semireglabil. În acest mod se poate anula efectul oricărui circuit, configurația fiind proiectată astfel încât să putem analiza atât efectul individual al fiecărui circuit, cât și efectul combinat al acestora.

Circuit derivator

Tensiunea la ieșirea circuitului de derivare este dată de:

U5:B(out)=-(dUeroare/dt)*(RD+RVD1)*CD

KD=(RD+RVD1)*CD

KDmin=RD*CD

KDmax=(RD+RVD1)*CD

Impunem Kdmin=100µs și KD max=10ms

100µs=CD*RD

Aleg CD=100nF Rezultă RD=1K

10ms=(RD+RVD1)*CD

Rezultă RVD1=100K

Circuit integrator

Tensiunea la ieșirea circuitului de integrare este dată de:

KI=(αRVI1+R13)*CI

KImax=(RVI1+R13)*CI

KImin=R13*CI

Impunem Kimin=10ms, Kimax=100ms

Alegem CI=100nF, rezultă R13=100k, RVI1=1M

PWM

Pentru a regla turatia ventilatorului proporțional cu semnalul oferit la ișirea PID propunem un circuit PWM (Pulse Width Modulation).

Circuitul realizat cu U6:A și U6:B și componentele aferente reprezintă un generator de semnal triunghiular.

Calculul frecventei de oscilatie:

Notam:

U6:A(pin3)=Uo

U6:A(pin1)=Ui

U6:B(pin7)=Urampa

Ui=Uo*R18/(R18+R16)+Urampa*R16/(R16+18)

Ui=0;

Deci Uo=-R16/R18*Urampa

Impunem Urampă=5V

Tensiunea de iesire poate evolua intre valorile:

Uo(h)Vcc (tensiunea pozitivă de alimentare)+10V

Uo(l)Vee (tensiunea negativă de alimentare-10V

Deci R16/R1810/2=5

Alegem R16=100k, rezultă R18=47k

Frecventa de oscilatie

Notam cu t1 timpul in care Vo=Vo(l) si t2 timpul in care Vo=Vo(h)

Avem:

Urampa(t1)=Urampa(t0)-1/R17C7*Voh*t1

Urampă (t0)=5V

Urampă(t1)=-5V

Deci: -5V=+5V-1/R17C7*10*t1

Rezultă

-10V=-1/RC*10*t1 Rezultă t1=R17C7

Pentru t2

Urampa(t2)=Urampa(t1)-1/R17C7*Vol*t2

Urampa(t1)=-5V

Urampa(t2)=+5V

Deci 5V=-5V-1/R17C7*(-10)*t2

Deci t2=R17C7

Toscilatie=t1+t2, foscilatie=1/Toscilatie

Alegem Toscilatie =2ms

Deci 2ms=2*R17C7 Rezultă R17C7=1ms

Aleg C7=100nF, rezultă R17=100k

Pentru aplicația noastră avem nevoie doar de semnal rampa pozitiv, prin urmare în schemă se adaugă D3. Consecința acestui lucru este reducerea Tosc la jumătate.

7. Proiectare cablaj

7.1 Realizarea cablajelor cu folie de transfer de tip PnP

Realizarea cablajelor imprimate de serie mică sau unicat poate fi relizată prin diferite metode, una dintre acestea fiind și utilizarea foliei de transfer de tip PnP (Press aNd Peel=apasa și dezlipește).

Acestă tehnologie de realizare a cablajelor se bazează pe o folie de tip special.

În esență această tehnologie se bazează pe principiul de funcționare a imprimantelor cu laser sau a copiatoarelor. Această folie permite imprimarea traseelor de cablaj imprimat asigurand transferul acestora pe placa de circuit imprimat.

Etapele de realizare a cablajului de circuit imprimat sunt:

Se realizeaza desenul cablajului imprimat,fie manual, fie prin intermediul unor programe specializate (PROTEUS, ORCAD, PROTEL,CIRCUIT MAKER,etc.)

Acest desen,considerat pozitiv se copiază cu ajutorul unui copiator pe folia de tip PnP.Tonerul copiatorului va adera la folia PnP, realizând pe aceasta desenul negativ (în oglindă) al desenului de cablaj.

Se pregătește placuța de cablaj imprimat, tăindu-se la dimensiunea necesară, șlefuindu-se cu un glasspapier foarte fin.

Se degresează placa de cablaj imprimat în vederea curățirii de oxizi si grăsimi prin cufundarea acesteia într-o soluție slabă de acid.

HNO3+CuCu(NO3)2+H2↓

După 30 de secunde se scoate, se spală sub un jet de apă, iar apoi se usucă.

Fără să se atingă cu mâna cablajul se suprapune peste acesta folia de transfer de tip PnP.

Cu ajutorul unui fier de călcat, reglat la temperatura de 200 până la 225 de grade celsius, se încălzește suprafața foliei avându-se grijă să existe un contact permanent între fierul de călcat și folie.

Se are în vedere faptul că toată suprafața foliei să fie uniform incălzită.Aceasta realizându-se prin mișcări circulare ale fierului de călcăt. De regulă,timpul necesar transferării tonerului de pe folie pe placa de cablaj imprimat este între 60 si 120 de secunde. În mod normal acest timp este dependent de mărimea suprafeței de transferat.

Operațiunea se consideră incheiată când prin folia transparentă se observă perfect traseul desenat.

Se lasă să se răcească cablajul și folia după care cu mare atenție se dezlipește începand de la colțuri.Se vizualizează desenul transferat pe cablaj,se compară cu originalul și daca este nevoie se corectează cu ajutorul unui MARKER traseele întrerupte.

Se introduce placa de cablaj imprimat intr-o soluție de clorură ferică de o concentrație adecvată.În urma reacției chimice care are loc:

2FeCl3+3Cu→3CuCl2+2Fe↓

traseele neacoperite sunt corodate,obținându-se în final copia fidelă în cupru a traseului desenat. Timpul de corodare depinde de concentrația soluției de clorură ferică, de temperatura și de gradul de agitație a acestuia.

După terminarea corodării se scoate placa de cablaj imprimat din soluție ,se spală sub jet de apă, se usucă, se îndepărtează cu ajutorul unui praf abraziv tonerul depus, se acoperă suprafața de cupru cu o soluție de colofoniu dizolvat în alcool.

După această operație placa de cablaj imprimat poate fi utlizată în vederea găuriri ei și a montării pieselor electronice.

Limite și performanțe

Această tehnologie este ideală pentru cablaje unicat sau de serie mică de complexitate medie. Traseele de cablaj realizate nu pot avea dimensiuni mai mici de 0,8 mm. Traseele mai fine se pot realiza prin alte metode.

8. Bibliografie

Călin, Sergiu. (1976). Regulatoare automate, București:Editura Didactică și Pedagogică

Călin, Sergiu. ș.a. (1979). Bazele funcționării echipamentelor electrice și electronice din industria chimică, București:Editura Didactică și Pedagogică

Călin, Sergiu. ș.a. (1980). Bazele automatizării în industria chimică, București:Editura Didactică și Pedagogică

Călin, Sergiu. ș.a. (1983). Echipamente electronice pentru automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Chivu, Aurelian. ș.a. (2005). Electronică analogică, electronică digitală, Craiova:Editura Arves

Dumitrache, Ioan. (2005). Ingineria reglării automate, București: Editura Politehnica Press

Florea, Simion. (1974). Echipamente de automatizare pneumatice și hidraulice, București: Atelierul de multiplicare IPB

Florea, Simion. ș.a. (1980). Electronică industrială și automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Ionescu, Gabriel. ș.a. (1977). Aparatură pentru automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Mareș, Florin. ș.a. (2008). Module de automatizare, Galați:Editura Pax Aura Mundi

Mihoc, Dan. ș.a. (1979). Automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Mihoc, Dan. ș.a. (1984). Aparate electrice și automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Popescu, Stelian. ș.a. (1979). Echipamente electrice și electronice, București:Editura Didactică și Pedagogică

Rădoi, Constantin. ș.a. (1996). Aparate, echipamente și instalații de electronică profesională, București:Editura Didactică și Pedagogică

Tertișco, Mihai. ș.a. (1991). Automatizări industriale continue, București:Editura Didactică și Pedagogică