SENZORI DE TEMPERATURĂ, LUMINĂ ȘI APĂ
PROIECT DE DIPLOMĂ
Senzori
CUPRINS
INTRODUCERE
CAPITOLUL I
SENZORI DE TEMPERATURĂ, LUMINĂ ȘI APĂ
CONSIDERAȚII GENERALE
1.1.1. Caracteristici generale ale senzorilor și traductoarelor
1.1.2. Clasificarea senzorilor
1.1.3. Caracteristici și performanțe generale ale senzorilor
1.1.4. Caracteristici și performanțe în regim staționar ale senzorilor
1.1.5. Principii de funcționare ale senzorilor
1.1.6. Principii fizice de funcționare ale senzorilor pasivi
1.2. SENZORI DE TEMPERATURĂ
1.2.1. Instrument virtual pentru măsurarea temperaturii
1.2.2. Termocuplul ca traductor de temperatură
1.2.3. Traductoare de temperatură
1.3. SENZORI DE LUMINĂ
1.3.1. Efecte fotoelectrice
1.3.2. Mărimi fotometrice. Surse de radiații luminoase
1.3.3. Construcția senzorilor fotoelectrici
1.3.4. Senzorii de lumină CCD
1.3.5. Senzorii de lumină CMOS
1.4. SENZORI DE APĂ
1.4.1. Temperatura și umiditatea relativă a aerului
1.4.2. Umectarea frunzelor
1.4.3. Pluviometru (Rain – O – Matic)
1.4.1. C – Probe, senzor pentru măsurarea conținutului de apă din sol
1.4.5. Aquaflex, senzor pentru măsurarea conținutului de apă din sol
1.4.6. Watermark, senzor pentru măsurarea conținutului de apă din sol
1.4.7. Nivelul apei
1.4.8. Senzor de apă pentru puțuri de mare adâncime
1.4.9. Conductibilitatea apei
CAPITOLUL II
ELEMENTE DE PROIECTARE
2.1. SENZORUL DE TEMPERATURĂ
2.2. SENZORUL DE LUMINĂ
CAPITOLUL III
APLICATII PRACTICE
BIBLIOGRAFIE
INTRODUCERE
Senzorul este definit ca fiind “un dispozitiv care detectează sau măsoară unele condiții sau proprietăți și înregistrează, indică sau uneori răspunde la informația primită”. Astfel, senzorii au funcția de a converti un stimul într-un semnal măsurabil, cuprinzând atât traductorul, care transformă mărimea de intrare în semnal electric util, cât și circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor, și eventual pentru prelucrarea și evaluarea informațiilor. Stimulii pot fi mecanici, termici, electromagnetici, acustici sau chimici la origine, în timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică, deși pot fi folosite semnale pneumatice, hidraulice, optice sau bioelectrici.
În gestionarea proceselor industriale, deosebit de importante sunt sistemele inteligente de conducere, sisteme ce sunt bazate pe sisteme de calcul integrat sau nu.
Senzorii și traductoarele elemente esențiale ale sistemelor de automatizare a dispozitivelor civile și industriale și se bazează pe un domeniu larg de principii fizice de operare. De asemenea sunt utilizați și în cazul cercetării, analizelor de laborator – senzorii și traductoarele fiind incluse în lanțuri de măsurare complexe, care sunt conduse automat.
Exista foarte multe clasificări ale senzorilor si traductoarelor: cu sau fără contact, absoluți sau incrementali (in functie de mărimea de intrare), analogici sau digitali (în funcție de mărimea de ieșire) etc.
Alegerea senzorilor si traductoarelor trebuie făcută ținând cont de proprietatea de monitorizat, de domeniul în care variază aceasta, de dimensiunile ce trebuie respectate sau de geometria sistemului, de condiții speciale de mediu sau de lucru, de tipul mărimii de ieșire și nu în ultimul rând de cost.
Astfel pot fi identificați senzori de proximitate, traductoare de tip Hall, traductoare de deplasare si viteză, senzori și traductoare de forță, senzori de temperatură, senzori de umiditate, senzori pentru gaze, senzori de curent, switch-uri optice, senzori de presiune, cititoare de coduri de bare etc
Prin senzori se înțeleg ansambluri de dispozitive sensibile care permit determinarea unui câmp de valori pentru o mãrime fizicã într-o manierã similarã cu organele de simț umane.
Senzorii permit obținerea de imagini sau hãrți ale unei scene prin cãi similare/analoge omului. Aceastã afirmație trebuie înțeleasã în sensul definiției introduse, adicã câmpul de valori obținut cu ajutorul senzorilor trebuie prelucrat în vederea redãrii cât mai corecte a imaginii achiziționate, deci aceasta sã aibã o reprezentare similarã celei formate în modul de gândire umanã.
Prin prisma definiției, un senzor realizeazã aceeași funcție ca și un traductor, adicã percepe starea unei mãrimi fizice pe care o convertește în semnal electric; structura funcționalã a unui senzor respectã aceeași schemă ca a traductorului. Aceasta explicã de ce cele douã noțiuni sunt folosite frecvent în explicarea principiilor funcționale pentru diferite structuri constructive.
Totuși, senzorilor le sunt specifice cel puțin trei caracteristici:
miniaturizarea, care permite realizarea de mãsurãri (determinãri) “punctuale”ale mãrimilor investigate;
multiplicarea funcționalã, adicã existența în structura unui senzor a unui numãr mare de dispozitive sensibile care îndeplinesc aceeași funcție, dispuse liniar sau matricial;
fusiunea senzorială, care presupune reuniunea mai multor senzori într-o configurație unică, pentru a asigura o funcționalitate dorită.
Aceste caracteristici, împreunã cu proprietatea de “imitare” a simțurilor umane, fac ca senzorii sã se diferențieze de traductoare. Exemplificare: fenomenul de piezoelectricitate folosit atât în construcția traductoarelor de forțã cât și a senzorilor tactili.
C A P I T O L U L l
SENZORI DE LUMINĂ, TEMPERATURĂ ȘI APĂ
1.1. CONSIDERAȚII GENERALE
1.1.1. Caracteristici generale ale senzorilor și traductoarelor
Cuvântul “senzor” este derivat din cuvântul latin sentire care înseamnã “a percepe”, în timp ce “traductor” din transducere care înseamnã “a traversa”. O definiție de dicționar atribuie cuvântului “senzor” semnificația de “dispozitiv care detecteazã o schimbare într-un stimul fizic și o transformã într-un semnal care poate fi mãsurat sau înregistrat”, în timp ce pentru cuvântul “traductor” definiția este de “dispozitiv care transferã putere de la un sistem la altul în aceeași formã sau în una diferitã”.
Delimitare sensibilã între cele douã noțiuni: se poate folosi cuvântul “senzor” pentru elementul sensibil însuși, iar cuvântul “traductor” pentru elementul sensibil și circuitele asociate.
Senzorul este legat de modalitatea de percepție a mãrimilor mãsurate, sugerând o similitudine cu comportamentul uman în maniera de a obține informație despre cantitãțile fizice.
Senzorii sunt dispozitive de mãrimi reduse (miniaturi), care permit determinãri “punctuale” ale mãsurandului, ceea ce conduce la extensia definiției cãtre “arie” / “matrice” de senzori.
Prin senzorii sunt ansambluri de dispozitive sensibile care permit determinarea unui câmp de valori pentru o mãrime fizicã într-o manierã similarã cu organele de simț umane.
Un senzor realizeazã aceeași funcție ca și un traductor, adicã percepe starea unei mãrimi fizice pe care o convertește în semnal electric.
Structura funcționalã a unui senzor respectã aceeași schemă ca a traductorului. Aceasta explicã de ce cele douã noțiuni sunt folosite frecvent în explicarea principiilor funcționale pentru diferite structuri constructive.
Senzorilor le sunt specifice trei caracteristici:
► miniaturizarea, care permite realizarea de mãsurãri (determinãri) “punctuale”ale mãrimilor investigate;
► multiplicarea funționalã, adicã existența în structura unui senzor a unui numãr mare de dispozitive sensibile care îndeplinesc aceeași funcție, dispuse liniar sau matricial;
► fusiunea senzorială, care presupune reuniunea mai multor senzori într-o configurație unică, pentru a asigura o funcționalitate dorită.
Aceste caracteristici, împreunã cu proprietatea de “imitare” a simțurilor umane, fac ca senzorii sã se diferențieze de traductoare.
Multiplicarea funcționalã specificã senzorilor face ca și partea de prelucrare localã sã fie diferitã – chiar principial – de cea a traductoarelor, aspect care conduce la o diferențiere suplimentarã pentru cele douã noțiuni.
Traductorul este un dispozitiv care convertește un semnal de o anumitã naturã fizicã într-un semnal corespunzãtor având o naturã fizicã diferitã.
Traductorul este un element al sistemelor automate care furnizeazã indicații cantitative sistemelor de control/comandã despre procesul automatizat.
Un traductor este un convertor de energie, iar semnalul de intrare are întotdeauna energie sau putere.
Puterea (care prin integrare dã energia) asociatã semnalului de intrare trebuie sã fie suficient de mare, pentru a nu fi perturbatã de cãtre traductor mãrimea de mãsurat, sau traductorul trebuie sã influențeze – prin circuitul sãu de intrare – neglijabil mãrimea de mãsurat (se spune cã puterea preluatã de la mãrimea de mãsurat trebuie sã fie sub o anumitã valoare denumitã putere disponibilã).
Deoarece existã clase diferite de semnale – mecanic, termic, magnetic, electric, optic și chimic – putem spune cã orice dispozitiv care convertește semnale dintr-o clasã în alta este considerat a fi un traductor (figura 1.).
Fig.1.
În aceastã accepțiune – semnalul de ieșire al traductorului poate fi de orice naturã fizicã utilã (folositoare). În practicã, numai acele dispozitive care oferã o ieșire electricã sunt denumite traductoare.
Semnalele electrice sunt folosite în majoritatea sistemelor de mãsurare, avantajele utilizãrii lor dupã cum urmeazã:
► traductoarele electrice pot fi proiectate pentru orice mãrime neelectricã prin alegerea unui material corespunzãtor pentru elementul sensibil (datoritã structurii electronice a materiei, orice variație într-un parametru neelectric va avea ca efect o variație corespunzãtoare a unui parametru electric);
► datoritã posibilitãților electronice de amplificare ale semnalului electric de ieșire, rezultã cã energia acestuia nu este alteratã în procesul de mãsurare;
►în prezent sunt disponibile un mare numãr de circuite de condiționare și prelucrare electronice; în unele structuri monolitice de traductoare electronice sunt incluse astfel de circuite;
►existã o mare gamã de opțiuni privind afișarea și înregistrarea informației într-o manierã electronicã; astfel de opțiuni permit combinarea datelor numerice cu texte, respectiv prezentarea sub formã de grafice și diagrame;
► transmisia semnalelor electrice este mult mai versatilã în comparație cu alte categorii de semnale.
Faptul cã în structura traductorului (figura 2) sunt prezente blocurile de prelucrare și de ieșire, sugereazã restricțiile (cerințele) care pot fi impuse semnalului de ieșire:
● proporționalitatea ieșirii cu mãrimea de mãsurat, ceea ce înseamnã cã la un traductor caracteristica staticã este liniarã;
● normalizarea semnalului electric de ieșire, prin impunerea unor limite inferioare și superioare de variație, indiferent de tipul și gama de variație a mãrimilor de intrare.
Cerințele anterior precizate pot fi mai relaxate atunci când traductoarele lucreazã împreunã cu sisteme de achiziție a datelor, urmate de structuri numerice de prelucrare.
Traductorul are un caracter dual:
de instrument de mãsurat;
de element tipic funcțional al sistemului de automatizare;
Traductorul trebuie sã furnizeze semnale care sã poatã fi interpretate, deci ieșirea lui este un semnal electric. Ieșirea trebuie sã fie proporționalã cu intrarea.
Traductorul este acel dispozitiv care stabilește o corespondențã între o mãrime fizicã (parametru de proces) variind într-un anumit domeniu prestabilit și un semnal electric calibrat concordant unei stãri/situații de mãsurare.
Ținând seama de faptul cã traductorul este o componentã a sistemului automat, îl vom reprezenta ca în figura 2, care corespunde definiției anterior enuntate:
Fig. 2.
1.1.2. Clasificarea senzorilor
Multitudinea senzorilor este deosebit de mare deoarece există un număr considerabil de mărimi de măsurat și o multitudine de fenomene care stau la baza conversiei.
Extinderea senzorilor electrici se datorează:
– avantajelor metodelor electrice de măsură: exactitate, sensibilitate, transmitere la distanță a informațiimpuse semnalului de ieșire:
● proporționalitatea ieșirii cu mãrimea de mãsurat, ceea ce înseamnã cã la un traductor caracteristica staticã este liniarã;
● normalizarea semnalului electric de ieșire, prin impunerea unor limite inferioare și superioare de variație, indiferent de tipul și gama de variație a mãrimilor de intrare.
Cerințele anterior precizate pot fi mai relaxate atunci când traductoarele lucreazã împreunã cu sisteme de achiziție a datelor, urmate de structuri numerice de prelucrare.
Traductorul are un caracter dual:
de instrument de mãsurat;
de element tipic funcțional al sistemului de automatizare;
Traductorul trebuie sã furnizeze semnale care sã poatã fi interpretate, deci ieșirea lui este un semnal electric. Ieșirea trebuie sã fie proporționalã cu intrarea.
Traductorul este acel dispozitiv care stabilește o corespondențã între o mãrime fizicã (parametru de proces) variind într-un anumit domeniu prestabilit și un semnal electric calibrat concordant unei stãri/situații de mãsurare.
Ținând seama de faptul cã traductorul este o componentã a sistemului automat, îl vom reprezenta ca în figura 2, care corespunde definiției anterior enuntate:
Fig. 2.
1.1.2. Clasificarea senzorilor
Multitudinea senzorilor este deosebit de mare deoarece există un număr considerabil de mărimi de măsurat și o multitudine de fenomene care stau la baza conversiei.
Extinderea senzorilor electrici se datorează:
– avantajelor metodelor electrice de măsură: exactitate, sensibilitate, transmitere la distanță a informațiilor, posibilitate de prelucrare.
– avantajelor senzorilor electrici: simplitate constructivă, adaptabilitate, prelucrarea simplă a informațiilor.
Clasificarea generală a senzorilor se face din următoarele puncte de vedere:
În funcție de locul de culegere a informațiilor deosebim:
a) senzori de contact, folosiți pentru determinarea proprietăților fizice ale obiectului
respectiv pentru măsurarea presiunii dintre obiect și dispozitivul de prehensiune sau a lunecării obiectului față de dispozitivul de prehensiune;
b)senzori de zonă apropiată (de proximitate) de tip: optic, pneumatic sau electromagnetic, care dau informații fără a avea contact fizic cu obiectul;
c) senzori de zonă îndepărtată, de tip acustic cu ultrasunete sau cu camere video, respectiv cu radiații infraroșii;
După proprietățile obiectelor pe care le pun în evidență deosebim:
a) senzori pentru evaluarea formei și dimensiunilor geometrice (deplasare);
b) senzori pentru determinarea proprietăților fizice ale obiectelor (efort, cuplu, densitate, presiune, debit, etc)
c)senzori pentru determinarea proprietăților chimice ale obiectelor (concentrație, compoziție, analizoare chimice, etc)
Din punct de vedere constructiv deosebim:
a) senzori activi (generatori), la care se realizează conversia energiei mărimii de măsurat în energie electrică;
b) senzori pasiv i(parametrici), la care se utilizează o sursă auxiliară de energie, ai cărui parametri depind de caracteristicile mărimii de măsurat.
După tipul semnalului furnizat la intrare deosebim:
a) senzori pentru mărimi fizice (deplasare, viteză, efort, cuplu, presiune, câmp magnetic, temperatură);
b) senzori pentru mărimi chimice (concentrație, analiza gazelor, pH);
c) senzori biologici (tactili, vizuali, auditivi, zaharuri, proteine)
După tipul semnalului furnizat la ieșire deosebim:
a) senzori analogici, la care semnalul continuu de ieșire urmărește variațiile mărimii aplicate la intrare;
b) senzori numerici, la care semnalul discontinuu de ieșire sub formă de impulsuri, reprezintă modul de variație a mărimii de măsurat;
c) senzori simbolici, care operează cu mărimi simbolice (mare, mic, colosal) și furnizează informații numerice și simbolice.
Atât în literatura de specialitate, cât si în produsele de firmã, se întâlnește noțiunea de traductor/senzor inteligent (smart sensor/transducer/transmitter), referințele tehnice fãcându-se pentru cazul folosirii acestora prin intermediul unei magistrale de câmp. Evident, “inteligența” unui astfel de dispozitiv trebuie înțeleasã prin organizarea traductorului în jurul unei unitãți procesoare (fie microprocesor, fie microcontroler), care, pe lângã asigurarea comunicației prin intermediul magistralei de câmp, permite efectuarea unor operații suplimentare ca:
funcția de prelucrare (operații matematice de calcul, compararea cu limite de bunã funcționare, liniarizarea caracteristicii statice a elementului sensibil);
autoetalonarea, prin folosirea unor circuite de compensare automatã a influenței mediului, corecția erorilor de derivã a nulului, eliminarea erorilor sistematice, diminuarea eorilor aleatoare prin calculul unor valori medii;
autotestarea, la pornire și/sau periodicã, cu afișarea componentei/blocului defect.
Numai funcția de comunicație nu conduce automat la definirea traductorului ca fiind unul inteligent (existã în prezent, circuite care atașate în ieșirea unui traductor clasic fac posibilã interfațarea acestuia la o magistralã de câmp; un traductor / element de acționare care are atașat un circuit de cuplare la interfațã îl vom denumi terminal inteligent).
Clasificarea generală a traductoarelor se face din următoarele puncte de vedere:
a) Dupã necesitatea existenței unei surse auxiliare de activare pentru obținerea semnalului de intrare se disting:
● traductoare active sau de tip generator;
● traductoare pasive sau de tip parametric.
b) Dupã semnalul de ieșire distingem:
● traductoare analogice;
● traductoare numerice.
● traductoare cvasinumerice.
c) Dupã principiul de funcționare care stã la baza transferului de energie intrare-ieșire avem:
● traductoare lucrând în regim dezechilibrat;
● traductoare cu echilibrare automatã.
d) Dupã dinamica exprimatã prin relația intrare-ieșire, traductoarele se pot clasifica în:
● sisteme de ordinul 0 (sau de tip proporțional);
● 1 (element de întârziere de ordinul I);
● 2 (element de întârziere de ordinul II);
● de ordin mai mare.
e) O clasificare foarte rãspânditã a traductoarelor este în funcție de mărimea măsurată.
Există traductoare de: temperaturã, presiune, debit, nivel, umiditate, poziție, vitezã, accelerație, forțã, cuplu etc.
f) După principiul funcțional care stă la baza realizării părții de intrare a traductorului:
● rezistive, capacitive, inductive (parametrice);
● cu acumulare de sarcină electrică, cu generare de tensiune electrică/curent electric (generatoare).
1.1.3. Caracteristici și performanțe generale ale senzorilor
Caracteristicile generale ale senzorilor reflectă interdependența dintre mărimile de intrare și de ieșire sub aspect funcțional. Acestea sunt:
caracteristici de intrare, care reflectă interacțiunea dintre mărimile de intrare și obiectul supus măsurării, ca în cazul impedanței de intrare(electrică, mecanică, acustică);
caracteristici de transfer, care reprezintă relația dintre o mărime de intrare și o mărime de ieșire, fără a ține cont de celelalte elemente ale sistemului de măsură;
caracteristici de ieșire, care reflectă interacțiunea mărimilor de ieșire cu elementul cu care este cuplat la ieșire.
Pe lângă aceste caracteristici generale mai există și caracteristici specifice, care nu intervin direct în relația de dependență dar condiționează calitățile tehnice și economice ale senzorilor. Din această categorie fac parte: fiabilitatea, consumul de energie electrică, protecția împotriva marimilor perturbatoare etc.
1.1.4. Caracteristici și performanțe în regim staționar ale senzorilor
Regimul staționar se caracterizează prin aceea că parametrii specifici mărimilor de intrare și ieșire nu variază în timp.
Această condiție se poate exprima din punct de vedere matematic prin valoarea nulă a derivatelor mărimilor specifice în raport cu timpul.
Deoarece senzorul funcționează în corelație cu mărimea de măsurat (măsurândul) și cu parametrii specifici mediului ambient (temperatură, umiditate, presiune etc), caracterizarea perfor- manțelor senzorului se face pentru anumite condiții de referință și în urma operației de calibrare.
Calibrarea este operația prin care se aplică la intrarea senzorului, o serie de valori
cunoscute ale măsurândului și se înregistrează valorile corespunzătoare ale mărimii de ieșire.
1.1.5. Principii de funcționare ale senzorilor
După principiul principiul de funcționare senzorii se împart în două categorii:
senzori activi
senzori pasivi
a) Senzori activi (generatori) efectuează transformarea directă a energiei mărimii
de măsurat, într-o energie asociată mărimii de ieșire, de regulă o mărime electrică. Pentru a nu se perturba mărimea de măsurat și a nu afecta exactitatea măsurării, este necesar ca energia necesară formării semnalului de ieșire y(t) preluată chiar de la fenomenul studiat, să fie suficient de mică.
Senzorii activi furnizează un semnal electric, de obicei o tensiune electrică. Acești senzori sunt întâlniți în literatura de specialitate și sub denumirea de senzori generatori sau senzori energetici.
Exemple de senzori generatori sau energetici sunt: senzorii termoelectrici, senzorii de inducție, la care mărimea de intrare este transormată direct într-o tensiune electrică.
Marele avantaj pe care îl prezintă acești senzori, constă în posibilitatea de măsurare directă a mărimii de ieșire cu un mijloc electric de măsurare.
b) Senzori pasivi (parametrici) sunt destinați măsurării unor mărimi, care nu permit
eliberarea energiei de măsurare. Senzorii pasivi prezintă ca mărime de ieșire, o impedanță electrică sau componente ale acesteia: rezistență, capacitate, inductanță.
Senzorii pasivi se mai numesc și senzori parametrici sau modulatori. Pentru formarea semnalului de ieșire în cazul senzorilor parametrici, este necesară folosirea unei surse auxiliare de energie. Ansamblul senzor pasiv – sursă de alimentare crează semnalul electric, ai cărui parametrii (amplitudine, frecvență) sunt dependenți de caracteristicile mărimii de măsurat.
Exemple de senzori parametrici sunt: termorezistențele, fotorezistențele, traductorii capacitivi și inductivi de deplasare etc.
1.1.6. Principii fizice de funcționare ale senzorilor pasivi
Conversia unor mărimi de natură neelectrică în mărimi electrice se bazează pe
legile fizice care reflectă dependența parametrilor electrici ai senzorilor pasivi (rezistență, inductivitate, capacitate) la variația mărimilor neelectrice (lungime, secțiune, constante de material precum: rezistivitatea electrică, permeabilitatea magnetică sau permitivitatea dielectrică).
Senzorii rezistivi se bazează pe variația de către mărimea de măsurat a unuia dintre parametri care determină rezistența electrică R a unui element de circuit.
Variația lungimii senzorilor rezistivi se întâlnește la senzorii potențiometrici de deplasare și la senzorii tensometrici.
Senzorii de deplasare sunt realizați sub formă de potențiometre, liniare sau rotative, realizați dintr-un fir calibrat bobinat pe suport izolant și un cursor care modifică deplasarea.
Variația rezistivității senzorilor rezistivi se întâlnește la construcția termorezistoarelor și termistorilor, a senzorilor foto și piezorezisativi sau unor senzori de umiditate.
Senzori inductivi se bazează pe variația de către mărimea de măsurat a unuia dintre parametric care determină inductivitatea proprie L a unui element sau a inductivităților mutuale a două elemente vecine.
Variația inductivității proprii prin modificarea lungimii și/sau secțiunii circuitului magnetic se întâlnește la senzorii de deplasare sau viteză cu armătură mobilă.
Variația inductivității mutuale prin modificarea ariei secțiunii circuitului magnetic se folosește la construcția senzorilor de deplasare de tip diferențial sau de tip inducto
Variația permeabilității magnetice se întâlnește la senzorii de proximitate și la senzorii de tip
presductor, bazați pe efectul magnetoelastic, la care permeabilitatea se modifică sub acțiunea efortului.
Senzorii capacitivi se bazează pe variația de către mărimea de măsurat a unuia dintre parametrii care determină capacitatea unui condensator.
Variația secțiunii armăturilor sau a distanței dintre armături se folosește la construcția senzorilor de deplasare.
Variația permitivității se întâlnește la construcția senzorilor de proximitate sau de umiditate.
1.2. SENZORI DE TEMPERATURĂ
Temperatura este una din mărimile neelectrice cel mai des întâlnită ca necesitate de măsură în practică, are din acest motiv, o documentare asupra traductoarelor și schemelor de măsură foarte bogată.
Metodele de măsurare electrică a temperaturii sunt variate, ele putându-se clasifica după următoarele criterii:
– forma expresiei mărimii măsurate (măsurări analogice, măsurări numerice). Principiul măsurării analogice implică următoarele metode de măsurare: modulația în amplitudine, în frecvență, în fază, în impulsuri. Principiul măsurării numerice folosește coduri.
– tehnica măsurării prin numărare (contoare), prin deviație, prin comparație.
– valoarea de referință a mărimii măsurate (se disting măsurători absolute care se referă la o valoare de referință zero și măsurări diferențiale la care se ia ca valoare de referință o mărime de comparație arbitrară)
– variația mărimii de măsurat (măsurări statice, cuasistatice, dinamice)
Elementele sensibile cu frecvența de utilizare cea mai mare a traductoarelor, bazate pe efecte termoelectrice, sunt termocuplul, termorezistențele, termistoarele, peliculele resistive, semiconductoarele; acestea se prezintă în diverse tipodimensiuni și forme constructive, recomandabile unei anumite aplicații sau pentru un domeniu mai larg, dând astfel posibilitatea utilizatorului să implementeze soluția optimă.
1.2.1. Instrument virtual pentru măsurarea temperaturii
a) Introducere
Temperatura este mărimea neelectrică cea mai des măsurată.
Eroarea de măsură se datorează efectelor de schimbde căldură dintre senzor și mediu. Evaluarea erorii de măsurare se face prin calculul răspunsului senzorului, aceastp eroare fiind cu atât mai mică, cu cât conductanța termică senzor – corp este mai mare. O altă sursă de eroare poate fi încălzirea senzorului, datorită curentului propriu care trece prin senzor (mai ales în aczul traductoarelor parametrice).
Marea varietate a traductoarelor se mai datorează și caracteristicilor constructive ale lor, acre sunt determinate de mediile în care ele trebuie să funcționeze.
Fenomenele care stau la baza funcționării senzorilor de temperatură, prezintă la fel o mare diversificare. Conversia temporară – mărime electrică făcută de senzor, se realizează pe baza efectelor produse de câmpul termic asupra diferitelor materiale conductoare sau semiconductoare.
Efectele produse de temperatură asupra diferitelor corpuri cu care vin în contact direct sau indirect, sunt: dilatarea, modificarea dimensiunilor solidelor sau modificarea volumului lichidelor, variația conductivității electrice la materiale conductoare sau semiconductoare, modificarea proprietăților magnetice în cazul unor materiale magnetizabile, apariția și variația unei tensiuni electromotoare (pentru senzori activi), variația intensității și a spectrului radiației emise de corp, precum și modificarea frecvenței de rezonanță proprie a materialului.
Traductoarele de temperatură, pe lângă realizarea conversiei temperatură – mărime electrică, trebuie să aibă și alte proprietăți, cum sunt: sensibilitate, reproductibilitate, timp de răspuns mic, liniaritate pe un domeniu cât mai mare, montare și interschimbabilitate rapidă și ușoară. Ele trebuie să fie protejate împotriva unor eventuale acțiuni distructive mecanice sau chimice. Aceste protecții care se adaugă în timpul realizării traductoarelor duc la scăderea performanțelor acestora.
Pentru a face o alegere corectă a senzorului de temperatură, trebuie analizate prima dată cerințele legate de intervalul de temperatură în care trebuie să funcționeze, timpul de răspuns, sensibilitatea, precizia cu care se stabilește temperatura, temperatura maximă la care va fi supus senzorul, timpul de utilizare, dacă sesizarea se afce cu sau fără contact și, nu în ultimul rând, costurile care sunt direct proporționale cu precizia senzorului și cu modul de montare al lui.
Traductoarele de temperatură pot fi folosite și la măsurarea indirectă a altor mărimi neelectrice, ca de exemplu: debit, viteză, valoare efectivă a tensiunii sau a curentului, presiunii joase.
Foarte des, sunt utilizați termorezistențele mai ales Pt100, termistoarele (NTC), diferite tipuri de termocupluri, care acoperă o gamă largă de temperatură.
Senzorul de temperatură LM335
Caracterstica curent – tensiune a joncțiunii p – n este influențată de temperatura mediului, conform relației (1):
(1)
Folosind această dependență s-au realizat senzori de temperatură de tip semiconductor, utilizabile cu amre precizie în domeniul de temperatură -50oC + 150oC.
Senzorii din seria LM135, LM235, LM335 sunt senzori de temperatură integrate de precizie și ușor de echilibrat. Circuitul integrat simulează funcționarea unei diode zener având tensiunea de tăiere proporțional cu temperatura, coeficientul de temperatură fiind 10mV/oK. Rezistența dinamică este de 1 Ω și lucrează într-un domeniu de curent de 400μA și 5mA. Caracteristica de ieșire este liniară și prezintă o eroare tipică mai mică de 1oC pe domeniul de variație a temperaturii de 100oC.
Tipul LM335 lucrează în domeniul de temperatură de 40oC până la 100oC.
În fig. 1. se arată configurația de bază a senzorului și modul de calibrare folosind pinul ADJ.
Fig. 1. Conexiunea de abză și calibrarea senzorului LM335
Expresia tensiunii de ieșire este:
T
VT = VTo x —— (2)
To
unde VTO este tensiunea de ieșire la temperatura To.
Prin calibrarea ieșirii la o temperatură, ieșirea va fi corectă pe tot domeniul de temperatură. Pentru asigurarea preciziei și sensibilității, trebuie evitat încălzirea proprie cauzată de curentul prin senzor.
Pentru acesta, rezistenta R1 de pe figura 1 se dimensionează astfel ca senzorul să lucreze la un curent cât mai mic. Dacă mediul ambiant are o rezistență termică constantă, eroară dată de încălzirea proprie se poate compensa.
În figura 2. se arată circuitul de condiționare realizat pentru senzorul LM335.
Fig.2. Circuitul de condiționare a senzorului LM335
Senzorul este legat într-o configurație de puncte, iar amplificatorul operațional lucrează în conexiune diferențială. Din rezistența R6 se reglează referința, iar din R7 amplificarea astfel ca să se utilizeze toată plaja de avriație a tensiunii de intrare în convertorul analog – digital.
c) Sistemul de achiziție a temperaturii.
Măsurarea și urmărirea temperaturii se face în două puncte diferite. Corespunzător, sistemul de achiziție de date va avea două canale, care vor fi selectați unu după alta prin intermediul unui multiplexor analogic. Fiind vorba de un fenomen lent, variabil selectarea și prelucrarea serială a datelor nu va afecta precizia măsurării.
În figura 3. se prezintă schema bloc a sistemului de achiziție pentru urmărirea temperaturii.
Fig.3. Schema bloc a sistemului de achiziție pentru urmărirea temperaturii
Multiplexorul de tip 451 are 8 canale de intrare din care se utilizează doar 2, canalele se selectează prin liniile de selectare A, B, C, alimentarea făcându-se între 5V și masă. Convertorul analog – digital ADC0804 este controlat prin liniile: , comanda Start conversie dând din calculator după selectarea canalului respectiv.
Diagrama de timp a convertorului se prezintă în figura 4.
Fig. 4. Diagrama de timp a convertorului ADC0804
Interfațarea convertorului cu portul paralel al calculatorului, se face prin multiplexorul digital de tip 4157, permițând citirea datelor grupate câte 4.
Figura 5. arată modul de conectare a convertorului la portul paralel al calculatorului.
Fig.5. Conectarea convertorului A/d la calculator
d) Instrumentul virtual pentru urmărirea variațiilor de temperatură
Urmărirea variațiilor de temperatură s-a realizat cu ajutorul unui instrument virtual folosind mediul de programare LabWindows/CVI.
În figura 6 se prezintă panoul frontal al instrumentului.
Panoul frontal al instrumentului este împărțit în 5 zone, fiecare conținând batoane respectiv câmpuri de afișare corespunzător câmpului.
Prima de Control arată starea instrumentului, conține butonul de cuplare și LED-ul pentru afișarea stării instrumentului. Butonul de pornire în poziția Off inactivează celelalte comenzi.
Zona Domeniu de temperatură conține 2 butoane pentru selectarea limitelor minime și maxime între care se dorește menținerea acestuia. Sub butoanele rotative, se afișează valoarea exactă reglată, dar se permite și înscrierea valorilor limită de temperatură. Limitele apar cu culori diferite pe graficele temperatură – timp. Variația reală de temperatură se desenează cu culoarea albastră. Dacă limitele de temperatură sunt depășite, se aprind becurile de avertizare, sub limita respectiv peste limită. În aceste situații se dă comanda elementului de execuție (un releu) pentru cuplarea sau decuplarea încălzirii incintei unde trebuie controlată temperatura.
Câmpurile Senzorul 1 și Senzorul 2 sunt identice, ele permit vizualizarea sub formă grafică a variațiilor de temperatură, în timp, defectate de cei 2 senzori de timp LM335. variațiile de temperatură sunt automat salvate în fișiere (Temp 1 și Temp 2) pentru o eventual analiză ulterioară. Urmărirea temperaturii se face și cu ajutorul unor termometre numerice, iar valoarea exactă apare și în cele 2 afișoare numerice.
Ultima zonă conține butoane pentru controlul instrumentului și al panoului. Butonul de Start pornește măsurarea, selectarea serială a canalelor, conversia și achiziția datelor, respectiv afișarea temperaturii actuale. După pornire, butonul se transformă într-una de oprire (Stop), prin apăsarea repetată se suspendă măsurarea și afișarea datelor. Printr-o nouă acționare se reiau măsurătorile.
În final, butonul Quit permite ieșirea din program, dar nu înaintea opririi măsurătorilor și decuplarea instrumentului.
Fig.6. Panoul frontal al instrumentului virtual pentru măsurarea temperaturii
e) Concluzii
În cadrul acestui articol, s-a prezentat partea de hard al unui sistem de achiziție pentru măsurarea și reglarea temperaturii în 2 puncte diferite, cu ajutorul unui instrument virtual, precum și panoul frontal al instrumentului prin care se controlează achiziția de adte și afișajul.
Sistemul realizat mai poate fi utilizat și în scop educativ, modul de realizare a instrumentelor virtuale, posbilități de prezentare a datelor măsurate, comanda convertorului ADC0804.
Sistemul poate fi completat pe partea de reglare a temperaturii cu diferite tipuri de sisteme de reglare.
1.2.2. Termocuplul ca traductor de temperatură
Termocuplul reprezintă un mijloc de măsurare a temperaturii cu largă răspândire în industrie și cercetare, acolo unde temperatura constituie cauza sau efectul diferitelor procese.
Larga răspândire a acestui senzor este dictată de avantajele pe care le oferă în comparație cu alte mijloace de măsurare a temperaturii și anume:
construcție simplă și preț de cost scăzut;
asigură măsurarea într-un interval foarte mare de temperatură (-200/3000)grade Celsius ;
poate fi conectat direct la diferite dispozitive indicatoare, înregistratoare sau de comandă;
timp de răspuns mic pentru unele variante constructive;
poate fi folosit la măsurarea gazelor sau al oricărui alt mediu care nu radiază suficientă energie ca să poată fi măsurată prin metodele pirometriei optice.
Dintre dezavantaje putem menționa:
îmbătrânirea lui datorită folosirii la temperaturi foarte apropiate de temperaturilepunctelor de topire ale materialelor din care sunt confecționați termoelectrozii;
variația temperaturii joncțiunii de măsurare față de temperatura de măsurat, lucru ce apare în special la măsurarea temperaturilor de suprafață;
imposibilitatea folosirii termocuplului la măsurarea temperaturii corpurilor în mișcare.
Termocuplul face parte din categoria elementelor sensibile generatoare, motiv pentru care adaptoarele acestora sunt de tipul amplificator de curent continuu. Pentru realizarea adaptoarelor se au în vedere o serie de particularități:
valoarea redusă a t.t.e.m generate de termocuplu impune folosirea de amplificatoare cu impedanță mare de intrare, tensiune de offset și derivă termică mici;
neliniaritatea caracteristicii statice implică folosirea de scheme de liniarizare cu atât mai performante cu cât precizia urmărită este mai mare;
compensarea joncțiunii de referință;
protecția circuitelor electrice și electronice la întreruperea termocuplului sau la apariția unor semnale parasite datorate deteriorării senzorului (având în vedere sensibilitatea amplificatorului de intrare);
modalități de conectare în circuit pentru termocupluri cu două, trei sau patru fire.
Tensiunea termoelectromotoare ce apare în circuitul unui termocuplu format din doi conductori omogeni este rezultatul unei acțiuni concomitente a două efecte:
Efectul Thomson
Dacă extremitățile unui conductor se află la temperaturi diferite (T1<T2), diferite porțiuni din conductor se află la temperature aflate în intervalul dat de cele două. Tensiunea termoelectromotoare ce se dezvoltă la capetele conductorului omogen se numește tensiune termoelectromotoare Thomson și depinde de natura conductorului și de mărimea diferenței de temperatură:
(1.1.)
Unde:
– coeficientul Thomson pentru metalul a
Din această relație rezultă că într-un circuit închis format dintr-un singur conductor tensiunea termoelectromotoare Thomson este egală cu zero indiferent de distribuția termică din conductor.
Efectul Seebeck
Acest efect constă în faptul că la locul de contact a doi conductori a si b apare o tensiune termoelectromotoare datorită concentrației diferite a purtătorilor de sarcină din cei doi conductori datorită diferenței de potențial ce apare ca urmare a contactului dintre ei (efectul Volta). Într-un circuit cum este cel din figura 1.2.1, tensiunea termoelectromotoare ce apare la joncțiunea cu temperatura T1 va avea semn opus tensiunii termoelectromotoare ce apare la cealaltă joncțiune și va diferi ca mărime de prima.
Pe lângă aceste două efecte, un rol important îl are și efectul Peltier caracterizat prin absorbția sau degajarea de căldură la contactul a două metale străbătute de un current electric I :
(1.2)
Unde:
= tensiunea electromotoare Peltier(de ordinal milivolților)
= timpul.
Tensiunea electromotoare ce apare în circuit se determină cu expresia:
(1.3)
tensiune ce pentru un cuplu dat depinde numai de valorile temperaturilor absolute la care se află joncțiunile.
Numeroase investigații efectuate asupra circuitelor termoelectrice au condus la stabilirea câtorva legi de bază, legi care, deși empirice, sunt acceptate unanim, cu toate că lipsește încă o dezvoltare teoretică corespunzătoare:
Legea metalelor omogene – Într-un circuit termoelectric,format dintr-un singur material
omogen, nu poate apărea un curent termoelectric prin încălzirea acestuia.
Legea metalelor intermediare – Suma algebrică a tensiunilor termoelectromotoare într-un
circuit compus dintr-un număr oarecare de materiale diferite este zero dacă circuitul se află la aceeași temperatură. Ca o consecință a aacestei legi se poate menționa că prin introducerea unui al treilea material omogen, într-un circuit thermoelectric, tensiunea termoelectromotoare rămâne neschimbată dacă cele două extremități ale materialului rămân la aceeași temperatură.
Legea temperaturilor successive sau intermediare – Dacă două metale omogene de natură
diferită produc o tensiune electromotoare E1 când joncțiunile sunt la temperaturile T1 și T2, și o tensiune electromotoare E2 când joncțiunile sunt la T2 și T3, tensiunea termoelectromotoare generată când joncțiunile sunt la T1 și T3 va fi E1+E2.
Când joncțiunea de referință se găsește la o temperatură constantă dar diferită de 0, valorile tensiunilor electromotoare corespunzătoare temperaturii de 0se determină cu relația:
(1.4)
Unde:
e = tensiunea electromotoare corespunzătoare temperaturii de 0oC
e= tensiunea electromotoare la temperatura t,
k = constantă cu următoarele valori în funcție de tipul termocuplului: 0.040 – Cupru – Constantan, NiCr-Ni și Cromel Alumel, 0.053 – Fier-Constantan, 0.006 – PtRh-Pt, etc.
Termocuplurile industriale au următoarele părți componente (fig.1.): termoelectrozi(a); teaca de protecție pe care se află dispozitivul de fixare (b); cutia de conexiuni (c) și placa de borne (d). Senzorii de construcție specială mai au în componență extensii pentru montaj (e), arcuri de compensare a dilatației termoelectrozilor și a vibrațiilor(f) și șunturi termice ce fac legătura între teacă și joncțiune(g).
Termoelectrozii sunt confecționați din materiale omogene (fără impurități, tensiuni mecanice și deformări) de natură diferită, care dezvoltă o tensiune electromotoare cât mai mare în funcție de temperatură, au o conductibilitate termică mare, coeficient mic de variație a rezistenței electrice cu temperatura, sunt ușor prelucrabile și rezistente la coroziune, șocuri mecanice și termice. Termoelectrozii sunt izolați electric unul față de altul pe toată lungimea lor.
Fig. 1. Termocuplu
Termoelectricitatea este relația dintre temperatura unei substanțe și energia electrică.
În anumite condiții, energia electrică și căldura pot fi convertite reciproc. Dacă variațiile energiei electrice datoarte conversiei ewnergiei termice pot fi măsurate, acestea pot fi corelate cu temperatura substanței.
Fig. 2.
Atunci când o pereche de două metale diferite sunt sudate formând o buclă închisă, iar cele două joncțiuni se află la temperaturi diferite (fig.2), bucla va fi parcursă de un curent electric a cărui intensitate depinde de diferența dintre temperaturile joncțiunilor. Acesta este efectul Seebeck care este folosit pentru măsurarea temperaturilor.
Pentru aceleași două metale diferite și o aceeași diferență la temperatură dintre joncțiuni, tensiunea electromotoare netă (suma algebrică a celor două tensiuni electromotoare) este aceeași. Ea poate fi măsurată și calibrată în unități de măsură a temperaturii.
Dacă cele două joncțiuni se află la aceeași temperatură, tensiunea electromotoare netă este nulă.în momentul în care temperatura uneia dintre cele două joncțiuni începe să se schimbe, apare o
tensiunea electromotoare netă, care este cu atât mai mare cu cât diferența dintre temperaturi este mai mare. Acesta este principiul pe care se bazează funcționarea termocuplului.
Fig.3
Termocuplul este compus din două fire metalice diferit sudate, astfel îmcât să formeze un circuit închis (fig.3). Sonda propriu-zisă este reprezentată de una din joncțiuni (joncțiunea de măsură sau joncțiunea caldă) care poate fi pusă într-o manta protectoare. Ea este plasată în mediul a cărui temperatură vrem să o măsurăm. Mărimea și sensul curentului care va parcurge circuitul atunci când joncțiunile se află la temperaturi diferite depinde de diferența de temperatură și de tipul metalelor folosite. De regulă, tensiunea electromotoare rezultantă este mică (de ordinul mV). Un voltmetru conectat în circuit reprezintă „ieșirea” pentru utilizator și este calibrat în unități de temperatură.
Pentru o bună acuratețe a rezultatelor, cea de a doua joncțiune (joncțiunea de referință sau joncțiunea rece) trebuie menținută la o temperatură constantă, eliminând astfel erorile datorate
driftutului termic. Joncțiunea de referință este denumită și joncțiune rece, chiar dacă temperatura ei (de regulă 0oC) poate fi mai mare decât temperatura joncțiunii de măsură.
Tensiunea electromotoare rezultantă nu este influențată de dimensiunile conductorilor, de ariile suprafețelor joncțiunilor sau de modul în care sunt sudate metalele.
Metalele tipice folosite pentru construcția termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel și crom, aliajele de aluminiu și nichel sau aliajele de nichel și cupru. Metalele care se împerechează cu acestea sunt: platina, cuprul și fierul. Incinta de protecție în care este introdusă joncțiunea de măsură trebuie să fie rezistentă din punct de vedere mecanic și la mediile corozive.
În Tabelul 1 sunt prezentate tipurile de termocupluri și caracteristicile lor, precum și notațiile internaționale folosite pentru ele, iar în fig.4 caracteristicile electrice ale lor.
Tabelul 1
Cromel – aliaj 90% Ni + 10% Cr
Constantan – aliaj 55% Cu + 45% Ni
Alumel – aliaj Ni + Al
Termocuplurile sunt folosite pe scară largă la măsurarea temperaturilor solidelir, lichidelor sau gazelor:
în furnale
metale topite
în reactoare nucleare
monitorizarea temperaturii în timpul operațiilor medicale
măsurarea temperaturii obiectelor foarte mici, de exemplu a componentelor electronice semiconductoare.
În general, ele sunt ieftine și versatile. Utilizând termocupluri, se pot măsura tempearturi de la 265oC până la 2300oC, cu o precizie care depinde de felul metalelor folosite pentru construcția lor. Dintre denzorii cu care temperatura se măsoară direct, termocuplurile acoperă cel mai larg domeniu de temperaturi. Ele răspund destul de rapid la variațiile de temperatură, dar au o acuratețe mai mică decât termometrele cu rezistență metalică.
Fig.4.
Cea mai la îndemână metodă de menținere la o temperatură constantă a joncțiunii de referimță, ear plasarea ei într-o baie de apă cu gheață aflată la 0oC. azi este însă mult mai practic să se folosească metode electronice de realizare a tensiunii de referință corespunzătoare temperaturii de 0oC, chiar adcă joncțiunea rece este la o altă temperatură.
În fig. 5 este prezentată o schemă bloc a unui circuit electronic destinat acestui scop.
Fig.5
Joncțiunea de referință aflată la o temperatură oarecare, este plasată într-un bloc izoterm a cărui temperatură t, este măsurată de un alt senzor de temperatură. Semnalul electric (curent sau tensiune) furnizat de senzor este aplicat unui circuit electronic care furnizează la ieșirea sa o tensiune (Ucomp) care compensează diferența dintre tensiunea joncțiunii la temperatura t și tensiunea ei la 0oC. Circuitul electronic de compensare poate fi realizat de exemplu cu un amplificator operațional conectat ca amplificator diferențial.
Analizând schema din fig.8 se poate observa că:
(1)
Tensiunea de la ieșirea comparatorului este funcție de temperatura blocului izoterm. Calibrarea dispozitivului de măsurare se face astfel: se plasează joncțiunea de măsură la 0oC și se ajustează amplificarea circuitului de compensare astfel încât tensiunea de ieșire să fie 0V.
În aceste condiții:
(2)
Substituind tensiunea de la ieșirea comparatorului dată de relația (9) în expresia tensiunii de ieșire dată de relația (8), se obține prin tensiunea de ieșire la o temperatură oarecare t1, expresia:
(3)
Este evident că relația precedentă este valabilă doar în condițiile în care temperatura joncțiunii de referință este menținută constantă prin intermediul blocului izoterm.
1.2.3. Traductoare de temperatură
Temperatura este o mărime fizică ce exprimă gradul de încălzire sau de răcire a unui corp în raport cu altul, considerat ca referință.
Temperatura se exprimă în grade Celsius (oC) sau în grade Kelvin (oK).
Obs. 1oC=1oK, iar [oC]= [oK] –273.
După modul în care senzorul preia energie de la mediul a cărui temperatură o măsoară, traductoarele de temperatură sunt: cu contact sau fără contact.
a) Traductoarele de temperatură cu contact sunt cele mai raspândite în aplicațiile industriale, datorită următoarelor avantaje: acoperă un domeniu larg de temperaturi (–200…+1600oC), au o precizie bună, au o construcție simplă, pot fi folosite în medii agresive (cu variații mari de presiune, cu umiditate ridicată, cu vibrații sau șocuri mari).
Aceste traductoare se împart în 3 categorii:
Traductoare bazate pe efecte termomecanice
Efectele termomecanice folosite sunt:
– dilatarea termică a lungimii (la traductoarele cu tijă sau cu bimetal) sau a volumului (la traductoarele termometrice, la care senzorul este constituit dintr-un rezervor cu lichid conectat la un tub capilar);
– variația presiunii cu temperatura (la traductoarele manometrice).
Releele termice cu tijă sau bimetal sesizează momentul atingerii unei temperaturi prescrise; în momentul respectiv se închide un contact electric.
Traductoare bazate pe efecte termoelectrice
Aceste efecte sunt variația rezistenței electrice (folosită la termorezistente), generarea unei tensiuni electrice (folosită la termocupluri), variația căderii de tensiune pe o joncțiune PN (folosită la senzorii semiconductori), toate determinate de variația temperaturii.
Traductoare bazate pe efecte speciale
De exemplu: modificarea cu temperatura a frecvenței de rezonanță mecanica a unei lamele de cuarț. O variatie a temperaturii determină o modificare a dimensiunilor
lamelei, a densității materialului și a modulului de elasticitate. Ca urmare, se modifică frecvența de rezonanță mecanică și parametrii R,L,C ai dipolului echivalent al lamelei de cuarț. Traductoarele cu cuarț se folosesc pentru măsurarea unei diferențe de tempe- ratură
b) Traductoarele de temperatură fără contact
– se folosesc pentru temperaturi ridicate (până la 3000…3500oC);
– senzorul se află în afara mediului a cărui temperatură trebuie măsurată;
– folosesc senzori care detectează radiațiile emise de corpurile încălzite;
– măsurarea temperaturii se bazează pe legile radiației termice, care evidențiază dependența energiei radiante de temperatura corpului care o emite;
– se mai numesc și traductoare de tip pirometric.
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 Tabelul 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatură, împreună cu câteva caracteristici semnificative ale lor.
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.
a) Senzori cu dispozitive semiconductoare
Se știe că intensitatea curentului prin joncțiunea unei diode semiconductoare poate fi exprimată cu ajutorul relației:
Unde:
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:
Relația precedentă este valabilă și pentru juncțiunea bază-emițor a unui tranzistor bipolar (fig.1) și, neglijând contribuția curentului de bază la curentul de colector, se poate scrie:
(1)
Exprimând tensiunea dintre bază și emițor din relația precedentă:
(2)
vom observa 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/e este de 26 mV.
Considerând o structură formată din n tranzitori identici conectați în paralel (fig.2), curenții de colector ai tranzistorilor vor fi și ei identici, astfel încât curentul total de colector al structurii va fi:
(3)
Astfel, tensiunea dintre bazele și emițătorii tranzistorilor va avea expresia:
(4)
Dacă o astfel de structură se asociază cu încă un tranzistor (T11) identic cu primii și cu o oglindă de curent (T12 și T13), se realizează un senzor de temperatură ca cel din fig.3.
Fig.2
Fig.3
Oglinda de curent asigură egalitatea curenților de colector pentru tranzistorul T11 și pentru structura T1, T2, …, Tn. Tensiunea dintre baza și emitorul a tranzistorului T11 este dată de expresia (2) iar tensiunea UBEn va fi cea dată de relația (4). Între tensiunile marcate în figură există relația:
sau:
astfel încât expresia tensiunii de ieșire va fi:
(5)
Pe același principiu fizic se bazează folosirea amplificatorului operațional Norton ca senzor de
temperatură. Conexiunea folosită atunci când este folosit în acest scop este prezentată în fig.4a.
Fig. 4
Joncțiunea bază-emitor a tranzistorului T1 din structura internă a amplificatorului (în fig.4b este pre
zentată doar partea de intrare a acestuia) este polarizată direct de către tensiunea de ieșire care apare ca urmare a alimentării amplificatorului cu tensiunea V+. Expresia tensiunii de ieșire poate fi calculată pe baza schemei echivalente din fig.4c, din care pot fi scrise ecuațiile:
(6)
Considerând constante valorile rezistențelor din circuit, din ec.6 se observă că tensiunea de ieșire depinde exclusiv de tensiunea joncțiunii bază-emițător a tranzistorului T1. Este cunoscut faptul că pentru o joncțiune de Si, tensiunea în polarizare directă este dependentă de temperatură. Ea
variază cu aproximativ -2mV/oC, astfel încât pe baza ec.6 poate fi scrisă ecuația de variație a tensiunii de ieșire:
(7)
Variația tensiunii de ieșire poate fi scalată alegând în mod adecvat raportul R2/R1. Dacă dorim ca tensiunea de ieșire să varieze cu 10mV la o variație a temperaturii cu 1oC, se alege R2/R1= 4.
Un astfel de senzor este sensibil chiar la variații de temperatură datorate contactului cu corpul uman. El poate fi folosit ca senzor de nivel de temperatură dacă semnalul de la ieșirea sa este aplicat la intrarea unui comparator de tensiune care poate fi realizat tot cu un amplificator Norton.
b) Senzori rezistivi
Termometrele cu rezistență metalică acoperă un domeniu relativ larg de temperaturi, fiind folosite pentru măsurarea temperaturii gazelor și lichidelor, a temperaturii suprafețelor 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 pulberilo) sau industria alimentară (pentru măsurarea tempearturii 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 temperatură. 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 scrisă sub forma:
(8)
Unde:
Ro = rezistența în ohmi a conductorului la o temperatură de referință (de regulă 0oC),
Rt = rezistența în ohmi a conductorului la temperatura toC,
= coeficientul de temperatură al rezistenței materialului,
B, , …. = coeficienți de neliniaritate.
Această dependență de temperatură a rezistenței electrice a metalelor stă la baza folosirii lor în termometrele cu rezistență metalică.
Metalele cele mai folosite 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 Tabelul 3 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 Tabelul 3, cel mai folosit este platina. Deși este foarte scumpă, ea are avantajul de a fi un material de referință pentru standardele inernaționale. Platina este un metal stabil și are calitatea de a nu se volatiza apreciabil la temperaturi până la 1000oC. 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 100oC. Peste 300oC 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 1000oC poate fi utilizat wolframul.
Tabelul 2
R100 – Ro
Expresia ————— reprezintă un parametru adițional pentru caracterizarea termometrelor
100 Ro
cu rezistență metalică, cunoscut sub denumirea de coeficient mediu de tempeartură între 0 și 100oC.
Există diverse configurații geometrice, în care sunt construiți senzorii termometrelor cu rezistență metalică, în funcție de aplicația concretă căreia îi sunt destinate.
În fig.5 este prezentată schematic una dintre ele. Firul metalic este înfășurat pe un tub ceramic și fixat în inetriorul unei incinte de protecție formând sonda de temperatură. Ea este conectată în ramura de măsură a unei punți Wheatstone de curent continuu. După ce puntea a fost echilibrată la temperatura de referință, dezechilibrul ei va fi funcție temperatură. Aceasta va fi indicată de către voltmetrul din ramura de măsură a punții, etalonat în unități de temperatură.
Fig.5
Curentul care parcurge senzorul rezistiv trebuie să fie suficient de mic, astfel încât să nu determine creșterea temperaturii acestuia prin efect Joule. Practic se acceptă o creștere cu maximum 0,5oC a temperaturii senzorului datorată curentului de excitare. Un alt efect care poate introduce erori în procesul de măsurare, este în procesul de măsurare este căderea de tensiune pe firele de conexiune dintre sensor și sistemul de măsură, mai ales dacă acestea sunt lungi și au rezistențe comparabile cu ale senzorului. Acest efect poate fi compensat prin adăugarea unor conductori de compensare în ramura punții adiacentă cu sonda, ca în figura 9, sau folosind metoda celor 4 fire (conexiunea Kelvin). Această metodă se folosește mai ales atunci când distanța de la sondă la sistemul de măsură și afișare a temperaturii este mare. O astfel de sondă este prezentată în fig.6
Fig.6
Schema electrică echivalentă a sondei și sistemului de măsură este prezentată în fig.7.
Alimentarea sondei se face cu o sursă de current constant aflată în apropierea ei, prin conductoare scurte. Măsurarea tensiunii pe senzorul rezistiv se afce fie cu un voltmetru digital cu impedanță de intrare foarte mare, etalonat în unități de temperatură, fie cu un amplificator operațional sau de instrumentație. În ambele cazuri, curentul care parcurge conductoarele de măsură este foarte mic, astfel încât căderea de tensiune pe ele este mult mai mică decât căderea de tensiune pe senzorul rezistiv.
Fig.7
În cazul în care domeniul de temperature măsurate este mare și variația rezistenței senzorului nu mai poate fi considerată liniară, răspunsul lui poate fi liniarizat folosind o punte cu amplificator operațional (punte activă), senzorul rezistiv fiind plasat în ramura de current constant (ramura de reacție negativă) a amplificatorului operațional. Dacă semnalul de la ieșirea punții astfel realizate nu este suficient de mare, el poate fi amplificat cu un al doilea amplificator operațional sau de instrumentație. O schemă de principiu care aplică această metodă este arătată în fig. 8.
Fig.8
Se poate demonstra ușor că tensiunea de dezechilibru a unei punți de current continuu ca cea din fig.9 este:
(9)
Fig.9
Fig.10
După cum se vede, dependența ei de variația R a unei rezistențe este neliniară. Neliniaritatea răspunsului unei punți pentru E = 5V și Ro = 100 Ω. Se poate observa și în reprezentarea grafică din fig. 10, în care pentru R am considerat un domeniu mare de variație pentru o mai bună vizualizare a neliniarității.
Vom arăta acum că folosind o schemă ca cea din fig. 8, pe de o parte se liniarizează răspunsul punții de măsură, iar pe de alta, se amplifică semnalul de ieșire al acesteia. Pentru aceasta vom redesena schema din fig.8 astfel încât să se observe mai bine rolul fiecărui amplificatory operațional (fig. 11). La o observare atentă se va vedea că cele 2 scheme sunt identice.
Fig.11
Amplificatorul operațional AO1, lucrează în conexiune inversoare, tensiunea la ieșirea lui fiind:
(10)
Scriind expresia termorezistenței la o temperatură oarecare T ca: RT = RTo + RT (RTo este valoarea termorezistenței la 0oC), se vede că tensiunea de ieșie v1 este liniar dependentă de variația RT a acesteia.
Amplificatorul operațional AO2 lucrează în conexiune sumatoare. El însumează ponderat tensiunea v1 cu tensiunea de referință, furnizând la ieșire tensiunea:
(11)
Ținând cont de condiția de echilibru a unei punți de current continuu, este oportun să se aleagă R1 = R2, astfel încât relația precedentă va deveni:
(12)
Dacă impunem condiția ca la temperature de 0oC, tensiunea de ieșire să fie nulă, atunci trebuie să alegem R3 = RTo, astfel încât expresia finală a tensiunii de ieșire va avea forma:
(13)
sau, făcând substituția, RT = RTo + RT, se obține:
(14)
Astfel, tensiunea de ieșire a traductorului compus din senzorul de temperatură și electronica de măsură, va avea două avantaje majore față de traductorul cu punte simplă:
dependența tensiunii de ieșire de variația rezistenței senzorului este liniară
tensiunea de dezechilibru a punții este amplificată
Mărimea amplificării poate fi ajustată modificând valoarea rezistenței R4 din rețeaua de reacție a amplificatorului sumator.
c) Termorezistoare
Termorezistoarele sunt rezistoare executate din metale pure ce prezintă mari variații ale rezistivității cu temperatura. Caracteristica de conversie este liniară pentru game largi de temperatură.
Rezistența electrică apare din cauza agitației termice, și ea depinde pentru o temperatură dată, de natura materialului, precum și de prezența impurităților, respectiv a defectelor din rețeaua cristalină, de lungimea și secțiunea conductorului.
La variația temperaturii are loc atât o modificare a mobilității purtătorilor de sarcină, cât și o modificare a dimensiunilor geometrice ale materialului.
Variația rezistenței electrice se datorează, pe de o parte, modificării rezistivității, iar pe de altă parte, modificării dimensiunilor (la creșterea temperaturii, se produce o dilatare). Deoarece coeficientul de variație a rezistivității cu temperatura este la metale cu două ordine de mărime mai mare decât coeficientul de dilatare, acest ultim efect este neglijabil.
Din cauza dilatării rețelei cristaline și a modificării energiei electronilor cu temperatura, în realitate, dependența de temperatură este neliniară, astfel încât rezistența poate fi exprimată polinomial.
Rezistența electrică a senzorului variază cu temperatura după o relație R = R(θ), care se poate dezvolta în serie Taylor în jurul unei temperaturi de referință, :
R (15)
Dacă temperatura de referință este valoarea standard de 0C, atunci:
R=R (16)
Coeficienții au valori constante pentru anumite intervale de temperatură. Dacă precizia măsurării nu este deosebit de mare, variația rezistenței se poate aproxima doar cu primul termen al dezvoltării, caz în care caracteristica statică este liniară:
R=R (17)
În practică însă, corespondența rezistență – temperatură se stabilește nu pe baza relațiilor analitice, ci folosind tabele standardizate; tabelele indică această corespondență, de obicei, din zece în zece grade.
Criteriile de alegere a metalelor pentru confecționarea termorezistoarelor sunt:
rezistivitatea mare pentru obținerea unor traductoare de dimensiuni reduse;
coeficient de variație a rezistivității cu temperatura ridicat, pentru a avea o sensibilitate mare;
o bună liniaritate a caracteristicii statice de transfer, pentru a nu necesita circuite suplimentare de liniarizare;
asigurarea unei purități cât mai ridicate a metalelor, pentru reproductibilitate
stabilitate în timp și sub stingerea agenților termici;
preț de cost cât mai scăzut.
Cele mai folosite metale pentru realizarea termorezistoarelor sunt platina, cuprul și nichelul.
În tabelul 3 se prezintă intervalul de temperatură și coeficienții de variație a rezistenței cu temperatura, α și β, pentru aceste metale.
Tab. 3. Pricipalele caracteristici ale metalelor utilizate pentru termorezistoare
Se consideră că dintre metalele enumerate, platina se apropie cel mai mult de cerințele impuse, cu excepția prețului de cost. Platina poate fi realizată cu o puritate de 99,999%, de unde rezultă o bună reproductibilitate, este inactivă chimic, și nu prezintă modificări cristaline în timp.
Termorezistorul din platină este cel mai precis și are caracteristica de conversie cea mai liniară.
Rezistivitatea platinei la 100C este de 0,0983Ωm. Traductorul se realizează cu o rezistență de 100Ω la 0C. Platina este rezistentă la acțiuni chimice și termice se poate utiliza, în cazuri speciale, chiar până la 1000C.
Singurul dezavantaj al folosirii platinei este prețul ridicat.
Termorezistorul din nichel se folosește mai rar în țara noastră, deoarece caracteristica sa statică este pronunțată neliniară.
Nichelul are cel mai mare coeficient de variație a rezistivității cu temperatura, deci prezintă o sensibilitate mai ridicată decât a platinei.
Rezistivitatea nichelului la 0C este de 0,0638Ωm. Traductorul se realizează cu o rezistență de 100 Ω la 0C.
Termorezistorul din cupru are o foarte bună liniaritate și o mare sensibilitate, însă intervalul lui de măsură este limitat din cauza unei pronunțate activități chimice.
Rezistivitatea cuprului este mică, 0,0178Ωm, ceea ce conduce la gabarite și greutăți mari ale traductorului. Cuprul are o rezistivitate mult influențată de cele mai mici impurități.
La temperaturi mai mari de +180C, oxidează ușor și este atacat de agenții chimici. Datorită caracteristicii sale liniare de conversie, acest traductor este destul de des utilizat în domeniul temperaturilor joase.
Constructiv, termorezistoarele trebuie să asigure:
protecția la acțiunea agenților exteriori;
preluarea rapidă a temperaturii mediului în care sunt inroduse;
măsurarea atât în curent continuu, cât și în curent alternativ.
Traductorul termorezistiv se realizează prin bobinarea bifilară a filtrului rezistiv (senzorul), pe un suport izolant; se introduce apoi într-un tub de protecție. El este fixat în peretele incintei care se măsoară temperatura cu ajutorul unei flanșe filetate.
Rezistoarele din fir de platină pură pentru traductoare standard se bobinează bifilar, cu patru terminale și se introduc într-un tub de proiecție.
Suportul, pe care se află înfășurat conductorul, este un cadru de mică în formă de cruce, ceea ce permite un bun schimb de căldură între mediu și traductor.
Există și alte moduri de realizare a înfășurării, fără a tensiona conductorul:
înfășurarea elicoidală pe un tub de coarț a unui fir simplu nerăsucit ; elice împachetată în interiorul unui tub în formă de U.
d) Termistori
Termometrele cu rezistențe metalice bobinate au dezavantajul variației mici a rezistenței cu temperatura.
Termistorii (abrevierea de la thermal resistor, engl.) 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, doarece ei sunt confecționați din materiale semiconductoare, mult mai sensibile la variațiile de temperatură decât metalele.
Termistorii sunt amestecuri de oxizi ai pământurilor rare, Mn, Cr, Ni, Co, amestecați cu o pulbere fină de cupru.
Nu se folosesc oxizi de germaniu sau siliciu, care de obicei sunt utilizați la confecționarea dispozitivelor semiconductoare (diode, tranzistori, circuite integrate etc.).
Pentru măsurarea temperaturilor în intervalul –75 …. +75oC se folosesc termistori cu rezistențe sub 1kΩ. În intervalul 75 – 150 oC se folosesc termistori cu rezistențe de până la 100kΩ, iar în intervalul 150 – 300oC termistori cu rezistențe mai mari de 100kΩ.
În mod normal, rezistența unui termistor scade odată cu creșterea temperaturii. De aceea ei se numesc termistori cu coeficient negativ de temperatură (NTC – negative temperature coefficient).
Există și termistori cu coeficient pozitiv de temperatură, dar ei sunt folosiți foarte rar.
Dependența dintre rezistență și temperatură este exponențială (deci neliniară) și este exprimată prin relația:
(18)
Unde:
RT = rezistența termistorului la temperatura absolută T [K],
Ro = rezistența termistorului la temperatura absolută de referință To [K]
β = constanta caracteristică materialului termistorului, depimzând de compoziția materialului
acestuia și de tehnologia de fabricație
Coeficientul β se definește ca:
(19)
având valori uzuale cuprinse în domeniul 3000 – 5000 K.
În relația (19) T1 și T2 sunt temperaturi specificate, de regulă 273,15 K (0 oC) și 323,15 K
(50 oC), iar R1 și R2 sunt valorile rezistenței termistorului la aceste temperaturi.
În multe cataloage termistorii sunt caracterizați și prin coeficientul , definit ca:
(20)
El este exprimat în % per oC. Cu cât coeficienții și β sunt mai mari, cu atât variația per oC a rezistenței termistorului este mai mare, adică el are o sensibilitate mai bună.
Termistorii se produc sub mai multe forme geometrice (fig.12): disc, mărgea, bară.
Fig.12
Pentru măsurarea temperaturii, termistorul poate fi conectat în ramura de măsură a unei punți Wheatstone, într-o manieră similară conectării rezistenței metalice (fig.9). El are un simbol propriu, care-l deosebește de cel al unei rezistențe obișnuite. Termistorul se poate încălzi și datorită trecerii prin el a unei părți din curentul care alimentează puntea, determinând o eroare, un drift, în precizia de măsurare. Compensarea acestei erori se afce prin conectarea în punte a unui al doilea termistor, identic cu primul și menținerea lui la o temperatură de referință constantă. În cazul termistorilor cu rezistențe de ordinul kΩ-lor, efectul rezistenței firelor de conexiune poate fi neglijat și nu se pune problema folosirii unor conexiuni de tipul Kelvin.
Termistorii pot fi fabricați la dimensiuni foarte mici și rezistențe mari și au un răspuns rapid la variațiile de temperatură. Domeniul de temperaturi acoperit este, -100 …+300 oC, dar sunt posibile și temperaturi mai mari. Ei pot fi folosiți pentru măsurarea temperaturii în spații mici. Având o bună repetabilitate și o rezoluție fină pe domenii mici de temperatură, termistorii sunt foarte folosiți în aplicații medicinale. Ei sunt folosiți pentru monitorizarea circuitelor electronice și pot fi încapsulați în corpuri solide pentru a fi folosiți ca sonde pentru măsurarea temperaturii suprafețelor.
Deoarece variația cu temperatura a rezistenței termistorilor este puternic neliniară, etalonarea instrumentului indicator este dificilă. De aceea se pune problema liniarizării răspunsului lor. Pe domenii restrânse de temperatură, aceasta se poate realiza prin conectarea în paralel cu termistorul a unei rezistențe (șunt). Valoarea rezistenței se calculează astfel încât, la mijlocul intervalului de temperatură considerat, valoarea rezistenței echivalente (termistor în paralel cu rezistența de liniarizare) să fie egală cu media aritmetică a rezistențelor echivalente la capetele intervalului de temperatură.
Astfel dacă:
R1 = rezistența termistorului la temperatura t1
R2 = rezistența termistorului la temperatura t2
Rm = rezistența termistorului la temperatura medie (t1 + t2) / 2
valoarea rezistenței de liniarizare Rlin, se calculează din ecuația:
(21)
În fig.13 sunt reprezentate dependențele de temperatură ale rezistenței unui termistor, a rezistenței șunt de liniarizare și a rezistenței ,,liniarizate’’, pe un domeniu de temperatură de 100oC. Am folosit ghilimelele pentru că dependența de temperatură a rezistenței echivalente nu este perfect liniară. La temperaturi cuprinse între temperatura minimă și temperatura medie ea este ceva mai mare decât rezistența corespunzătoare dreptei care trece prin cele 3 puncte definite anterior, iar la temperaturi cuprinse între tempeartura medie și temperatura maximă este ceva mai mică. Abaterile de la liniaritate sunt maxime la mijlocul celor două semi-intervale de temperatură.
Fig. 13
În practică, termistorul împreună cu rezistența șunt de liniarizare se montează într-o punte de curent continuu, al cărei răspuns se liniarizează cu un amplificator operațional (punte activă), așa cum am folosit în cazul senzorilor rezistivi metalici (fig.8). Grupul paralel format din termistor și rezistența de liniarizare se conectează în ramura de reacție negativă a amplificatorului operațional. Pentru amplificarea semnalului de răspuns al punții active la valoarea dorită, semnalul de la ieșirea punții active se poate aplica la intrarea unui etaj de amplificare realizat tot cu un amplificator operațional.
e) Varistoare
Caracteristicile de funcționare ale varistorului, dispozitiv semiconductor a cărui rezistență depinde de tensiunea aplicată la borne sau de curentul ce îl străbate, precum și de polaritatea acestora, sunt descrise de relația de dependență:
(22)
unde n se numește coeficient de neliniaritate.
Utilizarea varistorului în scheme de măsurare a temperaturii este condiționată de includerea sa într-un circuit la care modificarea de temperatură să se traducă într-o variație de tensiune sau de curent, sau de conectarea sa în vecinătatea unei surse de căldură și alimentat fiind la tensiune constantă, se va utiliza caracteristica crescătoare de variație a rezistenței cu temperatură(respectiv cu circulația curentului prin el) (Fig. 14)
R
[www.phys.ubbcluj.ro/~sorin.anghel/teaching/SIS/diverse…/trad_temp.pdf]
1.3. SENZORI DE LUMINĂ
1.3.1 Efecte fotoelectrice
Senzorii bazați pe efectele fotoelectrice au o largă răspândire în aplicațiile unde se măsoară direct mărimile optice (fotometrie, colorimetrie, pirometrie). Împreună cu diverse surse de lumină, senzorii fotoelectrici sunt folosiți pentru detectarea sau măsurarea altor mărimi în aplicații cum ar fi: detectorii de proximitate, optocuploarele, optocomutatoarele, detectoarele de fum, cititoarele de cartele etc.
Elemente sensibile fotoelectrice realizează conversia radiației electromagnetice în mod pasiv (variația unui parametru de circuit: rezistența) sau în mod active (generarea unei tensiuni sau a unui curent. În cele ce urmează se fac referiri doar la elemente sensibile la radiații cu lungime de undă în domeniul vizibil (lumina).
Funcționarea acestor elemente sensibile se bazează pe următoarele efecte fotoelectrice:
a) efectul de fotoconducție constă în modificarea conductivității unui semiconductor sub acțiunea radiației electromagnetice.Există următoarele tipuri de fotoconducție:
fotoconducția intensivă apare ca urmare a trecerii electronilor din banda energetic de
valență în banda de conducție, în urma ciocnirilor dintre aceștia și fotoionii incidenți. Acest efect are loc dacă energia fotoionilor incidenți este mai mare decât diferența dintre energiile coprespunzătoare celor două benzi:
(1)
Unde:
– energia corespunzătoare benzii de conducție;
– energia corespunzătoare benzii de valență;
H – constanta lui Planc;
v – frecvența radiației electromagnetice.
Fenomenul de conducție intrinsecă conduce la modificarea concentrației electronilor și golurilor.
fotoconducția de impurități are loc în semiconductori dopați cu impurități ca urmare
a excitării centrelor de impurități sub acțiunea radiației care produce ionizarea acestora. Diferența de energie între banda permisă și cea interzisă fiind mai mică decât între banda de valență și cea de conducție, acest efect poate fi utilizat pentru radiații cu lungime de undă mai mare.
fotoconducția purtătorilor liberi constă în creșterea mobilității purtătorilor de
sarcină ca urmare a absorbției radiației
b) efectul fotovoltaic este un fenomen fotoelectric prin care radiația luminoasă este convertită direct în tensiune electromotoare ca urmare a generării unor câmpuri electrice interne cauzate fie de dopare diferită în anumite zone ale semiconductorului (joncțiunea p-n), fie de structură variată a semiconductorului, fie de ambele cause.
c) efectul fotoemisiv este obținut în tuburi electronice de construcție specială, constând în: tuburi electronice de construcție specială, emiterea de către catodul de Cesiu a electronilor prin extracția acestora de către radiația incidentă. Acest fenomen are loc dacă energia radiației depășește lucrul mecanic de extracție:
(2)
Unde:
– lucrul mecanic de extracție
1.3.2 Mărimi fotometrice. Surse de radiații luminoase
Mărimile și unitățile fotometrice reprezintă acel system de mărimi și unități în definirea cărora se ia în considerare senzația luminoasă pe care o produc radiațiile electromagnetice asupra ochiului uman. Senzația de lumină depinde de fluxul de energie radiantă dar și de spectrul lungimilor de undă. Ochiul uman are astfel energie radiantădar și de spectrul lungimilor de undă. Ochiul uman are astfel sensibilitatea maximă pentru culoarea verde, iar radiațiile cu lungimea de undă 380nm(ultraviolet) și 770nm (infrarosu) nu mai produc practice nici o senzație de lumină, oricât am mări puterea radiației incidente.
Sensibilitatea spectrală relativă a ochiului (V) este o mărime adimensionată și se definește ca raport dintre fluxul constant de energie a radiației care produce cea mai puternică senzație vizuală (nm ) și fluxul energetic al radiției cu lungimea de undă ce produce aceeași senzație vizuală.
Unitatea de măsură pentru intensitatea luminoasă este candela [cd], una dintre cele șapte unități fundamentale ale Sistemului Internațional de Unități, stabilind legătura între mărimile energetice și cele fotometrice. Candela reprezintă intensitatea luminoasă într-o direcție dată, a unei surse care emite radiație monocromatică cu frecvența de 540THz (0.55 ) și a cărei intensitate energetică în această direcție este de 1/683W/strad.
Ținând cont de sensibilitatea spectrală a ochiului și a fluxului de energie , se definește o mărime biofizică numită flux luminos.
= 675V[lm] (3)
Unitatea de măsură pentru fluxul luminos este lumenul [lm].
Energia luminoasă radiantă este definită cu expresia:
[lms] (4)
Luminanța (strălucirea) este egală cu raportul dintre intensitatea luminoasă pe un element de suprafață într-o direcție dată și proiecția ariei sale pe planul normal direcției de observare. Unitatea de măsură pentru luminanță este candela pe metro pătrat [cd/m]. Unitatea de măsură pentru iluminare este luxul [lx]. Un lux este o iluminare produsă de un flux de un lumen pe o suprafață de un metru pătrat.
1.3.3 Construcția senzorilor fotoelectrici
În baza efectelor fotoelectrice prezentate au fost realizate elemente sensibile fotoelectrice dintre care cel mai frecvent utilizate sunt: fotorezistența, fotodioda, fototranzistorul, celula fotovoltaică.
a. Fotorezistența
Funcționează în baza fenomenului de fotoconducție, fiind deci un element pasiv de circuit a cărui rezistență scade la creșterea iluminării. Aceastea se realizează prin depunerea unui strat de semiconductor pe un suport de sticlă în diverse variante constructive. Cele mai frecvent utilizate semiconductoare sunt sulfura de cadmiu (CdS) și selenura de cadmiu (CdSe). Pentru mărirea suprafeței active a semiconductorului, acesta poate fi depus pe materialul suport în formă de labirint.
Fig 1. Variantă constructivă de termorezistență
Principalii parametrii ai foterezistențelor sunt:
rezistența de întuneric R prin traductor, în stare neiluminată trece un curent de intensitate redusă numit curent de întuneric.
sensibilitatea specifică, definită ca raportul între curentul prin fotorezistență alimentată la o tensiune U și fluxul de iluminare.
b. Fotodioda
Funcționarea acestora se bazează pe generarea prin efect de fotoconducție a perechilor de purtători de sarcină (electron-gol) având ca efect creșterea curentului prin diodă. Considerând caracteristica curent-tensiune specifică unei joncțiuni p-n, fotodioda prezintă o variație liniară a curentului cu iluminare dacă se polarizează invers (cadranul lll). Din această cauză fotodiodele sunt indicate pentru măsurări cantitative de iluminare. Semiconductorul utilizat poate fi: Ge, Si, In-Sb, In-As, cel mai frecvent utilizat fiind Si. În absența radiației, există un curent invers mic numit current de întuneric (Id). Stratul de siliciu p este suficient de subțire pentru a permite radiației luminoase să ajungă la joncțiune. Structura se introduce într-o carcasă metalică prevăzută cu o fereastră de sticlă sau cu o lentilă care focalizează radiația pe joncțiune.
Fig. 2.Structura de bază a unei fotodiode planare cu Si
În absența radiației luminoase există un foarte mic curent invers numit curent de întuneric. Dacă suprafața fotosensibilă a joncțiunii este iluminată, în joncțiune se generează perechi de purtători de sarcină (electron – gol) care duc la creșterea curentului invers.
Fig. 3. Caracteristica curent – tensiune a unei fotodiode
Principalele proprietăți ale fotodiodelor sunt:
caracteristică practică liniară pentru un interval extins de iluminare (peste șase ordine de mărime);
dinamică foarte rapidă, timp de răspuns de ordinal nanosecundelor până la picosecunde în
cazul diodelor PIN;
structură simplă, fotodioda fiind cel mai simplu senzor pe siliciu, realizată printr-o singură difuzie pe un substrat dopat de tip n;
impedanță mare de ieșire, în mod tipic curentul pe fotodiodă neputând depăși câteva sute de microampere, ceea ce poate constitui un oarecare impediment.
c. Fototranzistorul
Funcționează pe același principiu ca și fotodiodele, întrucât joncțiunea bază – colector este o fotodiodă. Deosebirea constă în faptul că prezintă o sensibilitate mult mai mare (100500) ori față de fotodiodă, datorită amplificării în curent.
Fig.4. Simbolul și polarizarea fototranzistorului npn
La iluminare în joncțiunea B-C ia naștere un fotocurent I.Întrucât factorul de amplificare depinde și de valoarea curentului, va rezulta o caracteristică neliniară de transfer. Datorită efectului de fototranzistor, fotocurentul este amplificat cu factorul de amplificare al tranzistorului. Considerând baza liberă, în absența luminii prin fototranzistor, între emițător și colector va circula curentul de întuneric . La iluminarea fotojoncțiunii ia naștere un fotocurent , care prin amplificare cu , generează fotocurentul din tranzistor :
(5)
Deoarece fotocurentul este în funcție de factorul de amplificare și acesta depinde neliniar de curent, dependența între și iluminare este neliniară (spre deosebire de fotodiodă la care dependența este liniară). În scopul creșterii sensibilității, se urmărește atât creșterea factorului de amplificare cât și creșterea sensibilității fotodiodei bază – colector.
d. Celula fotovoltaică
Funcționează în baza efectului fotovoltaic fiind deci un element sensibil de tip generator. Semiconductorii utilizați sunt: siliciul, seleniul și germaniul. Structura unei celule voltaice din siliciu este prezentată în figura 5.
Fig. 5. Structura unei celule fotovoltaice
Stratul de este transparent și are rol antireflectorizant. Tensiunea generată de un fotoelement (celulă) este de ordinal 0.5V. Pentru creșterea tensiunii, celula se conectează în serie, iar pentru creșterea curentului, în paralel. În funcție de rezistența de sarcină , mulțimea punctelor I – V determină o curbă în cadranul IV al planului, numită caracteristica fotoelementului figura 6.
Fig. 6. Caracteristica curent – tensiune a celulei fotovoltaice
(6)
Unde:
I = curentul prin fotoelement
= curentul de saturație,
= fotocurentul determinat de acțiunea luminii,
q = sarcina electronului,
V = tensiunea pe joncțiune,
= parametru adimensional care ia valori mai mari ca 1 (de regulă 2),
K = constanta lui Boltzmann,
T = temperatura.
Celulele fotovoltaice sunt produse într-o varietate de configurații, fiind des utilizate drept convertoare de energie solară în energie electrică având un randament de conversie (raportul dintre puterea electrică generată maximă și puterea radiantă) de 11-20%.
1.3.4 Senzorii de lumină CCD
Senzorii CCD (Charge Coupled Devices) captează lumina în mici fotocelule care și-au primit numele de la modul în care sarcinile sunt citite după expunere. Pentru aceasta, mai întâi sarcinile din prima linie sunt transferate într-un registru de citire. De acolo, semnalele sunt preluate de un amplificator și ulterior de un convertor analog-numeric.
Fig. 7. Funcționarea principială a senzorului CCD
După ce o linie a fost citită, sarcinile ei din registrul de citire sunt șterse. Următoarea linie va fi transferată în registrul de citire, iar toate liniile sunt transferate cu o linie mai jos. Sarcinile din fiecare linie sunt cuplate astfel încât la fiecare transfer din linia curentă în linia următoare are loc și un transfer din linia precedentă în linia curentă. În acest mod se poate citi o linie întreagă la un moment dat.
Există patru tipuri de bază pentru senzorii CCD:
liniari;
interliniari;
cadru întreg (full frame),
transfer pe cadre (frame transfer).
Un senzor CCD liniar este alcătuit dintr-un șir de senzori dispuși pe o singură linie. Pentru a achiziționa o imagine folosind un senzor liniar este necesar ca senzorul să se deplaseze cu viteză controlată de-a lungul imaginii. Viteza de achiziție este redusă dacă se folosește această manieră.
Fig. 8. Structura unui senzor liniar
Un senzor CCD cu transfer interliniar (figura 5) are pentru fiecare pixel un fotodetector și o zonă de stocare a sarcinii rezultate. Zona de stocare este formată prin ecranarea (opacizarea) unei părți din zona pixelului. Prin concatenarea zonelor opace se formează un canal vertical care permite transferul sarcinilor de-a lungul senzorului până la un registru orizontal de deplasare.
Fig. 8.1. CCD cu transfer interlinear
Senzorii CCD de tip cadru întreg, folosesc toată zona pixelului pentru achiziția imaginii. În acest fel, pe timpul transferului de sarcini nu se mai poate face integrare, deci nu se mai poate face acumulare de sarcini prin expunerea la lumină. Pentru a împiedica influența luminii pe timpul cât are loc transferul de sarcini (ceea ce ar strica calitatea imaginii), se pot plasa diafragme mecanice în fața senzorilor.
Fig. 8.2. CCD cadru întreg (full frame)
Varianta cu transfer pe cadre este similară cu varianta cadru întreg, dar se ecranează (maschează) jumătate din matricea senzorială astfel încât să fie aptă pentru stocarea sarcinilor. După terminarea perioadei de integrare, când elementele senzoriale elementare au înmagazinat sarcinile, are loc un transfer al sarcinilor către zona de stocare și ca urmare o nouă integrare se poate face fără o întârziere expresă. În acest mod, acest tip de senzori se pot folosi pentru achiziții rapide.
Pentru citirea datelor din senzor se folosesc două metode:
citire progresivă,
citire întrețesută.
În varianta progresivă, liniile se citesc succesiv în ordinea în care apar în imagine. În varianta întrețesută, se citesc întâi liniile pare și ulterior liniile impare, după care are loc reintegrarea. Pentru senzorii mai mari de 1 Mpix, cea mai frecventă metodă este aceea întrețesută în care un rând de electrozi controlează transferul vertical al sarcinilor din două rânduri de pixeli.
Pentru că există un număr mare de producători și o competiție dură pe piață, există și multe soluții de proiectare diferite care încearcă, fiecare în parte, diferite avantaje.
1.3.5 Senzorii de lumină CMOS
CMOS este ca și CCD, o tehnologie pe bază de siliciu și are proprietăți fundamentale relativ similare din punct de vedere al sensitivității în spectrul vizibil și aproape de infraroșu. Ambele tehnologii convertesc lumina incidentă sub formă de fotoni în sarcini electrice sub formă de electroni. Senzorii color pot fi fabricați în ambele tehnologii, în mod normal, prin adăugarea la fiecare pixel a unor filtre de culoare (de exemplu: roșu, verde și albastru).
Tehnologia CMOS este o tehnologie de tip semiconductor metal-oxid și este arhitectura cea mai folosită pentru tehnica de calcul, unități centrale și module de memorie. Senzorii de imagine CMOS (figura 7) performanți folosesc tehnica APS (active pixel) care a fost dezvoltată la NASA Jet Propulsion Laboratory la mijlocul anilor '90.
Fig. 8.3, Senzor CMOS
Senzorii CCD sunt produși pe linii de fabricație specializate pe care nu se pot produce alte circuite integrate, ceea ce crește prețul de cost.
Alte linii de fabricație folosesc tehnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pentru circuite integrate, pentru procesoare și memorii. De exemplu procesorul Pentium III conține 10 milioane de elemente active de acest tip. Fabricarea senzorilor de imagine pe astfel de linii de fabricație, conduce la scăderea importantă a costului. Trebuie precizat că aici termenul CMOS se referă la modalitatea de fabricație și nu la o tehnologie specifică pentru senzori.
Există două variante de bază pentru senzorii de imagine CMOS:
pasivi,
activi.
PPS (Passive Pixel Sensors) a fost prima variantă dezvoltată în anii '60. La nivelul zonelor fotosensibile, lumina sub formă de fotoni este convertită în sarcini, adică electroni. Sarcina acumulată pe timpul expunerii, integrării, este citită și amplificată. Senzorii sunt mici, atât cât să permită expunerea zonei fotosensibile și să includă conexiunile. Problema majoră o constituie, la acest tip se senzori, zgomotul materializat într-o rețea pe fundalul imaginii. Pentru a înlătura acest zgomot de fond sunt necesare etape de prelucrare suplimentare.
APS (Active Pixel Sensors) reduce exact zgomotul amintit pentru varianta pasivă. Circuite specializate la nivelul fiecărui pixel determină și anulează zgomotul apărut. De la aceste circuite active vine și numele tehnologiei. Performanțele acestei variante de tehnologie CMOS se apropie de performanțele oferite de tehnologia CCD și permit realizarea de senzori de mare dimensiune și înaltă rezoluție.
Tehnologia CMOS permite includerea în cipul senzorului a unor funcții suplimentare (inclusiv pentru micșorarea jitter-ului și stabilizarea sau compresia imaginii, pe lângă cele amintite anterior) care necesită cipuri suplimentare la CCD. În această tehnologie se poate comuta rapid între achiziția de imagini (fotografii) și achiziția de secvențe video (filme). Acest ultim caz rămâne de rezolvat, la nivelul calculatorului cu care este cuplată camera, problema memorării în timp real a volumului mare de informație asociat secvențelor video.
Prin prezența circuitelor suplimentare de eliminare a zgomotelor se micșorează procentul zonelor influențate de lumină din suprafața totală a circuitului (fill factor – procentul de acoperire). În acest fel, sensitivitatea la lumină scade și apar probleme legate de calitatea imaginilor achiziționate în condiții de lumină puțină. Situația se poate corecta extern, prin prezența surselor de lumină de tip flash și prin mărirea timpului de expunere. Din punct de vedere tehnologic, intern, se recurge la introducerea de microlentile pentru fiecare pixel, pentru a aduna mai multă lumină și la reducerea circuitelor suplimentare.
Pentru că senzorii CMOS au un nivel de zgomot mai mare decât senzorii CCD, este nevoie de un timp de procesare mai mare între două imagini. Se pot folosi pentru aceasta procesoare de semnal (DSP – Digital Signal Processors) specializate. Prețul este un avantaj major pentru CMOS, ceea ce determină tendința de a îndrepta cercetările în direcția producerii unor astfel de senzori și de a le îmbunătății
1.4. SENZORI DE APĂ
1.4.1.Temperatura și umiditatea relativă a aerului
Acest sensor combinat "doi într-unul" conține un senzor pentru temperatură și unul pentru umiditatea relativă a aerului, integratți într-un “adapost meteorologic” de înaltă calitate. Acesta foloseste principiul convecției naturale pentru a minimiza efectele soarelui și ale radiației pământului. Senzorul este ușor de instalat și se poate monta la orice înălțime, în funcție de aplicația dată
.
14.2. Umectarea frunzelor
Acest senzor este esențial în aplicațiile ce se referă la protecția plantelor. El simulează umectarea frunzelor provenită atât din precipitații, cât și din rouă. Senzorul funcționează pe principul conductivității electrice a apei, măsurând în 10 trepte gradul de umectare a frunzei, de la complet uscat la total umed. Suprafața senzorului este de 30 x 40 mm și este montat pe un suport care-i dă o flexibilitate deosebită la instalare, putând fi instalat în interiorul coroanei vegetale a plantelor.
1.4.3. Pluviometru (Rain-O-Matic)
Pluviometrul Rain-O-Matic funcționează pe principiul unei cupe cu auto-golire. Este un sistem patentat, unic în lume și care asigură o precizie deosebită a măsurării cantității de precipitatii. Cupa basculează și se golește automat în momentul în care a acumulat o cantitate exactă, prestabilită de apă. Colectorul de apă este fabricat din Styrosun, un material plastic foarte rezistent la căldură, îngheț și radiații ultraviolete, extrem de rezistent la condițiile dificile ale mediului exterior.
1.4.4. C-Probe, senzor pentru măsurarea conținutului de apă din sol
Senzorul C-Probe este disponibil pentru diferite adâncimi (0,5, 1,0, 1,5 și 2,0 metri) și oferă o precizie mai bună de 1% apă din volumul de pământ, în timp ce repetabilitatea este mai bună de ± 1%. Pentru a elimina variabilitatea cauzată de factorii inerenți din producție, fiecare senzor este normalizat individual prin preluarea valorilor contoarelor înregistrate în condiții de aer și apă, astfel încât din punct de vedere matematic valorile de ieșire ale senzorilor sunt identice în condiții egale de măsură. Pentru a obține rezultate perfecte, normalizarea se face chiar în tubul final în care va fi montat senzorul. Pe de altă parte, pentru a corela valorile de ieșire ale senzorului cu conținutul de apă din sol, se recomandă o calibrare suplimentară la locul implantării, în funcție de tipul solului în care va fi montat senzorul. O ecuație standard de calibrare este disponibilă și oferă coeficienți de corelare pentru o gamă largă de tipuri de sol, de la cele nisipoase până la cele argiloase.
1.4.5. Aquaflex senzor pentru măsurarea conținutului de apă din sol
Aquaflex este un senzor flexibil care complementează oferta ATG disponibilă pentru măsurători ale cantității de apă din sol. Un avantaj al acestui senzor este acela că permite măsurarea cantității de apă în adâncimea solului pe întreg profilul acoperit de senzor. Adâncimea de măsură se întinde până la 3 metri și pe un diametru de 50 mm în jurul senzorului. Este ideal pentru observarea cantității de apă din soluri cultivate sau pajiști, la care sunt necesare date despre apa din adâncime. O variantă specială a senzorului oferă și posibilitatea măsurării temperaturii solului, pentru aplicații care au nevoie și de acest parametru. Partea electronică este turnată într-un material plastic robust; o dată instalat, senzorul Aquaflex nu are nevoie de întreținere și are o durată de viață de până la 10 ani.
1.4.6. Watermark, senzor pentru măsurarea conținutului de apă din sol
Setul Watermark este constituit din trei senzori de umiditate a solului de tip Watermark, USA și o interfață specială. Senzorii indică gradul de sărăcire a solului în apă, dând astfel posibilitatea optimizării irigațiilor. Se asigură în acest fel un maxim de confort pentru plante cu un consum minim de apă. Cei trei senzori pot fi instalați la aceeași adâncime, dar distribuiți pe o suprafață mai mare, sau la diferite adâncimi în acelasi loc pentru a putea observa efectul drenajului și al utilizării de apă în straturile de pământ.
1.4.7. Nivelul apei
Acest senzor de nivel de apă este compensat intern digital și este utilizabil într-o gamă largă de aplicații. Este echipat cu o cutie de egalizare, având ca scop compensarea presiunii atmosferice. Senzorul are o stabilitate deosebită. El poate rezista la o suprapresiune de aproximativ 4 ori presiunea dată de capătul de scală. Senzorii sunt oferiți pentru diferite game de măsură, de la câteva zeci de cm până la 10 m.
1.4.8. Senzor de apă pentru puțuri de mare adâncime
Acest senzor este deosebit de util în situații în care măsurarea nivelelor de apă trebuie făcută la mari adâncimi (câteva sute de metri), ca de exemplu în puțuri de mare adâncime. El funcționează pe principiul transmiterii digitale a datelor: o cutie cu componetele electronice montată la suprafață, asigură pe de o parte comunicația prin cablu la nivel digital cu senzorul; pe de altă parte, convertește valorile digitale și livrează o valoare analogică către stația de măsură distantă. Senzorul este astfel 100% compatibil cu linia de stații Adcon A7x3. Electronica din cutia de comandă, asigură și compensarea valorilor măsurate cu presiunea atmosferică.
1.4.9. Conductibilitatea apei
Fiind unul dintre cei mai importanți parametrii utilizați în industria asigurării calității apei, acest senzor de conductibilitatea apei furnizează măsurători de înaltă precizie și nu are nevoie de întreținere aproape de loc. El este oferit în câteva game de măsură atât pentru apa potabilă cât și pentru apa reziduală. Măsurarea conductibilității apei, se face în curent alternativ sinusoidal cu frecvența de aproximativ 2 kHz. Senzorii sunt calibrați din fabrică și sunt 100% compatibili cu seria de stații de măsura Adcon A7x3.
C A P I T O L U L lI
ELEMENTE DE PROIECTARE
2.1 SENZORUL DE TEMPERATURĂ
Studiul acestui senzor îl efectuăm pe baza unui proiect care ne arată cum să citim un senzor analog de temperatură și să afișăm temperatura pe un LCD. Modulul convertor AD este folosit să citim valoarea tensiunii analogice pe ieșirea senzorului de temperatură. Atunci, valoarea rezultată este convertită în grade Celsius și afișată.
Obiective
Folosim modulul convertor AD din PIC16F917 pentru a citi valoarea tensiunii analogice de la ieșirea senzorului de temperatură TC1047A
Acumulăm cunoștințe despre modulul LCD și folosim fișa de lucru al modulului LCD.
Configurația Jumperilor
AN0 (J13) la TEMP (J4)
Fig. 2.1 Diagrama jumperilor
Fig. 2.2 Schema electrică a montajului experimental
Fig 2.3. Diagrama bloc a senzorului de temperatură TC1047A
În figura 2.3. am reprezentat diagrama bloc a senzorului studiat și anume TC1047A. Acest senzor este utilizat în diverse aplicații cum ar fi spre exemplu:
telefonie mobilă
reglarea temperaturii ventilatoarelor
măsurarea temperaturii în instrumentație
dispozitive electronice
protecția la supratemperatură a echipamentelor
în echipamentele portabile alimentate cu baterii
TC1047A este un senzor de temperatură a cărui tensiune de ieșire est direct
proporțională cu temperatura măsurată. TC1047A poate măsura cu aproximație temperaturi de la
-40C la +125C. Cu acest senzor tensiunea de alimentare poate varia între 2.7V și 4.4V.
Alimentarea stabilită de TC1047A este de la 2.5V la 5.5V.
Tensiunea de ieșire stabilită pentru aceste dispozitive este 100mV la -40C, 500mV
la 0C, 750 mV la 25C și 1.75 V la +125C. Un răspuns al tensiunii de ieșire de 10mV
permite o măsurare a temperaturii precise mult peste cea stabilită.
Top of Form
Senzorul are o tensiune de ieșire care variază liniar cu temperatura în grade Celsius.
Bottom of Form
Schema caracteristicii variației tensiunii de ieșire cu temperatura este prezentată în figura 2.4. Caracteristica temperaturii este fixată la 10mV/C, iar tensiunea de ieșire la 0C este de 500 mV.
Fig. 2.4 Caracteristica variației temperaturii în funcție de tensiune
Instrucțiuni de proiectare
LCD-ul afișează o citire de temperatură în grade Celsius. Respirând deasupra senzorului de temperatură sau introducându-l într-o altă sursă de temperatură, temperatura afișată crește. Mutând cablul jumperului de la senzorul de temperatură la potențiometru (POT1 pe J4) și apoi mutând potentiometrul, se observă întreaga rază a conversiei de temperatură.
Concluzii
Acest proiect ne informează despre utilizarea modulului convertor AD. Unul din marele avantaje în folosirea microcontrolerului PIC în aplicații care necesită senzori de temperatură esta acela că microcontrolerul poate fi folosit pentru a calibra senzorul de temperatură să citească automat (supravariind voltajul de alimentare și variațiile proceselor în părțile proprii). Acest lucru elimină pentru producător timp costisitor, pierdut pentru a calibra în fabrică, ceea ce este tipic necesar pentru tehnologiile tradiționale de percepere a temperaturii.
Un avantaj al senzorului de temperatură este că are o variație a tensiunii la ieșire liniar cu temperatura.
2.2 SENZORUL DE LUMINǍ
În proiectul care include senzorul de lumina, studiem crearea unei aplicații care să determine aprinderea automată a acesteia. Comparatorul din PIC16F917 va fi folosit să compare nivelul
tensiunii de la potențiometru cu cea de la ieșirea senzorului de lumină. Când intensitatea luminii la senzor este redusă sub nivelul de declanșare setat de potențiometru, LED-ul va fi oprit.
Obiective
Utilizarea modulului comparator intern.
Implementarea software hysteresis pentru a stabiliza ieșirea comparatorului (software hysteresis este echivalentul switch debouncingului în varianta software.)
Configurația Jumperilor
C1- (J13) la LIGHT (J4)
C1+ (J13) la POT1 (J4)
RD7 (J10) la D0 (J14)
Fig. 2.5 Diagrama jumperilor
Fig. 2.6. Schema electrică a montajului experimental
Fig. 2.7. Diagrama bloc a senzorului de lumină TSL250RD
Fig. 2.8. Variația iluminării în funcție de tensiunea de ieșire
Fig. 2.9. Prezentare senzor de lumină
TSL251Rd este un senzor optic lumină-tensiune ce combină performanțele unei fotodiode cu transimpedanța unui amplificator
Instrucțiuni de proiectare
Acordăm o sursă de lumină senzorului de lumină și setăm potențiometrul 1(POT1) la valoarea de declanșare dorită. Blocăm sursa de lumină și LED-ul 1 ar trebui să se aprindă. Experimentăm cu valoarea și cu punctul de SET cu care blocăm lumina de la senzor. Mișcăm mina încet în fața senzorului și observăm că LED-ul nu clipește. Aceasta demonstrează cum software hysteresis previne ieșirea comparatorului să oscileze în jurul valorii de declanșare.
Concluzii
Comparatoarele se găsesc în majoritatea microcontroloarelor PIC datorită versabilității și a costului scăzut care le oferă utilizatorului. Dupa cum observăm, comparatorul este unul din cele mai utilizate periferice.
APLICATII PRACTICE.
…….
BIBLIOGRAFIE
1. Milici, D. – ,,Măsurări electrice și electronice, senzori și traductoare”, Ed.Didactică și Pedagogică, București, 2007.
Facultate.regielive.ro/…/electronica/senzori_si_traductoare-1453.html –
3. Agosten K. ,,Senzori în automatizări industriale’’, Editura Universității ‘’Petru Maior’’ Tg. Mureș, 2004.
. Ignea, ,,Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice’’, Editura de Vest, Timișoara, 1996 Național Semiconductor. Precision Temperature Senzor, 2000
5. S. Sisianu, T. Sisianu, ,,Comunicatii prin fibre optice”, Tehnica-Info, Chisinau 2007
6. Dolga V. – Senzori și traductoare, Ed. Eurobit, ISBN 973-99-227-9-1, , 1999.
7. E. Hall, ,,Biosensors”, , 1991
BIBLIOGRAFIE
1. Milici, D. – ,,Măsurări electrice și electronice, senzori și traductoare”, Ed.Didactică și Pedagogică, București, 2007.
Facultate.regielive.ro/…/electronica/senzori_si_traductoare-1453.html –
3. Agosten K. ,,Senzori în automatizări industriale’’, Editura Universității ‘’Petru Maior’’ Tg. Mureș, 2004.
. Ignea, ,,Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice’’, Editura de Vest, Timișoara, 1996 Național Semiconductor. Precision Temperature Senzor, 2000
5. S. Sisianu, T. Sisianu, ,,Comunicatii prin fibre optice”, Tehnica-Info, Chisinau 2007
6. Dolga V. – Senzori și traductoare, Ed. Eurobit, ISBN 973-99-227-9-1, , 1999.
7. E. Hall, ,,Biosensors”, , 1991
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: SENZORI DE TEMPERATURĂ, LUMINĂ ȘI APĂ (ID: 123844)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.