Sistem de Înregistrare la Bordul Locomotivei
Sistem de înregistrare la bordul
locomotivei
Cuprins:
Introducere
Capitolul 1 ERTMS
1.1 UIC ERTMS
1.2 Componentele sistemului ERTMS
1.3 ETCS………….
1.4 Tahograf……….
1.4 Principiul de funcționare
1.5 Componentele Tahografului
1.6 Diagrama de înregistrare
Capitolul 2 Traductoare
2.1 Traductoare. Definiție. Concluzii.
2.2 Poziția traductoarelor în sistemele automate. Semnale furnizate
2.3 Structura generală a unui traductor
2.4 Caracteristici și performanțe ale traductoarelor
2.4.1 Caracteristici și performanțe de regim staționar
2.4.2 Domeniul de măsurare
2.4.3 Sensibilitatea
2.4.4 Rezoluția
2.4.5 Pragul de sensibilitate
2.4.6 Precizia
2.5 Caracteristici și performanțe de regim dinamic
2.5.1 Modalități de caracterizare a regimului dinamic
2.5.2 Indicatori de performanțe dinamice deduși din caracteristici experimentale în domeniul timpului
2.5.3 Indicatori rezultați din caracteristica de frecvență
2.5.4 Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice
2.6 Caracteristici energetice
2.7 Caracteristici constructive
2.7.1 Efectele șocurilor și vibrațiilor mecanice. Asigurarea împotriva lor.
2.7.2 Fiabilitatea traductoarelor
2.8 Principii generale de alegere a traductoarelor
2.8.1 Traductoare pentru deplasări liniare
2.8.2 Traductoare capacitive
2.8.3 Traductoare rezistive
2.9 Traductoare de viteză
2.9.1. Viteză liniară
2.9.2. Principii și metode utilizate în măsurarea vitezei
Capitolul 3 Sistem de înregistrare cu senzor laser pe locomotivă
3.1 Principiul de funcționare
3.2 Avantajele sistemului
3.3 Interoperabilitate
Concluzii
Bibliografie
Introducere
Sistemul GSM-Railway (GSM-R ) reprezintă adaptarea conceptului de transmisie radio de date și voce în sistemul de telefonie mobile celulară pentru sisteme complexe de transport. Cea mai completă aplicație a sistemului GSM-R o reprezintă aplicația feroviară care include pe lângă comunicația de date și voce din sistem și transmisiile aferente sistemului de siguranță.
GSM-R este rezultatul a peste 10 ani de colaborare între diverse companii feroviare europene.Pentru a obține o interoperabilitate pe întregul continent European folosind o singură platforma de comunicaaii, standardul GSM-R combină toate funcțiile cheie și experiențele obținute în trecut din utilizarea a 35 de sisteme analogice.
GSM-R este o platforma sigură pentru comunicații de voce și date între angajații companiilor de cale ferată inclusiv mecanici, dispeceri, membrii ai echipelor de manevră și controlori.Dispune de specificații avansate cum ar fi apeluri pe grupuri transmise radio de voce, conexiuni bazate pe locație și apel în caz de urgență,care îmbunătățesc semnificativ comunicarea, colaborarea și administrarea securității în cadrul personalului operațional.
GSM-R face parte din noul standard de sistem de management al traficului feroviar european și transportă informația de semnalizare direct către mecanicul de pe locomotivă permițând viteze mai mari trenului și o densitate a traficului cu un nivel ridicat de siguranță.
Alegerea tehnologiei GSM ca fundație a sistemului GSM-R a contribuit la succesul acestui nou standard.GSM-R s-a dovedit a fi cea mai ieftină rețea de comunicații digitale wireless construită pe platforma unui operator de cale ferată.
GSM-R oferă mai mult decât transmisii de voce și servicii de semnalizare.
Aplicații noi cum ar fi urmărirea încărcăturii (cargo tracking), supraveghere video în trenuri și în stații și servicii de informare a pasagerilor folosesc tehnologia GSM-R.
Tehnologia GSM-R este în prezent implementată în 16 țări în toată lumea. Cu toate că specificațiile sistemului au fost finalizate în 2000, GSM-R a fost deja selectat de 38 de țări, inclusiv toate țările membre ale Uniunii Europene precum și un număr crescător de țări din Asia și Nordul Africii.
Fiecare rețea națională GSM-R poate fi bazată pe una sau mai multe rețele mobile GSM interconectate fie în mod direct fie în mod indirect prin rețele fixe.
Tehnologie de ansamblu
Este comun pentru companiile de cale ferată să implementeze și administreze propriile lor rețele de comunicare pentru a facilita comunicările între persoanele din tren, din gara și de-a lungul cailor ferate.
Aceste rețele sunt de asemenea folosite pentru a monitoriza și a raporta pozițiile trenurilor în orice moment și dacă este necesar, pentru a ajută la gestionarea evenimentelor critice.
Este o abordare bine adoptată pentru comunicațiile feroviare aceea de a implementa o rețea GSM, în cazul în care stivele de protocol de semnalizare sunt personalizate astfel încât nevoile speciale să fie gestionate.
Această tehnologie este cunoscută că GSM-Railway(GSM-R).
O rețea GSM-R este concepută pentru a oferi numeroase aplicații cum ar fi comunicațiile pentru controlul automat al trenurilor, comunicațiile cu inginerul de tren, comunicațiile între echipele de manevră și comunicațiile de urgență dintr-o zona.
GSM-R are și potențialul de a adugă încă o sursă de venituri pentru liniile feroviare prin permiterea pasagerilor să folosească rețeaua pe timpul călătoriei și în gara, la fel cum fac și companiile aeriene.
Cerință cea mai importantă a rețelei GSM-R este că acestea trebuie să opereze foarte rapid și să fie disponibile 100% și la calitate foarte înalta deoarece operațiile trenurilor în timp real și urgențele trenurilor trebuie gestionate foarte rapid.
O altă problema este abilitatea unei rețele GSM-R de a face apeluri în grup.
Această funcție “walkie-talkie” permite difuzarea comunicațiilor sau comunicațiilor de grup și deoarece sistemul este half duplex, o persoană vorbește în timp ce cealaltă este obligată să asculte,astfel prioritatea apelurilor trebuie gestionată cu atenție.
În final,o rețea feroviară trebuie să ofere servicii de localizare a personalului permanent.
Fig 1.0 Arhitectura GSM-R
GSM-R are următoarele avantaje:
Interoperabilitate
– Crește viteză medie de călătorie
– Crește viteză maximă de călătorie prin înlocuirea semnalelor luminoase vizuale cu radio
– Crește capacitatea liniilor feroviare prin minimizarea distanței între trenuri
– Viteze mari garantate (500 km/h) și linii de operare convenționale
Eficientă: comunicații feroviare la cost redus
– Reduce costul infrastructurii prin folosirea tehnologiei răspândite GSM
– Sistem radio unic pentru taote aplicațiile inclusiv ETCS
– Reduce costul infrastructurii prin competiție
– Produsele standard disponibile ușor
Capitolul 1
ERTMS
1.1 UIC ERTMS
European Rail Traffic Management System-Sistem European de management al traficului feroviar-ERTMS este combinația dintre ETCS-Sistem European de comandă a trenului și GSM-R-noul sistem de radiocomunicații pentru voce și date permițând interoperabilitatea pe rețeaua feroviară europeană.
Începând din anii '80 pe plan mondial s-a accentuat tendința de trecere la o nouă generație de instalații de centralizare feroviară – instalațiile de centralizare electronică bazate pe o tehnică de calcul.
Din punct de vedere al filosofiei de realizare a instalației de centralizare electronică există două concepte unanim acceptate: principiul logicii majoritare și principiul diversității. Ambele moduri de abordare sunt principii probabilistice de realizare a siguranței în funcționare, ceea ce le deosebește net de principiul clasic, fail-safe (cu siguranță intrinsecă), utilizat în celelalte tipuri, anterioare, de centralizări feroviare.
ERTMS este realizat în ideea asigurării interoperabilității pe căile ferate europene.
Calea Ferată Română intenționează să introducă ETCS nivelul I pe Coridorul IV paneuropean – Curtici-Brașov-București-Constanța – cu ocazia reabilitării și modernizării pentru circulația cu viteză de 160 km/h, păstrând în continuare și sistemul clasic INDUȘI pentru trenurile care circulă cu viteze de până la 120 km/h. O prima acțiune pentru introducerea ETCS nivelul I este proiectul transfrontalier Arad-Bekescsaba (Ungaria), în care sunt interesate căile ferate din România, Ungaria și Austria, care vor întreprinde acțiuni comune pentru a-l promova.
În faza de elaborare a specificațiilor tehnice se află și proiectul european LC-TCS (Low Cost-Train Control System), la care Calea Ferată Română este participantă activă. Acest proiect se dorește a fi o varianta cu costuri mult mai reduse a sistemului ETCS, care să fie utilizată pe liniile secundare.Proiectul ERTMS a fost creat pentru a realiza un singur sistem de semnalizare pe calea ferată, conform standardelor UE, sistem care să dea transportului feroviar siguranță și competitivitate. ERTMS înglobează sistemul de control-comandă (ETCS) și sistemul de comunicare wireless pentru voce și date (GSM-R)
1.2 Componentele sistemului ERTMS
Proiectul de sistem ERTMS include două
componente de bază:
GSM-R, bazat pe standardul GSM, care utilizează însă frecvențe diferite, specifice căilor ferate, precum și unele funcții avansate. Este vorba de un sistem radio, utilizat pentru schimbul de informații, de voce
și de date între sol și bord; ETCS – sistem european de control al trenurilor.
Un calculator, aflat la bordul trenului, denumit Eurocab, compară viteza trenului cu viteza maximă permisă, transmisă de la sol și frânează automat
trenul în cazul depășirii acesteia. Într-o anumită măsură, ETCS este inclus în
ERTMS. La acestea se mai adaugă un al treilea element referitor la managementul traficului propriu-zis, aflat în fază de testare pe coridorul Nord-Sud al rețelei transeuropene (Rotterdam-Milano), în cadrul unui proiect-pilot denumit Europtirail.
ERTMS este un amplu proiect industrial dezvoltat de opt membri UNIFE (Asociația Industriei Europene de Căi Ferate): Alstom Transport, Ansaldo STS, AZD Praha, Bombardier Transportation, Invensys Rail, Mermec, Siemens Mobility și Thales; împreună cu Uniunea Europeană, companiile de cale ferată și industria GSM-R. Scopul acestui proiect este acela de a elimina diferitele sisteme naționale europene de control și comandă și de a le înlocui cu un sistem unic de control și comandă cu scopul de a crește competitivitatea căilor ferate europene.
În momentul de față există peste douăzeci de sisteme de control și comandă în Uniunea Europeană. Fiecare tren utilizat de către o companie națională de cale ferată trebuie sa fie echipat cu cel puțin un sistem, în majoritatea cazurilor, cu mai mult de unul, doar pentru a putea circula în siguranță, în țara respectivă. Fiecare sistem este unic și non-interoperabil, și din această cauză sunt necesare: integrare extensivă, efort ingineresc, creșterea costului pentru traficul inter-state. Acest lucru restricționează competitivitatea sectorului de transport feroviar european cu sectorul de transport rutier prin crearea de bariere tehnice pentru traficul internațional. De exemplu, trenurile Thalys care operează pe ruta Paris-Bruxelles-Cologne și Amsterdam trebuie echipate cu șapte sisteme diferite de control al trenului, ceea ce ridică considerabil costurile de operare.
Ca un sistem unic de control ERTMS este proiectat ca, gradual, să înlocuiască sistemele incomaptibile actuale în toată Europa. Acest lucru va aduce benificii considerabile sectorului feroviar deoarece transportul internațional de pasageri și marfă va crește.
1.3 ETCS
ETCS – European Train Control System (Sistemul European de Control al Trenului) este un sistem de protecție, control și semnalizare a trenului proiectat să înlocuiască multitudinea de sisteme incompatibile utilizate la ora actuală de companiile de cale ferată europene, în special pe liniile de mare viteză. ETCS are mai multe niveluri operaționale. Acestea sunt: ETCS – Nivel 0, ETCS – Nivel 1, ETCS – Nivel 2 și ETCS – Nivel 3.
ETCS – Nivel 0 este nivelul în care un vehicul ETCS este utilizat pe o rută non-ETCS. Echipamentul de la bordul locomotivei monitorizează viteza maximă a respectivului tip de tren. Cum semnalele pot avea semnificații diferite, pe diferite căi ferate, acest niveru a putea circula în siguranță, în țara respectivă. Fiecare sistem este unic și non-interoperabil, și din această cauză sunt necesare: integrare extensivă, efort ingineresc, creșterea costului pentru traficul inter-state. Acest lucru restricționează competitivitatea sectorului de transport feroviar european cu sectorul de transport rutier prin crearea de bariere tehnice pentru traficul internațional. De exemplu, trenurile Thalys care operează pe ruta Paris-Bruxelles-Cologne și Amsterdam trebuie echipate cu șapte sisteme diferite de control al trenului, ceea ce ridică considerabil costurile de operare.
Ca un sistem unic de control ERTMS este proiectat ca, gradual, să înlocuiască sistemele incomaptibile actuale în toată Europa. Acest lucru va aduce benificii considerabile sectorului feroviar deoarece transportul internațional de pasageri și marfă va crește.
1.3 ETCS
ETCS – European Train Control System (Sistemul European de Control al Trenului) este un sistem de protecție, control și semnalizare a trenului proiectat să înlocuiască multitudinea de sisteme incompatibile utilizate la ora actuală de companiile de cale ferată europene, în special pe liniile de mare viteză. ETCS are mai multe niveluri operaționale. Acestea sunt: ETCS – Nivel 0, ETCS – Nivel 1, ETCS – Nivel 2 și ETCS – Nivel 3.
ETCS – Nivel 0 este nivelul în care un vehicul ETCS este utilizat pe o rută non-ETCS. Echipamentul de la bordul locomotivei monitorizează viteza maximă a respectivului tip de tren. Cum semnalele pot avea semnificații diferite, pe diferite căi ferate, acest nivel restricționează mecanicii pe o singură cale ferată. Daca trenul a părasit un nivel superior al ETCS, poate fi limitat global de ultima baliză întâlnită.
ETCS – Nivel 1 este un sistem de semnalizare în cabină (cab signalling) care poate fi suprapus peste sistemul de semnalizare existent. Eurobalizele recepționează aspectele semnalelor de pe marginea liniei cu ajutorul unor adaptoare de semnal și le trensmite trenului ca autorizare de mișcare împreună cu date referitoare la rută. Calculatorul de la bord, calculeaza, în mod continuu, viteza maximă și curba de frânare cu ajutorul datelor primite de la Eurobaliză. Din cauza trensmisiei de date în puncte, trenul trebuie sa treacă peste Eurobaliză pentru a putea obține următoarea autorizare de mișcare.
În Europa, sunt operaționale un număr de instalații ETCS – Nivel1. Este de asemenea prezent și pe linia Intercity Beijing – Tianjin din Nord-Estul Chinei. În Ungaria sunt două linii echipate cu ETCS – Nivel 1: Budapesta – Hegyeshalom și Zalacseb – Hodos. În Croația se instalează nivelul 1 pe linia Vinkovci – Tovarnik. În Polonia, ETCS – Nivelul 1 a fost instalat în 2011 pe linia de mare viteză CMK dintre Varșovia și Cracovia, permițând ridicarea limitei de viteză de la 160 km/h la 200 km/h și eventual la 250 km/h. Linia CMK, care a fost construită în anii ’70, a fost proiectată pentru o viteză maximă de 250 km/h, dar nu s-a operat niciodată cu viteză mai mare de 160 km/h din cauza lipsei semnalizării în cabină, care acum este asigurată de Nivelul 1 al ETCS.
Fig 1.1 – ETCS Nivel 1
ETCS – Nivel 2 este un sistem de semnalizare și protecție a trenului bazat pe tehnologia radio. Autorizarea de mișcare și alte aspecte ale semnalului sunt transmise direct în cabina mecanicului. În afară de câteva panouri indicatoare este posibil să se renunțe la semnalizarea de lângă linie, însă semnalizarea stării blocului de linie și detecția integrității ramân separate de ETCS.
Toate trenurile raportează în mod automat poziția lor exactă și direcția de mers Centrul Blocului Radio (RBC – Radio Block Center) la intervale regulate. Mișcările trenurilor sunt monitorizate în permanență de către RBC, iar autorizarea de mișcare este transmisă trenului în mod continuu prin GSM-R, impreună cu informații legate de viteză și rută.
În cadrul acestui nivel Eurobalizele sunt utilizate drept semnalizatoare pasive de poziție sau “borne kilometrice electronice”. Semnalizatoarele de poziție sunt utilizate drept puncte de referință pentru corectarea erorilor apărute la măsurarea distanței. Calculatorul de la bordul locomotivei monitorizează în mod continuu datele transferate și viteza maximă permisă.
Un număr de instalații ETCS – Nivel 2 sunt operaționale în Elveția, Italia, Olanda, Germania, Franța, Suedia și Belgia. De exemplu, Nivelul 2 al ETCS este utilizat pe linia de mare viteză Roma – Napoli încă din Decembrie 2005.
În Decembrie 2008, Danemarca a anunțat planul de a își instala Nivelul 2 pe toată infrastructura feroviară existentă.
În China, ETCS – Nivelul 2 este instalat pe linia de mare viteză Wuhan – Guangzhou. Comisia Europeană a anunțat, în Iulie 2009, că ETCS este obligatoriu pentru toate proiectele finanțate de Uniunea Europeană, care includ sisteme de semnalizare noi sau îmbunătățite și sistemul GSM-R este obligatoriu, în proiectele de îmbunătățire a comunicațiilor radio.
ETCS – Nivel 3 este un sistem care trece mai departe de simpla funcționalitate de protecție a trenului, cu integrarea localizării trenurilor prin semnale radio. Circuitele de cale nu mai sunt necesare. Ca și în Nivelul 2, trenurile iși determină poziția cu ajutorul semnalizatoarelor de poziție și a senzorilor dar, de asemenea, trenurile, trebuie să fie capabile să iși determine singure integritatea, la cel mai înalt nivel de siguranță.
Prin transmiterea semnalului de poziționare către RBC, este întotdeauna posibilă determinarea, a cărui punct de pe linie, trenul, l-a eliberat în siguranță, iar trenul următor poate primi o autorizare de mișcare până în acel punct.
Din acest punct de vedere, ETCS – Nivel 3, se îndepărtează de modul de operare clasic, cu intervale fixe. Cu ajutorul scurtării, suficiente, a intervalelor de poziționare, se poate atinge o acordare în mod continuu a autorizaților de mișcare, astfel trenurile având posibilitatea să circule, pe o linie, pe principiul distanței de frânare absolute, principiu aplicat la sectoarele de bloc mobile. Nivelul 3 al ETCS este încă în faza de dezvoltare.
1.4 Tahograf
Tahograful este un aparat de control destinat a fi montat in autovehicul pentru indicarea și scrierea total automatizata a datelor referitoare la cursa autovehiculului precum și despre anumiti timpi de lucru ai conducatorilor.
Datele și informatiile tahografului sunt inscriptionate pe un suport de hartie speciala, mecano-sensibila, denumita diagrama tahograf.
Clasificare
-mecanice – sunt tahografe care folosesc ca și mecanism de transfer a informatiei de la cutia de viteza un sistem bazat pe cuplaje mecanice. Se gasesc pe autovehicule de productie a anilor ' 70-' 80. Pe acest tip de tahograf nu se poate monta un sistem de limitare a vitezei, intrucat nu are posibilitatea de preluare a unui semnal impulsuri. Tipul de tahograf care se gaseste pe autovehicule este 1311.
– electronice – folosesc ca punte de transfer de la generator de semnal – impulsor – la tahograf, un cablu electric. Generatorul de informatie este un impulsor care genereaza impulsuri regulate catre traductorul placii de baza a aparatului tahograf. In functie de generatii, pana in 1984 s-au fabricat tahografe electronice cu inscriptionare a timpilor de lucru, standard sau automatic, de tipul 1314 avand acelasi design ca și tahograful mecanic. Cel mai utilizat și des intalnit tahograf este tahograful 1318 cu inscriptionare automata a timpilor de lucru. Alte tipuri de tahografe electronice sunt 1319, 1324. De asemenea permit preluarea unor semnale care pot fi utilizate pentru limitator de viteza, sistem de masurare combustibil, GPS, etc.
– digitale – citesc informatia din cutia de viteza sau din computerul de bord al autovehiculului și o transmit digital la tahograf. Pentru inregistrarea activitatii conducatorilor auto acestea folosesc carduri. Ca și suport de hartie foloseste imprimanta cu banda. Datele nu mai sunt inscriptionate pe diagrama tahograf deja cunoscuta, ci sunt stocate pe un card cu chip și intr-o memorie de masa interna.Are capacitatea de a stoca datele pentru cel putin 365 de zile și permite descarcarea lor.Date generale cu privire la viteza autovehiculului sunt disponibile numai pentru ultimele 24 ore de condus și sunt inregistrate in memoria tahografului digital; nu sunt scrise pe cardul de sofer. Totusi, datele privind depasirile de viteza sunt inregistrate, iar analiza datelor permite vizualizarea acestor evenimente și a altor informatii utile, asa cum este „franare brusca”.Chiar daca alimentarea cu energie a unitatii vehicul ar fi intrerupta (spre exemplu,daca bateria autovehiculului este deconectata din motive de intretinere),tahograful digital este capabil sa stocheze date in continuare, deoarece este echipat cu propria sa baterie interna, ce poate furniza energie pentru cel putin 2 ani de zile.Avand in vedere acest aspect, nu ar trebui sa resetati ceasul intern al tahografului digital intre momentele de calibrare, care au loc la fiecare 2 ani de zile (spre deosebire de perioada de 6 ani de zile, valabila pentru tahograful analog).
Fig 1.4 Schema de ansamblu a unui tahograf rutier
1.4 Principiul de funcționare
1. Senzorul de miscare sau impulsorul furnizează tahografului semnalul de viteză de la cutia de viteze a autovehicolului, semnalul este incriptat ca să se asigure integritatea semnalului, astfel încat orice anomalie va fi detectată și înregistrata, este pereche cu tahograful, ele functionând împreuna.
2. Tahograful înregistrează și memorează diverse date:
– Cardul conducatorului auto, cu exceptia datelor carnetului de sofer.
– Avertizările și defectiunile referitoare la tahograf, sofer, societate și service.
– Informatii ale vehiculului, datele vitezometrului și vitezele în detaliu pentru 24 de ore.
– Falsificarea tahografului.
3. Pe afisajul din tabloul de bord se afisează,în diferite moduri, în functie de capacitatea vehiculului, următoarele informatii din tahograf:
– Viteza
– Distanta parcursă
– Mesaje, avertizări și defectiuni
4. Cardul conducătorului auto identifică soferul și memorează diferite date sub numele soferului:
– Timpul de deplasare, activităti și distantă.
– Informatii din carnetul de sofer.
– Unele avertizări și defectiuni.
– Numărul de înregistrare a vehiculului (VRN) pentru vehiculele utilizate de detinătorul cardului.
– Controalele efectuate de autoritati.
1.5 Componentele Tahografului
Tahograful se compune din următoarele grupuri de mecanisme și piese:
1. Placa de bază – pe care sunt montate: mecanismele de înregistrare a vitezei, a distantei parcurse, a timpului de circulatie și de stationare, precum și transmisia contorului kilometric, contactele becului de semnalizare a vitezei maxime prestabilite, placa cu borne pentru conectarea la sursa de curent electric și priza pentru cuplarea cablului de antrenare (cablul de kilometraj).
2. Carcasa este o piesă turnată, de forma cilindrica, pe care se fixează: placa de baza, contorul kilometric și cutitul pentru crestarea pe diagramă a diferitelor momente în care se închide sau se deschide aparatul. Pe flansa carcasei este prevăzut un adaos de turnare pentru fixarea capacului și scobitura pentru clichetul încuietorii.
3. Capacul este fixat de carcasă printr-o balama. Pe acesta sunt fixate mecanismul ceasornic, indicatorul de viteza, diagrama de înregistrare, încuietoarea, becurile pentru iluminarea cadranului, becul de semnalizare a vitezei maxime prestabilite și cadranul.
Functionarea tahografului se realizeaza cu ajutorul unui arbore flexibil (cablu de kilometraj), care asigura transmiterea miscării de la cutia de viteze a autovehiculului la aparatul propriu-zis.
De la cablul flexibil miscarea este transmisa la un regulator centrifugal, care actionează atat un ac indicator care arata pe cadran viteza de circulatie în orice moment, cat și o penita de înregistrare, care trasează pe diagrama de înregistrare viteza cu care a circulat autovehicului.
Fig 1.5 Diagrama unui tahograf rutier
1.6 Diagrama de înregistrare se prezinta sub forma unui disc circular confectionat dintr-o hârtie speciala, pe care, în urma atingerii cu un corp ascutit, raman urme sub forma unor linii de culoare rosie sau neagra.
Diagrama este împartita în urmatoarele zone:
– Zona înregistrării vitezelor, în care sunt marcate, sub formă de cercuri concentrice, treptele de viteză din 10 în 10 km/h. Câmpul vitezelor este cuprins în limitele 0–-90 km/h.
– Zona înregistrării timpului în circulatie și în stationare – în care sunt marcate diviziuni de timp (ore și minute), cea mai mica diviziune reprezentând 5 minute.Timpul în circulatie se înregistrează sub forma unei benzi (linie îngrosata), iar timpul în stationare sub forma unei linii subtiri.
– Zona înregistrării distantei parcurse – în care sunt marcate cu linie întrerupta sase cercuri concentrice. Distanta între două cercuri este de 1 mm, ceea ce corespunde pe teren cu 1 km parcurs.
Distanta parcursa se înregistreaza pe diagrama sub forma unor linii frante care întretaie cercurile concentrice. Înaltimea unui segment este de 5 mm și corespunde unei distante de 5 km parcursi de autovehicul.
Pe marginea exterioara a diagramei de înregistrare este marcat timpul, în ore și minute, de la 0–24, cea mai mica diviziune reprezentand 5 minute.Pe aceasta zonă se marcheaza ora la care s-a închis sau s-a deschis aparatul, prin taiere cu ajutorul cutitului montat pe carcasa.
În partea centrala a diagramei se înscriu următoarele date:
– seria foii de parcurs;
– numărul de înmatriculare al autovehiculului;
– destinatia;
– data;
– indicațiile contorului kilometric la plecarea și sosirea din cursa.
Fiecare diagrama reprezintă rezultatul activitătii autovehiculului pe o perioada de maximum 24 de ore.
Pe baza înregistrărilor de pe diagrama se poate reconstitui întreaga desfasurare a cursei, fiecare kilometru parcurs, viteza cu care a circulat autovehiculul pe diferite portiuni sau pe întreg traseul, timpul în circulatie și toate opririle și stationările.
Diagrama permite stabilirea următoarelor date :
– ora introducerii și scoaterii acesteia din aparat ;
– începutul și sfârsitul activitătii autovehiculului (ora de iesire și intrare în garaj) ;
– distanta parcursa în kilometri;
– timpul în circulatie și stationare ;
– viteza medie pe diferite portiuni din traseu ;
– viteza maximă cu care a circulat autovehiculul pe anumite portiuni din traseu.
La stabilirea datelor înregistrate pe diagrama, se va avea în vedere ca totdeauna citirea ss se facă în sensul rotirii acelor de ceasornic, urmând ordinea cronologică a orelor marcate pe marginea exterioara a diagramei.
Elementele înregistrate pe diagrama se stabilesc astfel :
– ora introducerii diagramei în aparat se determină prin crestătura care
apare pe marginea diagramei la ora dupa care încep înregistrările;
– ora scoaterii diagramei din aparat se stabileste prin crestătura care apare
pe marginea diagramei la ora după care nu mai apar înregistrările ;
– începutul activitătii autovehiculului (plecarea din garaj) se stabileste prin
ora la care încep înregistrările;
– sfârsitul activitătii autovehiculului (sosirea în garaj) se stabileste prin ora
la care se termina înregistrările;
– distanta parcursă în km și care se determina în doua moduri:
a) prin diferenta între cifrele citite pe contor la sosire și la plecare, care se afla înscrise în partea centrala a diagramei;
b) prin numararea liniilor care întretaie cercurile de distanta, înaltimea unei linii fiind de 5 km. Fractiunile se stabilesc stiind ca între două cercuri distanta este 1 km.
– timpul în circulatie se stabileste prin măsurarea în ore și minute a
portiunilor de linie îngrosata, folosind diviziunile de pe marginea zonei
în care se face înregistrarea ;
– timpul în stationare se stabileste prin măsurarea portiunilor trasate cu
linie subtire
– viteza medie se stabileste prin apreciere observând atent curba vitezei.
Pentru obtinerea inregistrarilor realizate de tahograf pe diagrama de inregistrare,este necesar ca acestea sa fie introduse zilnic in aparat(operatie executata in toate cazurile de catre sofer).
Diagrama de inregistrare trebuie completăta in partea centrala și montata pe locul de antrenare care este prevazut in partea din spate a mecanizmului ceasornic,in asa fel incat marginea acesteia sa fie sub agrafa placutei de reazem.Diagrama se roteste astfel incat intre semnele rotii agrafei sa fie indicata ora exacta din acel moment,dupa care se fixeaza rozeta elastica.
Montarea necorespunzatoare a diagramei,nefixarea ei cu ajutorul rozetei elastice,conduce la neefectuarea inregistrarilor.
Schimbarea diagramelor in parcurs,de la o zi la alta,se face de catre sofer,si intodeauna dupa 24 de ore de la introducerea primei diagrame in aparat(plecarea in cursa).
Capitolul 2
Traductoare
Cuvântul “senzor” este derivat din cuvântul latin sentire care înseamnã “a percepe”, în timp ce “traductor” din transducere care înseamnã “a traversa”. O definitie de dictionar atribuie cuvântului “senzor” semnificatia 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” definitia este de “dispozitiv care transferã putere de la un sistem la altul în aceeasi formã sau în una diferitã”.
Într-un cadru general – un traductor – un dispozitiv care converteste un semnal de o anumitã naturã fizicã într-un semnal corespunzãtor având o naturã fizicã diferitã.
2.1 Traductoare. Definiție. Concluzii.
Conducerea unui proces care presupune informații cât mai corecte și cât mai complete asupra parametrilor mărimilor fizice care caracterizează acel proces.
În cazul unui proces neautomatizat, care e condus manual de un operator, mărimile fizice care nu sunt accesibile simțurilor umane sunt măsurate cu aparate de măsurat. În funcție de indicațiile lor, operatorul uman supraveghează procesul și ia decizii corespunzătoare.
În cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face fără intervenția unui operator uman, pe baza informațiilor culese din proces cu ajutorul traductoarelor. Privite din acest punct de vedere, traductoarele pot fi definite ca dispozitive care stabilesc o corespondență între mărimea fizică de măsurat și o mărime electrică cu un domeniu de variație calibrat, capabilă de a fi recepționată și prelucrată de echipamentele de conducere a procesului (regulatoare, calculatoare de proces etc.). Traductoarele sunt elemente tipice incorporate în sistemele de automatizare.
Ele pot apărea și în alte domenii – cercetare, analize de laborator – fiind incluse în lanțuri de măsurare complexe, care sunt automatizate.
Traductoarele pot fi definite deci ca dispozitive care realizează conversia unor mărimi fizice (temperatura, deplasare, presiune, forța etc.) în alte mărimi fizice, cel mai adesea electrice, sau a unor mărimi electrice în alte mărimi electrice, în scopul măsurării parametrilor acelor mărimi și informării, respectiv luării unor decizii în consecință.
2.2 Poziția traductoarelor în sistemele automate. Semnale furnizate
Ținând seama de satisfacerea calităților arătate anterior și de faptul că semnalele furnizate la ieșire de către traductoare constituie singurele mărimi accesibile în exteriorul procesului în vederea prelucrării și elaborării comenzilor de către dispozitivele de automatizare, în schemele de calcul ale sistemelor automate traductoarele pot să apară, uneori, incluse în blocul prin care este reprezentat procesul. Această reprezentare are un caracter pur formal.
În realitate traductoarele, ca și elementele de execuție, sunt unități constructive distincte dispuse pe cele două căi de interconectare între procesul propriu-zis și elementele sistemului de reglare automată (fig.1.1) respectiv ale sistemului de conducere cu calculator de proces (fig. 1.2).
Fig.2.1 Schema de principiu a unui sistem de reglare convențională
Schema de principiu a unui sistem de reglare convențional conține următoarele elemente (fig.2.1):
– regulator;
– element de execuție;
– proces;
– traductor;
– element de comparare.
Mărimile care intervin sunt:
yREF – mărime de referință;
y – valoare momentană;
ε – eroare;
u – mărime de comandă;
w – mărime de execuție;
x – mărime din proces reprezentând parametrul reglat;
v – perturbație din exteriorul procesului.
Fig. 2.2 Schema de principiu pentru conducere cu calculator de proces
Dacă procesul este condus cu un calculator de proces, schema bloc arată ca în fig. 2.2, în care:
CP – calculator de proces;
COP – consolă operator;
PG – periferice generale;
CU – calculator universal;
SIE – sistemul de interfață al ieșirilor;
SII – sistemul de interfață al intrărilor;
SIA – sistem de interfață pentru intrări analogice;
SIN – sistem de interfață pentru semnale numerice;
P – proces; – EE – element de execuție; – T – traductor.
Traductoarele, în concordanță cu funcțiunile specificate, sunt situate pe calea informațională având sensul de transmisie de la proces către sistemul de conducere, elementele de execuție fiind plasate pe cealaltă cale, de transmisie a comenzilor, al cărui sens este de la sistemul de conducere spre proces.
Rezultă astfel că prin poziția lor traductoarele sunt cuplate, pe de o parte (în intrare), cu instalațiile tehnologice care constituie sediul procesului și, pe de altă parte (la ieșire), sunt conectate la dispozitivele de automatizare (la intrarea în regulator sau la sistemul de interfață al intrărilor în calculatorul de proces). Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate face de o manieră foarte diversificată – mecanică, termică, electrică etc. – în raport cu natura fenomenelor purtătoare de informație referitoare la mărimea de măsurat. Conectarea traductoarelor cu dispozitivele de automatizare este dependentă de caracteristicile constructive ale acestora, care impun de altfel și conversia pe care trebuie să o realizeze, respectiv natura fizică a mărimii furnizată la ieșire. Datorită unor avantaje bine cunoscute, marea majoritate a echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice și numai în cazuri speciale pneumatice (în medii cu pericol de incendiu sau de explozie).
Ca urmare semnalele de ieșire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiuni, curenți) sau pneumatică (aer sub presiune).
Fie că sunt electrice sau pneumatice traductoarele destinate automatizărilor industriale au, de regulă, semnale de ieșire cu variații într-o gamă fixată indiferent de domeniul de valori al mărimii pe care o primesc la intrare. Se creează astfel posibilitatea tipizării celorlalte elemente, realizându-se așa-numitele sisteme de aparate de automatizare funcționând cu semnal unificat. Prin această tipizare același regulator automat, de exemplu, poate fi utilizat la reglări de presiuni, debite, nivele, temperaturi etc., oricare ar fi limitele impuse pentru mărimea de referință. Tipizarea asigură avantaje tehnico-economice importante legate de producerea în serii mari a aparaturii de automatizare, modularizarea, interșanjabilitatea și interconectarea ușoară a diferitelor componente etc.
Având un rol important în unificarea componentelor sistemelor de automatizare industriale, trebuie subliniat că traductoarele rămân ele însele elementele cele mai diversificate datorită condițiilor extrem de variate pe care le implică multitudinea de parametri caracteristici pe care trebuie să îi convertească în semnale unificate.
Un alt aspect important referitor la poziția traductoarelor este acela al condițiilor de funcționare. În acest sens trebuie observat că, dacă regulatoarele și echipamentele care alcătuiesc structurile de conducere cu calculator sunt amplasate în dulapuri locale sau în încăperi unde factorii de mediu se pot menține în limite care nu impun măsuri constructive speciale de protecție, traductoarele sau unele componente ale acestora sunt montate direct în instalațiile în care se desfășoară procesul. Aceasta înseamnă că ele trebuie să funcționeze în condiții foarte severe de mediu, adesea în aer liber sau pe utilaje aflate în incinte cu temperaturi, presiuni ridicate, agenți chimici etc. având intervale mari de variație și care constituie surse perturbatoare puternice.
Asigurarea unei funcționari corecte în asemenea condiții dificile pune probleme deosebite în ceea ce privește realizarea constructivă a traductoarelor.
Concluzii:
Se observă că în ambele scheme traductoarele sunt situate pe calea informațională având sensul de transmisie de la proces către sistemul de conducere, cuplate cu:
– intrările – la instalațiile tehnologice în care are loc procesul, conectarea fiind funcție de natura fenomenelor analizate: mecanică, electrică, etc.;
– ieșirile – la dispozitivele de automatizare, depinzând de caracteristicile constructive ale acestora.
– semnalele de ieșire ale traductoarelor sunt de natură:
– electrică (tensiuni, curenți) – marea majoritate a echipamentelor de conducere fiind electrice sau electronice;
– pneumatice (aer sub presiune) – în medii cu pericol de explozie sau incendiu, în care elementele electrice sunt interzise datorită riscului potențial de producere de scântei prin arc electric.
Semnalele de ieșire ale traductoarelor variază, indiferent de domeniul de valori al mărimii de intrare într-o gamă fixată. Aceste domenii de variație ale semnalelor se numesc semnal unificat, regulatorul putând fi astfel adaptat la un traductor de orice natură având această gamă de semnal.
Ținând cont de diversitatea mărimilor care intervin în procese, traductoarele rămân elementele cu cea mai mare diversitate din sistemele de automatizare.
2.3 Structura generală a unui traductor
Realizarea funcțiilor menționate de către traductor astfel încât semnalul obținut la ieșirea acestuia să reprezinte valoric mărimea măsurată, sub forma accesibilă dispozitivelor de automatizare, implică o serie de operații de conversie – cu caracter informațional – însoțite totodată și de transformări energetice bazate fie pe energia asociată mărimii preluate de la proces, fie pe cea furnizată de surse auxiliare.
Fig.2.3 Structura generală a unui traductor
Considerând cazul uzual al sistemelor de reglare, mărimea de măsurat x aplicată la intrarea traductorului reprezintă parametrul reglat – temperatură, debit, presiune, nivel, viteză, forță etc. La ieșire traductorul furnizează valoarea mărimii măsurate y sub forma unui semnal unificat sau specializat în concordanță cu cerințele aparaturii de automatizare dacă aceasta nu este standardizată.
Pentru sistemele de conducere complexă poate să apară necesitatea caracterizării procesului printr-o mărime de calitate dedusă din combinarea mai multor parametri. Obținerea valorii acestei mărimi de calitate se realizează prin operații specifice măsurărilor indirecte, efectuate asupra mai multor mărimi componente în cadrul unui traductor adecvat sau, cel mai adesea, asupra semnalelor de ieșire de la mai multe traductoare ca aceeași structură din figura 2.3.
Funcțiunile elementelor componente evidențiate în schema din figura 2.3 sunt următoarele:
a) Elementul sensibil ES (denumit și detector, captor sau senzor) este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare, (elementul elastic la un captor de forță – moment).
Mediului în care funcționează traductorul, în afara mărimii x pe care acesta trebuie să o convertească, îi sunt proprii numeroase alte mărimi fizice. Elementul sensibil se caracterizează prin proprietatea de a detecta numai mărimea x, eliminând sau reducând la un minim acceptabil influențele pe care le exercită asupra sa toate celelalte mărimi fizice existente în mediul respectiv.
Sub acțiunea mărimi de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil, care, fiind o consecință a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conține informația necesară determinării valorii acestei mărimi. Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. În raport cu fenomenele fizice pe care se bazează detecția, cu puterea asociată mărimii de intrare și cu cota din aceasta care se poate ceda fără a-i altera valoarea, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieșirea elementului sensibil (de exemplu, tensiunea electromotoare a unui termocuplu în funcție de temperatură). În alte situații modificarea de stare are ca efect variații ale unor parametri de material a căror evidențiere printr-un semnal necesită o energie de activare externă.
Este de observat că indiferent cum s-ar manifesta modificarea de stare a elementului sensibil, de obicei, informația furnizată nu poate fi folosită ca atare necesitând prelucrări ulterioare.
b) Adaptorul A este cel de al doilea bloc funcțional important al traductoarelor. Așa cum rezultă și din denumirea sa, el are rolul de a adapta informația obținută (simbolic) la ieșirea elementului sensibil la cerințele impuse de aparatura de automatizare care o utilizează, respectiv să o convertească sub forma impusă pentru semnalul y, (ex. marca tensometrică).
Cu privire la adaptor se pot remarea unele particularități semnificative:
– pe partea de intrare adaptorul se caracterizează printr-o mare diversificare din necesitatea de a putea prelua variatele forme sub care pot să apară modificările de stare ale numeroaselor tipuri de elemente sensibile;
– pe partea de ieșire adaptoarele cuprind, îndeosebi în cazul aparaturii de automatizare standardizate, elemente constructive comune specifice generării semnalelor unificate și care nu depind deci de tipul sau domeniul de valori al mărimii de intrare.
Funcțiile realizate de adaptor sunt complexe. Ele determină ceea ce se înțelege în mod curent prin adaptare de nivel sau de putere (impedanță) cu referire la semnalul de ieșire în raport cu dispozitivele de automatizare. Totodată adaptorul este cel care asigură conversia variațiilor de stare ale elementelor sensibile în semnale calibrate reprezentând valoarea mărimii de intrare. Prin urmare, se poate spune că adaptorul este elementul în cadrul căruia se efectuează operația specifică măsurării – comparația cu unitatea de măsură adoptată. Modalitățile practice de efectuare a comparației pot fi diverse, ele ținând de însăși principiile metodelor de măsurare aplicate și determinând diferențieri structurale importante ale adaptoarelor. Astfel comparația se poate face în raport cu o mărime etalon care exercită o acțiune permanentă și simultană cu mărimea de intrare (comparație simultană). În cele mai multe cazuri comparația este nesimultană, în sensul că mărimea etalon este aplicată din exterior inițial, în cadrul operației de calibrare anumite elemente constructive memorând efectele sale și utilizându-le ulterior pentru comparația cu mărimea de măsurat, singura care se aplică din exterior în aceste cazuri (comparație succesivă).
Este de semnalat că, potrivit legilor fizice pe care se bazează detecția efectuată de elementul sensibil și măsurarea în cadrul adaptorului, poate să apară necesitatea efectuării unor operații de calcul liniare (atenuare, amplificare, sumare, integrare, diferențiere), neliniare (produs, ridicare la puiere, logaritmare), sau realizării unor funcții neliniare particulare intenționat introduse pentru compensarea neliniarităților inerente anumitor componente și asigurarea unei dependențe liniare intrare-ieșire pentru traductor în ansamblu.
Ținând seama de elementele constructive comune impuse de tipurile de semnale furnizate la ieșire, adaptoarele pot fi grupate în două categorii: electrice (electronice) și pneumatice.
Forma de variație a semnalelor respective conduce la o altă modalitate de clasificare: analogice și numerice. Semnalele analogice se caracterizează prin variații continue ale unui parametru caracteristic, similare cu variațiile mărimii aplicate la intrarea traductorului (mărime în mod natural continuă).
Ca exemple de semnale analogice unificate pot fi citate următoarele:
– curent continuu 0,5… 5 mA ; 2…10 mA ; 4…20 mA, (ex. șunturi etalonate de la robotul 4R);
– tensiune continuă 0…10 V; 0…20 V; —10…+10 V;
– presiune (aer) 20,.. 100 kN/m2.
Prin calibrare, intervalul de variație al semnalului analogic se asociază domeniul necesar al mărimii de intrare în traductor și în consecință fiecărui nivel de semnal îi corespunde o valoare bine precizată (prin legea de dependență liniară) a mărimii măsurate.
În ultimii ani, o dată cu utilizarea tot mai frecventă a calculatoarelor de proces și a echipamentelor de reglare numerică, o serie de traductoare furnizează la ieșire semnale numerice, fiind prevăzute în acest scop cu adaptoare capabile să efectueze conversia analog-numerică, (plăci achiziție de date). Semnalele numerice se caracterizează prin variații discrete care permit reprezentarea într-un anumit cod a unui număr finit de valori din domeniul de variație continuă al mărimii de intrare. Codurile adoptate trebuie să fie compatibile cu echipamentele de reglare numerică, respectiv cu sistemele de interfață ale intrărilor calculatoarelor de proces, ceea ce a impus tendințe de standardizare și a semnalelor numerice furnizate de traductoare. Cele mai utilizate sunt următoarele coduri (cu nivele compatibile TTL):
– binar natural, cu 8 ; 10 ; 12 sau 16 biți;
– binar codificat zecimal, cu 2, 3 sau 4 decade.
Orice traductor, indiferent de complexitate, de destinație sau de forma constructivă, poate fi redus la structura funcțională simplă constituită din două blocuri principale – elementul sensibil și adaptorul. Uneori însă, particularități legate de aspecte tehnologice sau economice impun prezența și a unor elemente auxiliare. Astfel sunt cazuri, de exemplu la măsurarea temperaturilor ridicate, când elementul sensibil nu poate fi plasat în aceeași unitate constructivă cu adaptorul. În asemenea situații apare necesitatea unor elemente de legătură pentru transmiterea stării sau a semnalului furnizat de elementul sensibil către adaptor. În general elementele de transmisie realizează conexiuni electrice, mecanice, optice sau de altă natură. Dacă mărimea generată de elementul sensibil este neadecvată pentru transmisie – de exemplu în cazul transmisiilor la mare distanță – ele cuprind și componente de conversie potrivit cerințelor impuse de canalele de transmisie.
Tot în categoria elementelor auxiliare se încadrează sursele de energie cuprinse în cadrul traductoarelor. Conversiile care au loc atât în elementul sensibil, cât și în adaptor necesită consumuri de energie care, chiar dacă principial s-ar putea obține utilizând puterea asociată mărimii de măsurat, introduc dificultăți de realizare a performanțelor impuse semnalului de ieșire și de adaptare de impedanță cu elementele receptoare. De aceea, de cele mai multe ori conversiile care au loc se fac utilizând energia furnizată de aceste surse auxiliare.
Desigur, pentru diverse cazuri particulare pot fi evidențiate și alte elemente auxiliare. Este de observat însă că toate acestea pot fi grupate din punct de vedere funcțional astfel încât se ajunge în ultimă instanță tot la schema din figura 1.3, care reprezintă structura generală tipică a traductoarelor utilizate în cadrul sistemelor automate.
Concluzii.
Elementele componente ale traductoarelor sunt:
a) Elementul sensibil ES (detector, captor, senzor) este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice care interesează. El are capacitatea de a elimina sau reduce la minim influentele exercitate de alte mărimi decât cea care se măsoară și care acționează simultan asupra traductorului. Sub acțiunea mărimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil care conține informația necesară determinării valorii acelei mărimi. Modificarea presupune un consum energetic care poate fi luat:
– din proces, în raport cu fenomenul fizic, cu puterea mărimii de intrare, cu cota din aceasta care poate fi cedată fără a-i afecta valoarea;
– de la o sursă auxiliară de energie, când modificarea de stare are ca efect variații ale unor parametri de material, a căror evidențiere necesită o sursă auxiliară.
În oricare din situații, informația asupra modificării de stare nu poate fi folosită ca atare, ci necesită prelucrări ulterioare.
b) Adaptorul A are rolul de a adapta informația de la ieșirea elementului sensibil la cerințele impuse de aparatura de automatizare utilizată. Funcții realizate de adaptor:
– adaptare – de nivel;
– de putere (impedanța);
– comparația cu unitatea de măsură adoptată, prin conversia variațiilor de stare ale elementelor sensibile în semnale calibrate reprezentând valoarea mărimii de intrare.
Comparația poate fi:
– simultană, când mărimea etalon exercita o acțiune permanentă;
– succesivă, când mărimea etalon este aplicată din exterior, inițial, în cadrul operației de calibrare, anumite elemente constructive memorând efectele sale și utilizându-le ulterior în procesul de măsurare;
– operații asupra mărimii: în funcție de legile fizice pe care se bazează detecția, ele pot fi:
– liniare (atenuare, amplificare, sumare, integrare, diferențiere);
– neliniare (produs, ridicare al putere, logaritmare);
– realizarea unor funcții neliniare particulare intenționat introduse pentru compensarea neliniaritaților inerente și asigurarea unei dependente globale intrare – ieșire liniare în cadrul traductorului.
Adaptoarele pot fi:
– electrice (electronice) – furnizează la ieșire semnal electric;
– pneumatice – furnizează semnal pneumatic.
După forma de variație a semnalului, se împart în:
– analogice, care presupun o variație continuă a unui parametru caracteristic, în semnal unificat;
– numerice – când sunt prevăzute cu CAN (convertoare analog – numerice). S-au impus prin folosirea pe scara tot mai larga a echipamentelor de reglare numerica și a calculatoarelor de proces. Codurile numerice de ieșire trebuie să fie compatibile cu echipamentele (interfețele calculatoarelor), impunând o standardizare și a semnalelor numerice furnizate de traductoare.
c) Elemente de transmisie – sunt elemente auxiliare care realizează conexiuni electrice, mecanice, optice sau de alta natura în situațiile în care tehnologiile de realizare a traductorului o impun.
d) Sursa de energie , necesară în cele mai frecvente cazuri, pentru a menaja energia semnalului util.
2.4 Caracteristici și performanțe ale traductoarelor
Caracteristicile funcționale ale traductoarelor reflectă în esență, modul în care este realizată relația de dependentă intrare-ieșire, ținând cont de întreg ansamblul de factori menționați în capitolul precedent. În faza conceptuală aceste caracteristici se prezintă sub o forma idealizată. Printr-o proiectare și construcție corectă rezultă caracteristicile reale ale traductoarelor, care se caută să fie cât mai apropiate de cele ideale. Performanțele traductoarelor sunt indicatori care permit să se aprecieze măsura în care caracteristicile reale corespund cu cele ideale și care sunt condițiile necesare pentru o cât mai bună concordanță a lor.
Pe linia modului de tratare a sistemelor automate, caracteristicile și performanțele funcționale ale traductoarelor vor fi analizate atât pentru regimul staționar cât și pentru cel dinamic.
Pe lângă aceste caracteristici, importante sub raport funcțional, se vor aborda și modalitățile de evidențiere a unor proprietăți de natura consumului energetic, fiabilității, protecțiilor împotriva mărimilor perturbatoare, etc. care, chiar dacă nu intervin direct asupra relației de dependență, condiționează calitățile tehnico-economice generale ale traductoarelor.
2.4.1 Caracteristici și performanțe de regim staționar
Caracteristicile și performanțele de regim staționar se referă la situația în care mărimile de intrare și de ieșire din traductor nu variază, mai precis parametrii purtători de informație specifici celor două mărimi sunt invarianți. Matematic aceasta se exprimă prin condiția ca toate derivatele în raport cu timpul să fie nule pe un interval de timp concludent pentru caracterizarea comportării traductorului.
Analogia dintre traductoare și aparatele de măsurat se referă în primul rând la funcționarea în acest regim staționar. Într-adevăr, indicația unui aparat de măsurat nu poate reda valoarea mărimii măsurate decât atunci când se menține constantă cel puțin un timp suficient pentru a fi citită corect de către operator. Măsurările din această categorie poartă denumirea de măsurări statice. Ele sunt cele mai frecvente întrucât, deși nu se poate vorbi de mărimi invariante în mod absolut, un număr mare de mărimi fizice sânt caracterizate de regimuri staționare în limite de timp care permit, aprecierea valorii de către operator sau care pot fi considerate ca atare în raport cu alte criterii (de exemplu dinamica foarte rapidă a altor elemente). Funcționarea aparatelor de măsurat în asemenea regimuri a fost îndelung studiată îndeosebi din punctul de vedere metrologic principal și anume precizia.
În virtutea analogiei amintite, cât și a faptului că și în cazul sistemelor de reglare performanțele de regim staționar se referă de asemenea la precizia reglării, este firesc să se adopte și pentru traductoare aceleași metode de caracterizare. În consecință se va utiliza terminologia de caracteristici statice.
Caracteristica statică idealizată a unui traductor este reprezentată de relația intrare – ieșire:
în care y și x îndeplinesc cerințele unei măsurări statice. Relația de dependență poate fi exprimată analitic sau poate fi dată grafic printr-o curbă trasată pe baza perechilor de valori (x, y).
Caracteristica reală a unui traductor reflectă însă și influența unor mărimi perturbatoare, externe (temperatura, presiune umiditate, etc.), cât și interne (zgomot de rezistoare, frecări în lagăre, îmbătrânire, etc.):
Admițând ca influențele mărimilor perturbatoare nu depășesc eroarea tolerată și în ipoteza liniarității traductorului, forma uzuală pentru caracteristica statică a traductoarelor analogice este:
în care x0 și y0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero.
Pentru traductoare sunt tipice caracteristicile statice liniare; numai în cazuri particulare, impuse de sistemul automat, apar caracteristici neliniare.
– liniară unidirecțională:
– proporțională bidirecțională:
– liniară pe porțiuni, cu zona de insensibilitate și saturație:
– liniară pe porțiuni, cu zona de insensibilitate, saturație și histerezis:
Pentru traductoarele numerice caracteristica este cvasiliniară. Cu excepția discontinuităților introduse de cuantificare, care pot fi reduse la valori tolerate micșorând cuanta Δx, caracteristica statică a unui traductor cu ieșire numerică poate fi considerată liniară.
Erori de neliniaritate și de histerezis
Eroarea de neliniaritate (abaterea de la liniaritate) este o măsură pentru evaluarea aproximării liniarității caracteristicii. Liniarizarea se realizează în modul următor: se consideră domeniul (xmin ,xmax) în care se face liniarizarea; între punctele A și B corespunzătoare de pe caracteristica se trasează dreapta reprezentând curba liniarizată. Cea mai mare din diferentele Δy’, Δy’’ se numește abaterea absolută de le liniaritate:
O abatere similară se poate calcula în oricare din punctele domeniului, înlocuind diferența de la numărător în relație cu abaterea din punctul respectiv.
Fenomenul de histerezis se manifestă prin aceea că se obțin două nivele diferite ale semnalelor de ieșire pentru aceeași valoare a semnalului de intrare, în funcție de sensul crescător sau descrescător al variației acestuia la atingerea valorii respective. Eroarea de histerezis este dată de diferența dintre cele doua nivele ale semnalului de ieșire.
2.4.2 Domeniul de măsurare
Se exprimă prin intervalul xmin…xmax în cadrul căruia traductorul permite efectuarea corectă a măsurării. El se situează de regulă în zona liniară a caracteristicii.
La traductoarele cu semnal unificat, limitele de ieșire ymin … ymax se mențin aceleași, indiferent de limitele xmin …xmax.
2.4.3 Sensibilitatea
Admițând caracteristica ideală y = f(x) , sensibilitatea este dată de derivata funcției f(x):
sau
relații valabile pentru o caracteristică liniară.
Pentru o caracteristică neliniară:
x,y sunt variațiile reduse în jurul punctului (x,y). Sensibilitatea astfel definită se numește sensibilitate diferențială.
Unitățile de măsură depind de unitățile de măsură ale mărimilor de intrare și de ieșire.
Dacă mărimile sunt de aceeași natură și raportul este supraunitar, el se numește factor de amplificare, dacă este subunitar se numește factor de atenuare.
Când domeniul este foarte extins pentru mărimea de intrare, se preferă exprimarea prin logaritmul raportului mărimilor de ieșire și de intrare:
Sensibilitatea relativă se definește ca raport între variația relativă a mărimii de ieșire și variația relativă a mărimii de intrare:
fiind întotdeauna adimensională. Este utilă când se compară traductoare cu domenii diferite.
2.4.4 Rezoluția
Intervalul maxim de variație al mărimii de intrare necesar pentru producerea unui salt la semnalul de ieșire se numește rezoluție.
Este utilizată îndeosebi în cazul traductoarelor numerice, fiind exprimat prin numărul de biți. De exemplu, pentru un semnal de ieșire în cod binar natural de 10 biți se deduce că domeniul de măsurat xmax…xmin este cuantificat în 210 = 1024 nivele posibile (inclusiv zero), ceea ce conduce la o rezoluție de cca. 0,1 % din valoarea domeniului.
Rezoluția este un indicator de performanță și pentru traductoare considerate analogice (ex. traductoare de deplasare liniară sau unghiulară bobinate la care variațiile de rezistență prezintă un salt la trecerea cursorului de pe o spiră pe alta).
Rezoluția poate să nu fie aceeași pe întreg domeniul de măsurare, luându-se în considerare fie valoarea maximă, fie o valoare medie (când diferențele nu sunt prea mari), exprimate în procente din domeniu.
2.4.5 Pragul de sensibilitate
Se definește ca fiind cea mai mică variație a mărimii de intrare care poate determina o variație sesizabilă (măsurabilă) a semnalului de ieșire.
Pragul de sensibilitate depinde de următorii factori principali perturbatori:
– zgomotul din circuitele electrice;
– frecări statice;
– jocuri în angrenajele mecanice.
Pragul de sensibilitate nu poate fi coborât sub o anumită limită minimă impusă de zgomotul de agitație termică. Pentru aparatele reale se definește factorul de zgomot:
unde:
– Pzi este puterea de zgomot instrumental;
Pzp este putere de zgomot propriu.
Ca o concluzie:
– rezoluția trebuie privită ca o caracteristică de ieșire;
– sensibilitatea ca o caracteristică de transfer;
– pragul de sensibilitate ca o caracteristică de intrare.
Calitatea traductoarelor este cu atât mai bună cu cât sensibilitatea este mai mare și cu cât rezoluția și pragul de sensibilitate au valori mai reduse.
2.4.6 Precizia
Analogia cu aparatele de măsură continuă și în privința erorilor comise la măsurările cu traductoare. Teoria erorilor este valabilă și în cazul acestora.
Indicatorul esențial de precizie este eroarea admisibilă (tolerată), obținută prin însumarea unor componente elementare de eroare.
Pentru unificarea reprezentării cantitative a preciziei traductoarelor, similar cu situația aparatelor de măsurat, se utilizează indicatorul clasa de precizie. Se da în procente , valorile sale, numite la fel, indice al clasei de precizie, fiind: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5.
Eroarea totală de aparat, sub forma absolută, prin care se poate exprima corect precizia măsurării, în condiții reale de funcționare, este:
unde: – ΔXb este eroarea tolerată intrinsecă (determinată în principal de clasa de precizie);
– ΔXs este eroarea suplimentară (determinată de variația mărimilor de influență (de mediu, exterioare).
În cazul traductoarelor numerice, având în vedere conversia analog – numerică, cele expuse pentru traductoarele analogice pot fi extinse și pentru ele. Mai apare în plus:
– eroarea de cuantificare – eroarea inerentă de metodă egală cu 1/2 din intervalul de cuantificare Δx (bitul cel mai puțin semnificativ) și care se poate micșora prin reducerea intervalului Δx.
2.5 Caracteristici și performanțe de regim dinamic
Regimul dinamic al unui traductor corespunde funcționarii acestuia în situația în care mărimea de măsurat, deci semnalul lui de ieșire, variază în timp. Studierea acestui regim este importantă prin faptul că traductoarele, fiind incluse uzual în sisteme automate, se află în mod obișnuit într-un astfel de regim.
2.5.1 Modalități de caracterizare a regimului dinamic
Considerând traductorul ca un element liniar cu o intrare și o ieșire, funcționarea în regim dinamic este caracterizată de o ecuație diferențială de forma:
unde x(q)(t) și y(k)(t) sunt derivatele în raport cu timpul de ordinul q și k ale mărimii de intrare x(t), respectiv de ieșire y(t), cu coeficienții ak și bq constanți.
Forma generală a soluției ecuației este:
unde:
– ytl(t) este componenta tranzitorie liberă, care nu depinde de intrare, fiind determinată numai de dinamica traductorului și de condițiile inițiale nenule de la ieșire;
– ytf(t) este componenta tranzitorie forțată, care depinde atât de dinamica traductorului cât și de intrare;
– ysf(t) este componenta forțată de regim stabilizat sau permanent, în care, datorită liniarității, se regăsește forma de variație a intrării.
Relația evidențiază faptul că regimul dinamic comportă o parte tranzitorie și una permanentă (stabilizată).
Traductorul ideal din punctul de vedere al comportării dinamice ar fi acela la care componentele tranzitorii nu ar exista și deci, variațiile intrării s-ar regăsi întotdeauna la ieșire, amplificate sau atenuate, conform caracteristicilor statice. Practic acest lucru nu este posibil, componentele tranzitorii exista, valorile și durata lor depinzând de caracteristicile dinamice.
Pentru rezolvarea ecuației diferențiale se adoptă ca ipoteze simplificatoare condiții inițiale nule și, aplicând transformata Laplace, se obține:
Prin definiție raportul:
poartă numele de funcție de transfer. Ea permite o exprimare algebrica și deducerea răspunsului la orice intrare:
Funcția de transfer permite o corelare între analiza teoretică a regimului dinamic și determinările experimentale. Există astfel două metodologii de interpretare a caracteristicilor experimentale prin prisma semnificației funcției de transfer:
– în domeniul timp, pe baza răspunsului la funcția impuls sau treaptă, ținând seama de interpretarea funcției de transfer ca transformata Laplace a răspunsului la impuls Dirac;
– în domeniul frecvență, pe baza răspunsului permanent armonic (la mărime de intrare sinusoidală).
Prin prima metodologie se poate lucra cu mărime de intrare tip impuls Dirac și, trecând prin funcția pondere, să se deducă prin transformata Laplace funcția de transfer. Mai accesibilă este însă aplicarea la intrare a unui semnal treaptă, răspunsul sistemului purtând numele în acest caz de funcția indicială.
A doua metodologie presupune aplicarea la intrare a unui semnal sinusoidal de forma:
x = Xsinωt.
Mărimea de ieșire în regim stabilizat va avea amplitudinea și faza dependentă de frecvență:
sau, sub forma complexă:
Prin legătura între transformata Laplace și transformata Fourier, din relațiile de mai sus, se deduce:
cu X(ω ) constant.
Valorile modulului H(ω), pentru reprezintă caracteristica amplitudine – pulsație, iar caracteristica fază – pulsație, a căror ridicare experimentală permit, prin relațiile de mai sus, deducerea funcției de transfer.
2.5.2 Indicatori de performanțe dinamice deduși din caracteristici experimentale în domeniul timpului
Principala caracteristică experimentală utilizată este funcția indicială (răspunsul la semnal treaptă).
Se prezintă funcția indicială a unui element de întârziere de ordinul II oscilatoriu amortizat, pe care se definesc:
– eroarea sau abaterea dinamică εD ca diferența dintre valoarea curentă y(t) și valoarea stabilizată:
Ea este reprezentată de componenta tranzitorie forțată, scăzând cu timpul și tinzând să se anuleze;
– timpul tranzitoriu (timpul de răspuns) tt – este durata în care eroarea dinamică devine mai mică decât banda de proporționalitate:
– banda de proporționalitate – nu este unanim definită, în cazul traductoarelor se adoptă 1-2 % din ys.
Timpul tt este o măsură a vitezei de lucru a traductorului. Uneori se folosește și:
– timpul de creștere tc – durata în care ieșirea evoluează de la 0,1 ys la 0,9 ys (10 %…90% din ys);
– pulsația oscilațiilor ω se definește prin durata dintre două maxime succesive;
– supracreșterea ( reprezintă primul maxim al ieșirii și depinde numai de factorul de amortizare . Evaluează efectele variațiilor bruște ale mărimii de intrare.
2.5.3 Indicatori rezultați din caracteristica de frecvență
Cunoscând că de regulă traductoarele au caracteristici de filtru trece – jos, adică lasă să treacă și eventual amplifică frecvențele joase, atenuând pe cele înalte, apare necesitatea stabilirii unui domeniu de frecvență:
– lărgimea de bandă de trecere se definește pentru elementele cu caracteristica trece – jos prin valoarea pulsației ωB pentru care modulul H(ω) nu scade la o valoare mai mică de H(ωB) din cea corespunzătoare pulsației ω=0:
sau, sub forma logaritmică:
Lărgimea de bandă trebuie aleasă suficient de mare în raport cu frecvența maximă de măsurat, dar o creștere exagerată a ei permite transmiterea și amplificarea zgomotelor de frecvențe ridicate;
– pulsația de rezonanță ωr este pulsația la care amplitudinea are valoare maximă:
unde ωn este pulsația naturală a elementului.
2.5.4 Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice
Pentru traductoare numerice care operează cu mărimi eșantionate, caracteristicile dinamice sunt descrise cu ajutorul ecuațiilor cu diferențe finite sau al funcțiilor de transfer în variabilă complexă ,
unde TS este perioada de eșantionare.
În cazul unor traductoare analogice cuplate cu CAN problema este mai ușoară. Se definește:
– timpul de stabilire total ca suma dintre timpul tranzitoriu al traductorului analogic și timpul de conversie tN al CAN (durata necesară generării codului numeric după aplicarea semnalului analogic la intrare). Acest al doilea timp depinde de:
– tehnica de conversie (cu numărare, aproximări succesive, cu dublă pantă, etc.);
– numărul de biți al codului furnizat;
– viteza de operare a circuitelor electronice.
Prin analogie, rata de conversie este numărul de conversii posibile în unitatea de timp.
Cunoscând timpul de conversie se pot face evaluări asupra vitezei de variație și a benzii de frecvență a semnalului care poate fi convertit, stabilind corelațiile cu performanțele dinamice cerute de sistemul automat.
Trebuie observat că timpii de conversie ai unui CAN electronic sunt mult mai mici decât timpii de stabilire ai unor elemente sensibile de natură numerică.
2.6 Caracteristici energetice
Puterea consumată în procesul de măsurare poate fi luată parțial sau total de la mărimile de măsurat, ele putând fi clasificate din acest punct de vedere în mărimi:
– active, care pot asigura această putere;
– pasive, care necesită o sursa de energie auxiliară.
Oricărei mărimi X supuse măsurării i se poate asocia o mărime J astfel încât produsul XJ să reprezinte o putere. Raportul lor este în acest caz de natura unei impedanțe – impedanța generalizată (metrologică):
unde: – Zs este impedanța sursei;
– Zm este impedanța mijlocului de măsură.
Este de dorit ca Zm să fie cât mai mare pentru ca puterea solicitată de aparat să fie cât mai mică.
Obținerea unei impedanțe cât mai mari este o preocupare permanentă și la realizarea traductoarelor.
Se pune și problema adaptării impedanței Zm în raport cu cea a sursei Zs, astfel încât consumul energetic și deci eroarea să se mențină în limite strânse.
Adaptarea de nivel (amplitudine) presupune:
– micșorarea amplitudinii mărimii de măsurat X (transformatoarele de măsurare de curent și de tensiune, pârghiile pentru forțe și deplasări, pistoane cu secțiuni diferite pentru presiuni);
– folosirea de amplificatoare de măsurare, când mărimea de intrare e deja redusă, ceea ce presupune deja o sursă auxiliară. Se realizează în acest fel și adaptarea de putere.
Pentru mărimile pasive, folosirea unei surse auxiliare devine obligatorie.
Pentru caracterizarea puterii cerute de la mărimea de măsurat, la un traductor se precizează impedanța de intrare, iar pentru sursa auxiliară natura sa (c.c. sau c.a.), valoarea parametrului (tensiune, curent) și limitele admise de variație.
Pentru cuplarea cu aparatul de măsură receptor, se precizează parametrii semnalului de ieșire al traductoarelor, cea ce impune impedanța de intrare a acestuia.
2.7 Caracteristici constructive
Indicatorii acestor caracteristice vizează modul în care traductoarele își păstrează caracteristicile funcționale sub acțiunea mărimilor de influență.
Principalele caracteristici constructive sunt:
– robustețea – constă în limitarea la maxim a restricțiilor impuse traductoarelor privind condițiile de șocuri, vibrații, variații mari de temperatură, umiditate, presiune, agenți nocivi chimici sau biologici, ale parametrilor sursei de alimentare;
– capacitatea de supraîncăreare definește proprietatea unui traductor de a suporta valori ale mărimii de măsurat care depășesc limita superioară a domeniului, fără ca prin aceasta să rezulte modificări ale performanțelor funcționale (liniaritate, sensibilitate, precizie) sau deteriorări constructive.
Pe timp scurt se numește șoc, pe timp mai lung, suprasarcină;
– protecția climatică este constituită din ansamblul de măsuri care se iau în cadrul calculelor de dimensionare și alegere a materialelor, pieselor și componentelor în proiectarea formei și detaliilor constructive, în special ale carcasei, în stabilirea acoperirii suprafețelor și a tehnologiei de execuție pentru a se asigura că acțiunea complexă a factorilor climatici pe o anumită durată să nu influențeze nefavorabil asupra proprietăților funcționale;
– protecția contra exploziilor cuprinde măsurile specifice aplicate în construcția și montarea traductoarelor – electrice și electronice în special – în scopul de a evita aprinderea atmosferei explozive exterioare de către acestea în diverse regimuri de funcționare;
– protecția anticorozivă constă în evitarea corodării suprafețelor de contact ale traductoarelor la venirea în contact cu diverse tipuri de fluide (acizi, baze, săruri) cu acțiune corozivă;
– gradele normale de protecție sunt măsuri stabilite prin normative standardizate prin care se asigură o serie de protecții specifice utilajelor electrice, precum: protecția persoanelor contra atingerii părților interioare aflate sub tensiune, protecția contra pătrunderii corpurilor străine solide, a apei, contra deteriorărilor mecanice. Sunt simbolizate prin literele IP urmate de două sau trei cifre. Pentru traductoarele electrice protejate suplimentar contra intemperiilor se intercalează litera W intre IP și cifrele care urmează.
2.7.1 Efectele șocurilor și vibrațiilor mecanice. Asigurarea împotriva lor.
Jocurile și vibrațiile au efecte în special asupra rigidității structurilor mecanice, mecanismelor de cuplare și organelor de fixare. Pot fi influențate și contactele electrice și se pot produce ruperi ale conductoarelor. Daca vibrațiile au frecvență variabilă, există pericolul atingerii frecvenței proprii de rezonanță a structurilor mecanice. Jocurile pot produce deteriorări mecanice, degradări ale parților electronice (smulgeri, deplasări ale plachetelor, circuitelor etc.).
Măsurile care se iau pentru asigurarea traductoarelor împotriva acestor efecte constau în rigidizarea corespunzătoare a pieselor componente și subansamblurilor, alegerea unor jocuri optime pentru piesele mobile, reducerea momentelor de inerție și calibrarea corectă a pieselor aflate în rotație, prevederea de elemente amortizoare, miniaturizarea. Se prevăd probe de încercare la șocuri și vibrații, cu anumite frecvente, pe diferite durate.
Pentru fiecare tip de traductor se specifica gama de vibrații – ca frecvență și amplitudine – la care rezistă.
2.7.2 Fiabilitatea traductoarelor
Proprietatea ca traductoarele să funcționeze în limitele parametrilor lor, fără defectare, un timp cât mai îndelungat, definește în sens larg fiabilitatea.
Posibilitatea de prevenire, depistare și înlăturare a defecțiunilor asigura proprietatea de reparabilitate. Proprietatea ca după reparații traductorul să-și reia capacitatea de funcționare se numește restabilire.
Drept măsură a fiabilității – cantitativ – se consideră probabilitatea funcționării fără defecțiuni în decursul unui intervale timp, în condiții date.
Intervalul de timp T în care un traductor funcționează fără` defecte se numește timp de buna funcționare.
Alți indicatori de fiabilitate:
frecvența de apariție a defectelor – estimată prin numărul de defecțiuni ΔN care apar într-un interval de timp Δt la lotul de aparate N0:
– rata defectării λ(t) este densitatea de reapariție a defectării la momentul t, condiționată de faptul că aparatul respectiv a funcționat fără defecțiuni până la momentul considerat.
Funcția de fiabilitate:
–
Daca λ(t) = λ este constantă:
Media timpului de buna funcționare:
si deci:
Probabilitatea ca timpul de funcționare să fie T0 este R(T0) = e-1 = 0,37.
2.8 Principii generale de alegere a traductoarelor
Este o problemă tehnico-economică. Principalii factori care definesc eficiența economică a utilizării traductorului sunt:
– eficacitatea operațională – măsură a modului în care acesta satisface cerințele impuse de aplicația căreia îi este destinat, se referă la o perioadă de utilizare fixată, din punctul de vedere a:
– destinației traductorului (natura și domeniul intrării);
– caracteristici funcționale, statice, dinamice etc.;
– condițiilor de instalare și ale mediului;
– realizării constructive;
– duratei de funcționare;
– condițiilor de verificare și atestare a performantelor.
Componenta eficacității care vizează registrul de performanțe inițiale, capabile să asigure cantitativ și calitativ desfășurarea optimă a procesului tehnologic poartă numele de capabilitate.
Componenta care are în vedere aspectul dinamic, evoluția în timp a capabilității în condițiile prevăzute poartă numele de disponibilitate.
Costurile totale de utilizare însumează cheltuielile de:
– achiziție;
– verificare și instalare;
– întreținere pentru menținerea eficacității operaționale.
2.8.1 Traductoare pentru deplasări liniare
Dată fiind varietatea elementelor sensibile, traductoarele de deplasare se grupează în următoarele categorii:
– pentru deplasări liniare mici (max. sute de mm)
– pentru deplasări unghiulare;
– pentru deplasări liniare mari (metri, zeci de metri);
– de proximitate.
Traductoare pentru deplasări mici
Domeniul acoperit este de ordinul 10-2…102 mm (rareori peste). Cele mai răspândite sunt cele de tip parametric: inductive, capacitive, rezistive.
Traductoare inductive
Elementele sensibile pot fi:
– cu modificarea inductanțelor mutuale;
– cu modificarea întrefierului.
Elemente sensibile inductive cu miez mobil:
Varianta de bază este constituită dintr-o bobină B, de lungime L, în interiorul căreia se deplasează miezul M, sub acțiunea mărimii de măsurat x, deplasare care provoacă modificarea inductanței proprii L, ca în figură. Curba este pronunțat neliniară, datorită câmpului magnetic neomogen din bobină. De aceea se preferă
a) Varianta diferențială, la care se utilizează două bobine atașate în prelungire, la poziția 0 miezul este introdus egal în fiecare din ele. De asemenea se îmbunătățește și sensibilitatea. Cele două inductanțe sunt:
unde:
– N1,N2 – nr. de spire;
– G1, G2 – reluctanțele bobinelor, care de fapt variază neliniar cu x.
La o deplasare a miezului, de exemplu intrând mai mult în L1, valoarea inductanței L1 creste, iar L2 scade. Raportul de divizare se abate de la 1:2. Punerea în evidență a variației Δz de impedanță se poate face prin conectarea bobinelor în brațele adiacente ale unei punți de impedanțe, alimentată în c.a. de la o sursă de tensiune efectivă Uef și pulsație ω cunoscute și constante. Miezul mobil se continuă cu o tijă din material neferomagnetic și se fixează de piesa în mișcare sau într-un sistem mecanic cu palpator, presat pe suprafața de măsură printr-o forță elastică. De obicei miezul are lungimea 0,2…0,8 din lungimea bobinei, deplasarea maximă de măsurat fiind aprox. 0,1 din lungimea miezului. Tensiunea alternativă de alimentare are frecventa de la sute de Hz la 10..20 kHz (tipic 5 kHz).
b) Transformatorul diferențial liniar variabil (TDLV) – este o varianta la care bobinele din montajul diferențial constituie secundarul unui transformator. Caracteristica de răspuns se poate observa în figură. Bobina primară este alimentata în c.a., în bobinele secundare se induc tensiuni în opoziție de fază, ele fiind legate în sens contrar. Diferența de tensiuni este nulă în poziția de mijloc a miezului. Performanțe ale acestei variante:
– lipsa frecărilor la deplasarea miezului – rezultă durată de viata mărită, moment de inerție redus, fiabilitate, robustețe;
– rezoluție și reproductibilitate foarte bune;
– insensibilitate la deplasări radiale ale miezului;
– posibilitatea protejării bobinei de mediile corozive;
– asigurarea separării galvanice.
O schemă de adaptor pentru un astfel de traductor se dă în figura următoare.
2) Elemente sensibile cu întrefier variabil. Variante:
a) varianta de bază: cu modificarea grosimii întrefierului prin deplasarea armăturii mobile în dreptul unui miez feromagnetic, uzual din tole bobinate. în alte variante miezurile sunt din ferite, cu armatură feromagnetică. Inductanța elementului este:
unde:
N – nr. de spire;
lk – lungimea circuitelor magnetice;
Sk – suprafețele de închidere a fluxului magnetic;
μk – permeabilități magnetice.
La o variație x a distanței dintre armatura mobilă și cea fixă, inductanța devine:
b) varianta diferențială, care ameliorează dependența neliniară din relația anterioară față de x a inductanței. Tensiunea de dezechilibru este:
Rezultă că R trebuie să fie mic pentru ca variația de inductanță să determine o variație aproximativ egală de impedanță. Condițiile de liniaritate și de sensibilitate nu pot fi îndeplinite simultan, optimul fiind pentru , cu o variație a întrefierului .
Varianta transformator o întâlnim sub forma:
– simplă; – diferențială.
Adaptorul pentru transformatorul diferențial cu modificarea întrefierului este realizat din etaje de tip amplificator / redresor și mai frecvent, montaje de tip oscilator cu cuplaj magnetic, deci cu amplificator și un cuadripol de reacție de tip circuit oscilant cu reacție.
Aceste elemente sensibile se caracterizează prin:
– gabarit redus;
– rezoluție foarte buna;
– robustețe;
– domenii mici (zeci de μm).
2.8.2 Traductoare capacitive
Se folosesc condensatoare plane, la care se pot modifica:
distanta dintre armaturi.
având sensibilitatea:
si sensibilitatea relativa:
Sensibilitatea este sporita la variații mici ale deplasării (μm):
La montajul diferențial:
care depinde liniar de x.
Conversia în semnal util se face cu o punte Sauty, alimentata la 500…5000 Hz, în celelalte brațe având condensatoarele C3 și C4, tensiunea de dezechilibru fiind preluata de un amplificator și un redresor sensibil la fază.
suprafața armaturilor.
Sensibilitatea este constantă:
unde:
– a,d sunt dimensiunile condensatorului plan;
– x este deplasarea relativă a fețelor una față de alta.
Aceste elemente sensibile se folosesc mai mult pentru măsurarea deplasărilor unghiulare.
c) permitivitatea dielectricului.
În varianta de bază se realizează din doi cilindri ficși, între care se deplasează un manșon izolator cu o constantă dielectrică diferită de a aerului, alunecând cu frecare cât mai redusă. Se folosesc la măsurarea nivelului unui lichid dielectric sau pulberi dielectrice. Dacă se folosește un condensator plan, a cărui caracteristică este neliniară, elementul sensibil poate servi la măsurarea grosimii unor materiale dielectrice.
Aceste elemente necesită etaje de amplificare cu impedanță mare de intrare, deoarece la modificări de capacități mici (20…200 pf), chiar la frecvențe ridicate (2…20 kHz) impedanțele de ieșire sunt mari, impunând amplificatoare cu Zi min = 20 MΩ. Acest fapt constituie o limitare în folosirea acestor traductoare.
2.8.3 Traductoare rezistive
Deși sunt cele mai simple constructiv, au o folosire mai redusă datorită preciziei și rezoluției relativ scăzute.
Se bazează pe variația rezistentei electrice R a unui conductor cu:
– lungimea l;
– rezistivitatea δ;
– aria secțiunii S;
Schemele de conversie folosite sunt:
– în montaj reostatic, cu ieșire în curent:
deci cu dependența liniară
– montaj potențiometric cu ieșirea în tensiune:
Caracteristica statica este liniară doar pentru , m = 0. Neliniaritatea este cu atât mai mare cu cât RS este mai mică.
Altă eroare de neliniaritate apare datorită pasului de bobinare, când cursorul calcă pe două spire.
Rezoluția uzuală este de 10-3…10-4 din mărimea măsurată (0,01mm la 100 mm). Elementele sensibile se protejează de impurități prin capsulare.
Există:
– elemente sensibile realizate prin bobinarea cu pas uniform a unui fir conductor pe un sport izolant; firul este din material cu coeficient de variație al rezistivității cât mai mic: manganin, constantan, nicrom. Pentru cursor se realizează perii din fire de Ag cu grafit; pentru carcasă materiale ceramice cu bună izolație și stabilizate cu temperatura.
– elemente sensibile realizate din materiale conductive, capabile să reziste la un număr mare de curse ale cursoarelor (plastic conductiv), permițând obținerea de traductoare liniare suficient de lungi (sute de mm).
2.9 Traductoare de viteză
În acest capitol sunt prezentate traductoarele de viteză liniară și unghiulară utilizate pentru conversia în semnale electrice calibrate a vitezelor unor corpuri solide aflate în mișcare de translație, respectiv în mișcare de rotație în jurul unei axe. În automatizările industriale, această categorie de traductoare își găsește aplicație în special în acționările reglabile, care necesită controlul vitezei elementelor de execuție.
Viteza, prin definiție, este o mărime vectorială.
ținând seama că direcția de deplasare a corpului în mișcare (suportul)este în general fixată, de regulă, aceste traductoare furnizează un semnal care reprezintă modulul vitezei și eventual, sensul.
2.9.1. Viteză liniară
Dacă un punct material este în mișcare pe o dreaptă, atunci notând cu x(t) poziția sa la momentul t față de origine, viteza sa liniară la momentul t va fi:
(1)
Pentru un interval de timp , suficient de mic, astfel încât viteza liniară să poată fi considerată constantă, expresia (1) capătă forma:
(2)
unde este distanța parcursă pe dreaptă de punctul material în timpul .
În cazul măsurării vitezei liniare se adoptă relația (2) considerând că viteza rămâne constantă pe durata măsurării (mișcare uniformă).
Dacă un punct material este în mișcare circulară, notând cu poziția sa unghiulară la momentul t față de origine, viteza unghiulară la momentul t va fi:
(3)
Pentru un interval de timp suficient de mic, astfel încât viteza unghiulară să poată fi considerată constantă, expresia (3) capătă forma:
(4)
unde este măsura unghiului parcurs de raza vectoare în timpul . Similar ca pentru viteza liniară se adoptă relația (4), considerând că deplasarea unghiulară este uniformă pe durata măsurării.
De regulă, în loc de viteza unghiulară se folosește mărimea denumită turație sau viteză de rotație, care reprezintă numărul de rotații executate de corpul solid într-o unitate de timp și se măsoară în rot/min sau rot/s.
2.9.2. Principii și metode utilizate în măsurarea vitezei
La baza metodelor de măsurare a vitezei stau principii care fie derivă direct din relațiile (2) și (4) cum sunt: măsurarea distanței (unghiului) parcurse într-un interval de timp cunoscut, cronometrarea timpului de parcurgere a unei distanțe (unghi) cunoscute, fie sunt consecințe a unor legi fizice ca de exemplu legea inducției electromagnetice, efectul Doppler, etc. Măsurarea distanței (unghiului) parcurse într-un interval de timp dat. Pe traiectoria mobilului se marchează repere la o distanță constantă și relativ mică între ele (respectiv în cazul mișcării circulare). Considerând un interval de timp T0, cunoscut, suficient de mare astfel încât mobilul să treacă prin dreptul mai multor repere (i), distanța parcursă de mobil în acest timp va fi:
(5)
respectiv, unghiul parcurs în cazul mișcării circulare va fi:
(5’)
Viteza mobilului se exprimă prin relația:
(6)
unde = constant.
Corespunzător, viteza unghiulară se deduce din relația:
(7)
unde = constant
Operația de măsurare constă, în esență, din determinarea numărului i.
Cronometrarea timpului de parcurgere a unei distanțe (unghi) date.
Considerând pe dreapta pe care se deplasează mobilul două repere fixe, situate la distanță L0 cunoscută, viteza mobilului se poate determina măsurând intervalul de timp în care mobilul parcurge distanța L0 între cele două repere:
L0 = constant (8)
Analog se poate determina viteza unghiulară considerând două repere pe circumferința pe care se deplasează un punct material solidar mobilul aflat în mișcare de rotație:
, (9)
În relația (9) reprezintă unghiul la centru determinat de cele două repere, iar – timpul în care punctul material parcurge arcul dintre cele două repere.
Legea inducției electromagnetice. Tensiunea electromotoare indusă pe o curbă închisă (C) nedeformabilă, din material conductor (de exemplu o spiră de cupru), este egală și de semn contrar cu viteza de variație în timp a fluxului magnetic printr-o suprafață oarecare Sc care se sprijină pe curba C:
(10)
unde B este inducția magnetică, iar dA – elementul de arie.
Dacă se consideră o bobină cu N spire, fluxul total prin bobină va fi de N ori mai mare decât fluxul printr-o spiră :
(11)
iar tensiunea electromotare indusă (t.e.m.) în bobină va fi:
(12)
Din (12) se observă că, dacă este dependent de deplasarea bobinei față de o poziție de referință, atunci t.e.m. va fi funcție de viteza de deplasare a acesteia.
De obicei, în aplicațiile industriale mișcarea de translație este obținută dintr-o mișcare de rotație (cazul motoarelor electrice rotative). Cunoscând viteza unghiulară a unui disc de raza r, viteza liniară (pe direcția tangențială) la periferia discului va fi:
(13)
ceea ce relevă proporționalitatea vitezei liniare cu cea unghiulară.
Capitolul 3
Sistem de înregistrare cu senzor laser pe locomotivă
Pe măsură ce tehnologia evoluează, cerințele cresc iar sistemele de măsurare ca senzorii cu microunde și senzori radar sunt influențați de numeroși factori externi care le afectează performanța.
Astfel, pentru a face față cererii, se dezvoltă sisteme mai performante și mai precise.
Un astfel de sistem este bazat pe o diodă cu laser infraroșu.
3.1 Principiul de funcționare
Principiul de funcționare este bazat pe tehnologia mouse-ului optic cu laser.
Fig 3.1 Principiul de funcționare al sistemului de înregistrare cu laser
Dioda cu laser infraroșu iluminează suprafața osiei, iar lumina se reflectă de pe suprafață și este colectată prin lentile.
Când osia se mișcă, senzorul face poze la intervale foarte scurte de timp și compară imaginile pentru a determina distanța și direcția parcursă.
Fig 3.2 Comparația intre 2 imagini
Fig 3.3 Fixarea sistemului sub locomotivă direct deasupra osiei
Senzorul optic transformă lumina captată într-un semnal electric de formă binară („0” și „1” logic) care mai apoi este transmis unitatea centrală.
Rezultatele oferă o valoare precisă a vitezei de deplasare și pot detecta eficient frânarea.
Lumina laserului creează un model de constrast ridicat când se reflectă de pe o suprafață.
Acest model care apare pe senzor dezvăluie în mod foarte precis detalii și diferențe pe orice suprafață chiar și cele lucioase.
În acest caz senzorul de imagine nu are nici o dificultate să urmărească aceste modele cu precizie și să calculeze direcția și mișcarea.
Un asemenea senzor are aproximativ 500-6469 cadre pe secundă (fps – frames per second).
Detaliile imaginii depind și de mărimea imaginii și de calitatea lentilelor și de lungimea de undă și culoarea corespunzătoare a sursei de lumină.
Culoarea luminii poate afecta contrastul imaginii suprafeței.
De exemplu detaliile sunt mai bine înregistrate cu o lumina roșie decât cu o lumina albastră.
Mai jos este prezentat un tabel cu gama lungimii de undă in funcție de culoare.
Pentru a funcționa în cele mai dure condiții, sistemul este complet izolat în capsulă de sticlă.
Pentru a crește siguranță operațională un canal optic indică orice pete care pot apărea pe sticlă sau orice daune, lucru care ușurează mentenanță.
3.2 Avantajele sistemului
Spre deosebire de tehnologia radar sau GPS acest sistem nu este influențat de mediul în care este folosit.
De exemplu în tunele sau sub pământ atât detecția radar cât și detecția GPS este limitată și costisitoare având o precizie scăzută.
Acest sistem funcționează la nivel optim indiferent de mediu deoarece nu este influențat sau limitat de tunele, parcurs subteran, vreme etc.
Se pot adăuga pe osii gradații pentru creșterea preciziei prin ușurarea comparației de imagini.
3.3 Interoperabilitate
Acest sistem poate funcționa în sincron cu un GPS în mod independent, lucru care crește siguranța deoarece în cazul defectării sistemului, GPS-ul poate fi folosit ca înlocuitor de urgență.
În același timp acest sistem poate fi conectat prin o rețea GSM-R la un centru de monitorizare al traficului feroviar pentru a transmite viteză și direcția precisă a locomotivei și de asemenea accelerația sau frânarea.
Fig 3.4 Schema de interoperabilitate
Concluzii
Astfel sistemul de înregistrare cu senzor laser îndeplinește toate cerințele și poate aprecia cu precizie următoarele domenii:
– măsurarea vitezei de deplasare și accelerației
– detectarea sensului de deplasare
– măsurare directă și independentă de calea ferată sau de mediu
– gama de viteze cuprinsă între 0.2 – 400km/h
– achiziții de date fiabile în timpul frânării
– detecția stationării (la viteze mai mici de 0.2 km/h)
– costuri scăzute de mentenanță
– detectarea daunelor sau petelor pe sticlă
– Iluminarea de o diodă cu laser de alimentație mare.
Bibliografie
http://en.wikipedia.org/wiki/GSM-R
http://ertms.uic.asso.fr/2_etcs.html
http://computer.howstuffworks.com/question631.htm
4) Using optical mouse sensors for sheet position measurement
W.P.H. Kamphuis DCT 2007.20 Traineeship report Coach(es): ir. B.H.M. Bukkems ir. P. van den Bosch (Océ) Supervisor: dr. ir. M.J.G. van de Molengraft
5) Understanding Optical Mice By Teo Chiang Mei Navigation Interface Division, Avago Technologies
6) British Application of ERTMS ERTMS Operational Concept Level 0 and Level 2 Without Lineside Signals (RSSB-ERTMS-OC issue 1)
7) http://ro.scribd.com/doc/211813547/Tahograful-referat
8) http://aei.geniu.ro/downloads/st/STcurs1.pdf
9) http://www.gsm-rail.com/sites/default/files/documents/GSM-R_vs_Dig_Trunk_sys.pdf
10) http://www.robotics.ucv.ro/master/pdf/Traductoare,%20senzori.pdf
11) http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/MASURAREA-MARIMILOR-NEELECTRIC1552201118.php
12)http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/MASURAREA-MARIMILOR-NEELECTRIC1552201118.php
Bibliografie
http://en.wikipedia.org/wiki/GSM-R
http://ertms.uic.asso.fr/2_etcs.html
http://computer.howstuffworks.com/question631.htm
4) Using optical mouse sensors for sheet position measurement
W.P.H. Kamphuis DCT 2007.20 Traineeship report Coach(es): ir. B.H.M. Bukkems ir. P. van den Bosch (Océ) Supervisor: dr. ir. M.J.G. van de Molengraft
5) Understanding Optical Mice By Teo Chiang Mei Navigation Interface Division, Avago Technologies
6) British Application of ERTMS ERTMS Operational Concept Level 0 and Level 2 Without Lineside Signals (RSSB-ERTMS-OC issue 1)
7) http://ro.scribd.com/doc/211813547/Tahograful-referat
8) http://aei.geniu.ro/downloads/st/STcurs1.pdf
9) http://www.gsm-rail.com/sites/default/files/documents/GSM-R_vs_Dig_Trunk_sys.pdf
10) http://www.robotics.ucv.ro/master/pdf/Traductoare,%20senzori.pdf
11) http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/MASURAREA-MARIMILOR-NEELECTRIC1552201118.php
12)http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/MASURAREA-MARIMILOR-NEELECTRIC1552201118.php
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: Sistem de Înregistrare la Bordul Locomotivei (ID: 163541)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.