Structura și conținutul lucrării de licență [308337]

Structura și conținutul lucrării de licență

Lucrarea de licență este structurată în 4 capitole.

În Capitolul 1,[anonimizat] a acestora.Se mai prezintă diferite tipuri de traductori pentru mărimi mecanice cum ar fi: [anonimizat].

În Capitolul 2,Achiziții de date va fi prezentată schema generală a unui sistem de măsurare cu achiziție de date precum și structura generală a unei plǎci de achiziție.Sunt prezentate mai multe arhitecturi a sistemelor de măsurare: [anonimizat], cu microprocesoare.[anonimizat]-numeric.Tot aici vom vedea cum putem alege tipul de convertor pe care il dorim.Vom prezenta totodată diferite tipuri de plăci de achiziție și modul în care acestea pot fi programate.

În Capitolul 3,Timbre tensometrice este prezentată istoria și dezvoltarea timbrelor tesometrice precum și principiul de funcționare al acestora și modul de măsurare.Mai departe vom arata caracteristicile timbrelor tesometrice([anonimizat].[anonimizat],[anonimizat],Dimensionarea timbrelor tensometrice).Vom prezenta mai multe tipuri de legare a timbrelor cu instrumentele de achiziție în diferite tipuri de punți tensometrice dar și modul în care se lipesc timbrele tesometrice.

În Capitolul 4,[anonimizat]711, [anonimizat], [anonimizat] 6216,programul LabVIEW dar și realizarea aplicației LabVIEW pentru achiziția datelor.

Capitolul 1.Senzori si traductori

1.1.[anonimizat].

[anonimizat] o mărime fizică,o [anonimizat].Senzorul poate fi definit ca un dispozitiv ce poate face ca unei mărimi de intrare să îi corespună o mărime de ieșire pe baza unei legi bine determinate.Principalul rol al unui senzor este de a converti mărimea măsurată într-o mărime care variază cu mărimea masurată.[8]

Fig. 1.1. Utilizarea senzorilor pentru măsurarea unui fenomen

Senzorul preia mărimea de intrare m(t) (mărimea pe care dorim să o determinăm) si o transformaă într-o mărime de ieșire x(t) care in deosebi este de altă natură decât mărimea de intrare m(t) , dar ale cărei variații respectă variația mărimii de intrare.[8]

Fig. 1.2. Schema bloc a unui senzor cu semnale de intrare și ieșire[3]

Principalele tipuri de mărimi care pot fi măsurate prin intermediul senzorilor sunt prezentate în tabelul 1.

Tabelul 1. Principalele tipuri de mărimi măsurabile [2].

1.1.1.Clasificarea sezorilor

Există o multitudine de criterii pe baza cărora se poate face clasificare a senzorilor, dintre cele mai importante amintim :

1.în funcție dacă există sau nu contact cu obiectul a cărui proprietate fizică o măsoară:

senzori cu contact

senzori fără contact

2.în funcție de proprietățile pe care le pun în evidență:

senzori pentru determinarea formelor și dimensiunilor (pentru evaluarea în mediu de lucru)

senzori pentru determinarea proprietăților fizice ale obiectelor (de forță, presiune, de cuplu, de densitate și elastici)

senzori pentru proprietăți chimice (de compoziție, de concentrație, analizatoare complexe)

3.în funcție de culegerea de informații a senzorului:

senzorii pentru mediul extern

senzorii pentru funcția internă

4.în funcție de natura mărimii de intrare ce reprezintă mărimea de măsurat:

senzori de deplasare

senzori de temperatura

senzori de radiații ionizate

5.în funcție de natura mărimii de ieșire:

senzori rezistivi

senzori inductivi

senzori capacitive

6.în funcție de modul de obtinere a energiei necesare de formare a semnalului metrologic:

senzori activi

senzori pasivi

7.în funcție de modul de variație a mărimii de ieșire :

senzori analogici

senzori digitali

8.în funcție de expimarea mărimii de deplasare:

senzori de pozitie

senzori de deplasare

9.în funcție de semnalul furnizat de senzor:

senzori numerici incrementali

senzori numerici absoluti

senzori analogici

10.în funcție de natura mărimii de intrare:

senzori liniari

senzori rotativi

Proprietățile unui senzor ce îl diferențiază de traductor:

Un senzor realizează măsurarea într-o manieră similară organelor de simț umane.

Senzorii sunt de dimensiuni reduse, ceea ce conduce la determinări „punctuale”, făcând posibilă extinderea către o arie de măsurare sau o matrice de senzori.

Senzorii permit determinarea unei hărți a unei scene investigate prin metode sau mijloace de baleiere.

Fig. 1.3. Clasificarea caracteristicilor senzorilor[6]

Fig. 1.4. Clasificarea senzorilor din dotarea roboților[6]

1.1.2.Caracteristicile și performanțele senzorilor

Intervalul de măsurare

Intervalul de măsurare reprezintă variața mărimii de intrare într-un interval ce este cuprins între o limită inferioară xmin și o limită superioară xmax pentru care un senzor poate furniza informații de măsurare, cu o incertitudine de măsurare prestabilităDe cele mai multe ori acest interval de măsurare este specificat chiar în denumirea senzorului (ex: Senzor de presiune P10_500_24V – senzor de presiune 10-50 bar).Solicitările mecanice, termice, sau electrice la care este supus un senzor, odată depășite, modifică caracteristicilor senzorului definite de producator prin caracteristicile de etalonare[8]

Domeniul de deteriorare

Odată depășite valorile nominale ale domeniului de măsură, dar rămânând în anumite limite prescrise care nu duc la distrugerea senzorului, caracteristicile acestuia riscă să se modifice. Revenirea la domeniul nominal reduce senzorul în parametrii nominali prescriși de fabricant.[8]

Domeniul de distrugere

Odată depășite valorile domeniului de deteriorare dar rămânând în anumite limite ce nu duc la distrugere, caracteristicile senzorului se modifică ireversibil.

Erorile senzorilor 1.Erori de achiziție:

erori de sistematice

erori de aleatoare

erori de măsurare

erori grosolane[3]

2.Erori de prelucrarea datelor:

acuratețea calculului valorilor din mǎsurǎtori

acuratețea modelului de mǎsurare instalat

3.Erori sistematice:

erori de calibrare a instrumentelor de mǎsurare – erori ce pot fi eliminate prin calibrarea instrumentelor de masurare;

erori de mǎsurare datorate senzorului – erori ce pot fi eliminate prin calibrarea senzorului);

erori de condiționare a semnalului – erori ce pot fi eliminate prin calibrarea senzorului cu circuitele de condiționare conectate;

erori de instalare a senzorului;

erori de aranjare spațialǎ a senzorului;

erori temporale;

erori datorate temperaturii – erori ce pot fi eliminate prin calibrare și mǎsurǎri la aceeași temperaturǎ.[2]

4.Erori aleatoare:

erori de citire a instrumentelor de mǎsurare

erori datorate modificǎrilor în condițiile de experiment

1.2.Traductori

Traductorul este un dispozitiv care convertește o anumită mărime fizică în altă mărime fizică.[1]

Mărimile fizice investigate se împart în:

electrice

mecanice

termice

optice

magnetice

chimice.

Un lanț de măsurare este alcătuit dintr-un mijloc electric de măsurare ce este reprezentat printr-o schemă functională alcătuită din: convertor de intrare,de prelucrare, și de ieșire.Convertoarele de intrare transformă mărimea de măsurat într-un semnal electric, convertoarele de prelucrare transformă semnalul electric ca aceasta să poată acționa convertoarele de ieșire, care în final dau posibilitatea citirii sau înregistrării valorii măsurate.[5]

Schemele funcționale pot fi clasificate după:

1.în funcție de natura mărimii de măsurat:

activă

pasivă

2. în funcție de obținere a valorii măsurate:

analogic

digital.

Fig. 1.5. Schema bloc a unui sistem de măsurare și control[4]

1.2.1.Clasificarea traductoarelor

La un traductor modificarea naturii semnalului reflectă conversia unei forme de energie în alta si conduce la redesenarea schemei bloc a unui sistem de măsurare și control precum în fig.1.4.Observăm că există șase tipuri de semnale: chimice (CH),termice (TR), mecanice (MC), magnetice (MG),radiante (RD) și electrice (E).În blocul de prelucrare se pot utiliza oricare dintre cele șase forme de semnal, caz întâlnit aproape în toate realizările de sisteme de măsurare și control, dar există și abateri de la această situație.Exemple de astfel de abateri sunt date de optica integrată) și de dispozitivele bazate pe unde de suprafață[8]:

1.în funcție de natura mărimii aplicate la intrare:

traductoare de temperature

traductoare de presiune

traductoare de radiație

2.în funcție de natura mărimii de ieșire:

traductoare rezistive

traductoare inductive

traductoare capacitive

3. în funcție de natura mărimii intrare-ieșire:

traductoare de mărimi electrice în mărimi electrice (amplificatoare, transformatoare, divizoare)

traductoare de mărimi neelectrice în mărimi neelectrice (pârghii, reostate, membrane)

traductoare de mărimi neelectrice în mărimi electrice

4.în funcție de modul în care are loc transformarea semnalului în traductor:

directe

complexe.

La traductoarele directe, “mărimea neelectrică este convertită direct în semnalul electric de la ieșire. Funcționarea lor se bazează pe faptul că o proprietate electrică ce caracterizează traductorul este dependenta de mărimea neelectrică de interes.Cateva exemple: termorezistențele și termocuplurile.În cele mai multe cazuri, situația ideală corespunzătoare traductoarelor directe nu se întâlnește din diferite motive: fie nu există metode convenabile de transformare directă a mărimii neelectrice într-o mărime electrică, fie mărimea electrică de la ieșirea traductorului nu depinde numai de mărimea neelectrică de măsurat, ci și de alți factori perturbatori, determinați de obiectul măsurat sau de mediul ambiant.În aceste situații se realizează traductoare complexe, în care conversia semnalului neelectric se face în mai multe etape intermediare. Exemple se pot da: traductoarele diferențiale, traductoarele cu compensare etc.”[8]

5.după principiul de funcționare:

traductoare modulatoare(parametrice)

traductoare energetice(generatoare)

În cazul traductoarelor modulatoare, “semnalul neelectric determină modificarea unei proprietăți electrice a traductorului (rezistență, capacitate, inductanța mutuală, coeficient de atenuare a radiației etc.). Punerea în evidență a modificării necesită existența unei surse exterioare de energie. Exemple: termorezistența, transformatorul diferențial, fotorezistența, piezorezistența, microfonul capacitiv etc.În cazul traductoarelor generale semnalul neelectric determină generarea unei tensiuni electromotoare, a unui curent sau a unei sarcini.”Exemple: termocuplul, traductoarele piezoelectrice.Împărțirea traductoarelor în parametrice și generatoare este importană din punct de vedere al modului în care se face prelucrarea semnalului electric de la ieșirea traductorului: circuitele de prelucrare sunt complet diferite.[8]

6.după forma semnalului de la ieșirea traductorului:

traductoare analogice

traductoare digitale

Structura generală a unui traductor

Mărimea de măsurat x aplicată la intrarea traductorului este reprezentată de parametrul reglat (temperatura, debit, presiune, viteza, etc.) La ieșire, traductorul furnizează valoarea mărimii măsurate y sub forma unui semnal unificat în concordanță cu cerințele aparaturii de automatizare. (doar dacă aceasta nu este standardizată)[8]

Fig. 1.6. Structura generalã a unui traductor

Pentru sistemele de conducere complexă poate să apară necesitatea caracterizării procesului printr-o mărime de calitate rezultată din combinarea mai multor parametri.Obținerea valorii acestei mărimi de calitate se realizează prin operații specifice măsurărilor indirecte, în cele mai multe cazuri, asupra semnalelor de ieșire de la mai multe traductoare cu aceeași structură precum cea din fig.1.6.[7]

Elementul sensibil ES (senzorul) este folosit pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. Elementul sensibil este caracterizeazat prin faptul că are proprietatea de a detecta doar mărimea de intrare x, eliminând/ reducând la un minim acceptabil influențele pe care le exercită asupra sa restul mărimilor fizice existente în mediul.”

Are loc o modificare de stare a elementului sensibil ce se petrece sub acțiunea mărimii de intrare,ce conține informația 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 sub 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. În alte situații modificarea de stare are ca efect variații ale unor parametri de material.”[8]

Adaptorul A are rolul de a adapta informația obținută la ieșirea ES, cerințele impuse de aparatură, precum și să o convertească sub forma impusă pentru semnalul y. Cu privire la adaptor se pot remarca câteva particularități[8]:

pe partea de intrare adaptorul se caracterizează printr-o 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 deseori elemente constructive commune, specifice generării semnalelor unificate și care nu depind de tipul sau domeniul de valori mărimii de intrare.

Funcțiile realizate de adaptor sunt complexe. “Ele determină adaptarea de nivel sau de putere (impedanța) cu referire la semnalul de ieșire în raport cu dispozitivele de automatizare. Este cel care asigură conversia variațiilor de stare ale elementelor sensibile în semnale calibrate reprezentând valoarea mărimii de intrare. Așadar putem 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 multe, ele ținând de principiile de măsurare aplicate și determinând diferențieri structurale importante ale adaptoarelor. Comparația se poate face în raport cu o mărime etalon care exercită o acțiune permanentă și simultană cu mărimea de intrare.”De notat faptul că, potrivit legilor fizice, poate să apară necesitatea efectuării unor operații de calcul liniare (amplificare, integrare, diferențiere), neliniare (produs, ridicare la putere, logaritmare), sau realizării unor funcții neliniare particulare introduse intenționat pentru compensarea neliniarităților inerente anumitor componente și asigurarea unei dependențe liniare intrare-ieșire pentru traductor în ansamblu.[8]

Ținând cont de elementele constructive comune impuse de tipurile de semnale furnizate la ieșire, adaptoarele pot fi grupate în două categorii:

electrice

pneumatice

Forma de variație a semnalelor respective conduce la o altă modalitate de clasificare:

analogice

numerice.

Semnalele analogice se caracterizează prin variații continue ale unui parametru caracteristic. Exemple de semnale analogice:

curent continuu- 4…20mA

tensiune continuă -10…+10V

presiune – 20…100kN/m²

Prin calibrare, intervalul de variație al semnalului analogic se asociază domeniul necesar al mărimii de intrare în traductor iar fiecărui nivel de semnal îi corespunde o valoare bine precizată a mărimii măsurate.”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”.[8]Cele mai utilizate sunt:

binar natural : 8, 10, 12 sau 16 biți;

binar codificat zecimal: 2, 3, sau 4 decade.

“Orice traductor 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(SAE).” Astfel sunt cazuri, ca de exemplu la măsurarea temperaturilor ridicate, când elementul sensibil nu poate fi plasat în aceeași unitate constructivă cu adaptorul. În astfel de 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. În categoria elementelor auxiliare se încadrează si sursele de energie din cadrul traductoarelor. Conversiile au loc atât în elementul sensibil, cât și în adaptor necesită consumuri de energie.De aceea, de cele mai multe ori conversiile care au loc se fac utilizând energia furnizată de aceste surse auxiliare.[8]

În fig.1.9. se prezintă structura generală a traductoarelor utilizate în cadrul sistemelor automate unde, S este semnalul, E este energia.[4]

Fig. 1.7. Notația și simbolul traductorului parametric (a) și

traductorului general (b)[7]

În fig.1.7.a) sunt indicate simbolul și notația pentru un traductor generator, iar în fig.1.7.b) simbolul și notația pentru un traductor parametric.

1.2.3.Traductori pentru mărimi mecanice

1.2.3.1.Traductoare de debit Traductoarele pentru măsurarea debitelor de fluide în conducte au la baza funcționării diferite fenomene și efecte, cum ar fi: generarea unei presiuni diferențiale pe o strangulare de secțiune constantă sau variabilă, crearea unei presiuni dinamice în centrul conductei, inducția electromagnetică, propagarea ultrasunetelor în mediul fluid, rotirea unei elice sau turbine aflate în contact cu mediul fluid în mișcare, umplerea succesivă a unor camere de volum constant, încălzirea mediului fluid de la o sursă termică etc.[9]

Traductoare cu tub Pitot

Traductoarele cu tub Pitot (fig. 1.8) se utilizează la determinarea debitelor fluidelor relativ curate, care circulă cu viteză mare prin conducte cu diametrul mare, pe baza presiunii dinamice pe care o exercită fluidul în mișcarea sa.

Fig. 1.8. Traductor de debit cu tub Pitot

Traductoare Vortex

Traductoarele Vortex permit măsurarea debitului pe baza frecvenței de oscilație a presiunii jetului de fluid turbionat prin intermediul unui obstacol de formă specială (element Vortex), introdus în mijlocul conductei (fig. 1.9).[9]

Fig. 1.9. Traductor de debit tip Vortex.

Pulsațiile presiunii din zona elementului Vortex sunt sesizate cu ajutorul unui senzor piezoelectric, amplasat în interiorul elementului Vortex și protejat de fluid prin intermediul unei membrane elastice speciale. Frecvența pulsatile este proporțională cu debitul, putând varia în gama 10…1000 Hz. Cea mai bună liniaritate a caracteristicii statice a traductorului se obține pentru valori ale numărului Re cuprinse între 104 și 105.[9]

1.2.3.2.Traductoare de forță

Traductoarele de forță au la baza funcționării efectul de modificare a dimensiunilor unor rezistențe sau inductivității electrice, a presiunii hidraulice etc.

Traductoare hidraulice

Traductoarele hidraulice funcționează pe baza echilibrării forței de măsurat cu forța generată de presiunea lichidului asupra unei membrane-disc. În schema de principiu din fig. 1.10-b, presiunea P a lichidului este dependent de forța de întindere W care acționează asupra traductorului, după relația[9]:

P = (2.1)

unde = aria efectivă a membranei-disc.

ss

Fig. 1.10. Traductoare de forță: a) magnetoelastice; b) hidraulice.

Presiunea P poate fi transmisă prin intermediul unui tub metalic cu secțiunea redusă la un tub manometric situat la o distanță maximă de ordinal zecilor de metri. Lichidul utilizat este un ulei cu viscozitatea mică, fără impurități și care să nu înghețe la cele mai scăzute temperaturi de lucru.[9]

1.2.3.3.Traductoare de viteza

Viteza poate fi definită prin relația:

v = (2.2)

unde, ∆S = deplasarea efectuată în intervalul de timp ∆t.

Măsurarea vitezei liniare sau unghiulare se face prin metode directe(menținând constant ∆S sau ∆t) sau prin metode indirecte (efect Doppler, legea inducției electromagnetice). De cele mai multe ori se măsoară viteze unghiulare, cele liniare fiind convertite prin sisteme mecanice în turații, pe baza relației[8]:

v = ω·R; (2.3)

în care,

ω = viteza unghiulară,

R = raza de girație.

Tahogeneratorul

Tahogeneratorul este cel mai des utilizat în aplicațiile practice, fiind o micromașină electrică de curent continuu sau de curent alternativ, la care, tensiunea la borne în gol este proporțională cu turația[9]:

U = k·n (2.4)

Turațiile maxime ce se pot măsura sunt de 2000 rot/min pentru tahogeneratoarele de curent continuu și 3000 rot/min pentru cele de curent alternativ. Pentru turații mai mari se pot folosi reductoare de turație mecanice.[9]

Fig. 1.11. Tahogenerator asincron cu rotorul imobil

Capitolul 2.Achiziții de date

În figura 2.1 este prezentată schema generală a unui sistem de măsurare cu achiziții de date.Componentele ce apar în prima categorie(chenar) sunt[13]:

traductorul care transformă o mărime fizică într-o mărime electrică

adaptorul de semnal care condiționează semnalul preluat de la traductor

actuatorul care este elementul ce acționează asupra sistemului fizic studiat

Fig. 2.1 Schema generală a unui sistem de măsurare cu achiziție de date în calculator

Traductorul,adaptorul de semnal si actuatorul au în comun utilizarea unor semnale analogice.Placa de achiziție(prezentată in a doua categorie) realizeaza conversia semnalului, din semnal analog în semnal digital dar și din semnal digital în semnal analog, pentru a fi adaptat la sistemul de comandă al elementului de execuție.Semnalul analogic variază continuu în timp, iar semnalul digital are două valori: zero și unu.Placa de achiziție se montează ca orice alta placă,într-un slot liber al calculatorului.Există posibilitatea conectarii prin USB și prin interfață paralelă.[13]

Fig. 2.2. Structura generalǎ a unei plǎci de achiziție

Calculatorul are legături numerice directe cu instrumentele de masură sau procesul fizic controlat, iar prelucrarea semnalelor se face în trei etape[13]

Cuantificarea constă în afișarea valorilor achiziționate de placa de achiziție în mod binar

Eșantionarea reprezintă un semnal analogic continuu prezentat printr-un ansamblu de eșantioana prezentate în figura 2.3 unde, săgețile indica valorile retinute in memoria calculatorului în momentul declanșării achizițtiei.Utilizatorul poate allege perioada de eșantionare în intervalul permis de către placa de achiziție,fiind precizat numărul de semnale ce pot fi achiziționate pe secundă.[13]

Fig. 2.3. Eșantionarea numericǎ a semnalelor[13]

Restituirea este necesară pentru refacerea semnalului analogic prin interlopare între valorile eșantionate achiziționate.[12]

Prin utilizarea plăcilor de achiziție cu rezoluție mare este asigurată reprezentarea precisă a semnalului analog,aceasta rezoluție este determinate de numărul de biți utilizați la reprezentarea binară a semnalului analog.Cu ajutorul ferestrelor analogice de declanșare se poate comanda achiziția de eșantioane.Declanșarea achiziției de eșantioane poate avea loc la intrarea semnalului analog în fereastră(fig. 2.4 a) sau la ieșire(fig. 2.4 b)[13]

Fig. 2.4. Declanșarea achiziției la intrarea și ieșirea semnalului analog[13]

Prin intermediul unui multiplexor se pot citi semnalele de la mai multe canale de măsurare,multiplexorul realizând conecțiunile pe rând,permițând utilizarea unui singur convertor Analog-Digital pentru mai multe intrări(fig. 2.5).Numarul de citiri depinde de frecvența de eșantionare,valoarea maximă fiind o caracteristică a plăcii de achiziție în timp ce valoarea efectivă se calculează.Un număr prea mare de citiri poate duce la un consum nejustificat de resursă de calcul iar un număr mai mic de citiri poate duce la o reconstrucție eronată a semnalului real, recomandarea fiind ca numărul de citiri să fie de cel puțin 10 ori mai mare decât frecvența semnalului măsurat.O altă marime ce se poate seta este valoarea extremă a tensiunii de intrare, precizia datelor crește dacă aceste limite sunt apropiate de limitele semnalului ce se măsoară.[13]

Fig. 2.5. Schema unui multiplexor[13]

În cele mai multe cazuri, tensiunea acceptată de placa de achiziție este de 20-25V, o valoare mai mare poate conduce la defectarea acesteia.Orice placă de achiziție este însoțită de un driver (program) ce controlează legatura între instrumentul programabil și calculator.Driverul, în achiziția datelor, are următoarele funcții[13]

intrarea/ieșirea datelor și contrului frecventei la care se realizează achiziția

realizează legături între resursele hardware ale plăcii și ale calculatorului, dar și legături cu alte plăci

Lanțuri de măsurare analogice și numerice

Măsurările analogice s-au dezvoltat primele din punct de vedere istoric.La măsurarea pe cale analogică se presupune că semnalul metrologic depinde de mărime de măsurat printr-o funcție continuă.[12]

Fig. 2.6. Lanț de măsurare analogic[13]

Lanțul de măsurare analogic din fig. 2.6 are în componența sa :

senzorul, ce realizează transformarea mărimii fizice într-o mărime electrică;

condiționerul semnalului – convertor ce transformă semnalul electric de la sensor și îl amplifică dacă este cazul (poate asigura și alimentarea cu energie în cazul senzorilor pasivi)ș

convertoare de prelucrare a semnalului.Prelucrarea are ca scop adaptarea semnalul în vederea unei mai bunei utilizări. Se pot efectua: conversii logaritmice, conversie în valoare absolută, în valoare efectivă, în valoare de vârf, sau prelucrări mai complicate cum ar fi : extragerea unui semnal când este însoțit de zgomote puternice;

convertoare de ieșire, cu rolul de a prezenta informația utilizatorului

Amplitudinea mărimii de ieșire, în general, urmăreste variația amplitudinii mărimii măsurate.Lanțul de măsurare se consider deschis doar dacă informația este numai citită,înregistrata și interpretată în vederea luării unor decizii ulterioare, în timp ce lanțul de măsurare poate fi considerat închis dacă informatia este utilizată direct pentru a putea controla mărimea măsurată.Pentru a evita diafonia(semnalul perturbator) dintre canalele de transmisie pentru transmiterea semnalelor la un centru de prelucrare și utilizare a informațiilor, se utilizează multiplexorul, care cuplează pe rând canalele de măsurare la linia de transmisie.În cele mai multe cazuri poate fi comandat de un microprocesor sau microcalculator, după un program adecvat, dar poate fi comandat fie de o logică cablată.O parte din componentele lanțurilor ce pot fi comune: amplificatorul, circuitul de eșantionare și memorare etc.[13]

Utilizarea microprocesorului sau a calculatorului numeric presupune utilizarea unor convertoare analog-numerice sau convertoare numeric-analogice pentru trecerea de la mărimile analogice la semnale numerice dar și invers.În acest fel se obtine un sistem de măsurare și achiziție de date a cărui arhitectură poate fi diferită în funcție de componentele utilizate în sistemul de măsurare[13]

Arhitectura unui lanț de măsurare numeric este cel din componența din fig. 2.7. și conține o parte analogică, formată din traductor și condiționerul semnalului analogic, circuit de eșantionare-memorare, convertorul analog-numeric(CAN), si o parte numerică, formată din microprocesor, afișaj numeric,imprimantă,convertorul numeric-analog(CNA), filtru, dispozitiv de comandă.[13]

Fig. 2.7. Lanț de măsurare numerică în buclă închisă[12]

Funcțiile microprocesoarelor și microcalculatoarelor în sistemele de măsurare

“Funcțiile caracteristice folosite de microcalculatoarelor si microprocesoare sunt [13]:

gestiunea dinamică a semnalelor provenind de la mai multe canale, după un algoritm stabilit;

memorarea informațiilor în scopul utilizării lor ulterioare;

supravegherea unor parametri și declanșarea unor alarme ierarhizate sau a unor comenzi;

trimiterea rezultatelor pe o rețea telefonică sau informatică;

extragerea unor semnale prin autocorelație, intercorelație, filtraje numerice;

analiza în frecvență a semnalelor prin transformata Fourier rapidă (FFT);

analize statistice: teste parametrice;

domeniul de încredere, extrapolări, sinteze;

prezentarea grafică a rezultatelor.”

Functiile prezentate se pot realiza printr-un program sau utilizând componente numerice specializate.

Arhitectura unui sistem de măsurare cu calculator de proces

În fig. 2.8, se prezintă arhitectura unui sistem de măsurare cu calculator de proces dotat cu interfețe de intrare și ieșire analogice.”Prezența în calculator a convertoarelor analog-numerice și numerice-analog simplifică sarcinile de conectare și programare ale multiplexorului(MUX) și demultiplexorului(DEMUX).Semnalele de măsurare obținute de senzori, sunt aplicate MUX analogic care le comută pe rând, la intrarea circuitului de eșantionare și memorare(E&M) și la convertorul analog-numeric (CAN), pentru a fi convertite numeric.[13]Unitatea centrală (UC) prelucrează numeric aceste eșantioane, conform programului implementat în memoria de bază (HDD), unde sunt transferate rezultatele finale.Pentru prelucrări numerice curente, este disponibilă o memorie de lucru (RAM) mai rapidă.Pentru comenzi și controlul proceselor, este utilizat un DEMUX care dirijează informațiile spre utilizatorii digitali sau analogici.Pentru modificarea si implementarea programelor e prevăzută posibilitatea conectării unei tastaturi și a unui display.Optional mai pot fi conectate:un MODEM pentru transmisii la distanta dar și o imprimantă pentru tiparirea unor documente.”Aceste tipuri de arhitecturi cu calculator de proces sunt utilizare în procese industriale, la linii tehnologice sau de prelucrare.În funcție de cerintele tehnice ale sistemului de măsurare[13]

Fig. 2.8. Sisteme de măsurare și achiziții de date cu calculator de process[13]

Arhitectura sistemelor de măsurare formate din aparate conectate prin BUS

Când utilizăm aparate individuale ce au interfață specializată pentru calculator, se poate realiza un sistem de cuplare prin BUS a aparatelor la calculator, astfel se pot cupla prin BUS: osciloscoape,multimetre etc.[12]

Fig. 2.9. Sistem de măsurare și achiziții de date cu calculator și aparate cu

interfețe standard IEEE 488

Arhitectura sistemelor de măsurare cu microprocesoare

O altă structură a unui sistem de măsurare și achiziție de date este utilizarea microprocesoarelor (μP). Aici se regăsesc convertoarele CAN și CAN, MUX, DEMUX, diferența fiind funcțiile corespunzătoare realizate în general de circuite specializate, nu de către însuși microprocessor. Microprocesorul este compus și cu circuitele uzuale, cum ar fi:

I/O – interfață de intrare/ieșire;

ROM – memoria implementată cu program;

RAM –memorie de lucru și de stocare intermediară;

TIMER – timp pentru derularea operațiilor.

Display-ul, tastatura și imprimanta sunt prezente fie la cerere, fie numai la punerea în funcțiune sau tot timpul. MODEM-ul si memoria externă figurează doar dacă este necesar.

Fig. 2.10. Sistem de măsurare și achiziție de date cu microprocessor[13]

“Microprocesoarele specializate încorporează, în acelasi timp, CAN, circuitul de E&M și uneori chiar și MUX.(microcontrolere).Inconvenintul acestei arhitecturi este că din cauza că E&M se află in aval de MUX nu este posibila măsurarea simultană a mai multor mărim,viteza de masurare fiind destul de redusa daca numărul de canale creste.”[13]

2.1.Arhitectura unor sisteme de măsurare specializate

a.Sisteme de măsurare pentru achiziția sincronă a mai multor semnale

Pentru a aceste inconveniente, la intrarea pe MUX se pot plasa cate un circuit E&M pe fiecare canal.CAN și citirea se poate face atunci la momente diferite (fig 2.11).

Fig. 2.11. Sistem de măsurare și achiziție de date pentru măsurări sincrone[13]

În acest fel, dupa achiziția simultană a mărimilo, conectarea circuitelor va fi realizată succesiv.Trebuie avut in vedere eroarea suplimentară datorată degradării in timp a ultimelor eșantioane convertite.Pentru ca eroarea să fie în limitele impuse, timpul de conversie trebuie sa fie coresunzator de scurt.[12]

b.Sisteme de măsurare pentru mărimi rapid variabile

Atunci când fenomenele studiate variază rapid, utilizarea unui singur CAN nu mai dă satisfactie, fiind necesară utilizarea mai multor CAN paralele pe același canal. Toate CAN-urile sunt precedate de un circuit E&H.(fig 2.12)

Fig. 2.12. Sistem de măsurare și achiziție de date pentru fenomene rapide[13]

Ieșirile numerice ale CAN sunt multiplexate printr-un MUX numeric. Acesta funcționează ca și cel analogic,permitând conectarea unui cuvânt de x biți de la o intrare, la ieșirea comună, care posedă același număr de biți. În fig. 2.12, distingem trei intrări ale MUX, pe fiecare intrare fiind un cuvânt de 12 biți, iar la ieșirea având tot 12 biți. Cu toate că montajul este mai scump, se poate demonstra că viteza de achiziție este multiplicată cu numărul de canale, dacă acestea se eșantionează secvențial.[13]

c.Sisteme de măsurare pentru sisteme aflate la distanță

Transmiterea semnalelor la distanțe mari poate fi afectate de zgomote, în acest caz folosindu-se CAN locala, transmițându-se la distanță semnale numerice, mult mai puțin afectate de zgomote decât semnalele analogice.Solutia: cu scăderea prețului componentelor, semnalul optic este practic imun la zgomote (fig 2.13) [13]

Fig. 2.13 Sisteme de măsurare cu transmisia la distanță a semnalelor

Arhitectura sistemelor numerice de măsurare poate fi foarte diferită, în funcție de mărimile măsurate, de viteza lor de variație, de numărul de canale de măsurare, de tehnica de calcul disponibilă, de precizia de măsurare cerută și, nu în ultimul rând, de prețul de cost al componentelor utilizate.Prin urmare, arhitectura sistemelor numerice de măsurare poate fi foarte diferită, în funcție de prețul de cost al componentelor utilizate, numărul de canale măsurate, mărimile măsurate etc. [13]

2.2.Conversia analog – numerică și numeric – analogică

2.3.Principalele caracteristici ale unui convertor numeric – analog

a.Rezoluția

Rezoluția se definește:

(2.1)

unde,

n – numărul de biți

(2.2)

b.Precizia

Reprezinta raporul dintre abaterea maximă a valorii citite față de valoarea adevărata și amplitudinea gamei de măasurare, tinându-se cont de erorile prezentate mai jos.

c.Eroarea de de offset

Eroarea de offset caracterizează diferența între tensiunea nulă și tensiunea de ieșire reală, putând fi, de obicei, reglată la zero cu circuite de corecție a offsetului.Eroarea de offset este exprimată în procente din scală sau fracțiuni de cuantă.[13]

d.Eroarea de amplificare Reprezintă diferența dintre valoarea citită și cea ideală la cap de scară, eroarea inițială de offset fiind nulă. Eroarea de amplificare se exprimă în procente din scală (FS).[13]

Fig. 2.14. Eroarea de amplificare[13]

e.Eroarea de liniaritate Eroarea de liniaritate este diferența maximă εM între curba reală și dreapta ideală. Ea se poate exprima în procente din scală sau în fracțiuni de cuantă.[13]

Fig. 2.15. Eroarea de liniaritate[13]

f.Eroarea de liniaritate diferențială

Trecerea de la un cod la alt cod adiacent iar mai apoi la un CAN ideal produce o variație de cuantă la ieșire. Variația poate fi diferită pentru un CAN ideal și poate avea valoarea V.[13]

Eroarea de neliniaritate diferențială se poate reprezenta astfel:

(2.3)

g.Monotonia

Creșterea monotonă a tensiunii la ieșirile U0 poate fi atrasă de creșterea monotonă a codului N, iar in caz contrar, datorită neliniarității diferențiale avem eroare de monotonie.[13]

Fig. 2.16. Monotonia CAN[13]

h.Timpul de stabilire

Timpul de stabilire este necesar pentru ca tensiunea de ieșire să atingă valoarea finală cu eroare impusă ε,pentru o variatie a codului N. De cele mai multe ori se consider variația codului numeric la intrare de la 0 la valoarea maximă.[13]

Fig. 2.17. Definirea timpului de stabilire[13]

i.Cadența conversiilor (rata conversiilor)

Reprezintă numărul de conversii per secundă, respectându-se specificațiile.

j.Mărimi de influență

Temperatura, printr-un coeficient de temperatură(ppm/°C)

Deriva, datorată îmbătrânirii componentelor

Cea mai afectată, eroarea de amplificare fiind exprimată în ppm/6 luni – 1 an.[10]

k.Alegerea convertorului numeric-analog pentru sistemele de măsurare

Alegerea CNA se face în funcție de cerințele de viteză și precizie.În primul rând se alege rezoluția(numărul de biți) dupa care viteza, liniaritatea etc

La CAN de mare rezoluție se impugn următoarele reguli de montare[13]:

separarea masei analogice a semnalului de masă digitală;

pentru a micșora efectele capacitive,scurtarea conexiunii între ieșirea CNA și amplificator;

decuplarea cât mai aproape de CNA a celor două alimentări;

.

“Criteriile de alegere ale CNA pentru diferite aplicații sunt, în deosebi, legate de performanțele impuse de aplicație, de cost si de unde trebuie folosit [13].

cel mai important criteriu este legat de rezoluție îi îl constituie numărul de biți al semnalului numeric ce trebuie convertit

alt criteriu important este viteza conversiei, care impune rata conversiilor.

un alt criteriu îl reprezintă exactitatea, legată de erori menționate anterior și de mărimea acestora

criteriul de fiabilitate trebuie avut în vedere pentru a obține funcționare cerută în siguranța”

2.4.Principalele caracteristici ale unui convertor analog- numeric

Multe caracteristici sunt definite în mod identic ca cele ale CNA: rezoluția, precizia, erorile de decalaj, de amplificare, de liniaritate, viteza conversiei, mărimile de influență. Celelalte caracteristici ale CAN vor fi descrise în continuare.

a.Eroarea de histerezis

Acest tip de eroare provine de la comparator și ea nu trebuie să depășească ±q/2 ( q reprezinta cuanta de numerizare).[13]

b.Eroarea de cuantificare

Caracteristica de transfer a CAN este o funcție în trepte de scară. Cuantificarea introduce o eroare sistematică ce poate fi decalată sau centrată.

Fig. 2.18. Caracteristica de transfer (a) și cuantificarea semnalului la ieșire (b)[13]

În cazul unui semnal analogic Ux,, eroarea de cuantificare va fi:

Ux =U0 (t)−Ui (t) (3.4)

Această eroare de cuantificare este considerată ca un zgomot dinamic suprapus cu semnalul. Valoarea efectivă la eroarea centrată este egală cu: iar la eroarea deplasată.[13]

Fig. 2.19. Erorile de cuantificare[13]

La un semnal sinusoidal, zgomot va avea alura din fig. 2.19.Eroarea de cuantificare este reprezentată ca fiind valoarea pătratică medie datorată semnalului de eroare în funcție de timp.

Fig. 2.20. Zgomotul de cuantificare la un semnal sinusoidal[13]

c.Coduri lipsă Atunci când eroarea diferențială de liniaritate este superioară unui LSB apare un răsunps nemonoton, acest tip de eroare este datorat codurilor lipsă.[13]

d.Rejecția semnalelor parasite Acestea pot afecta foarte mult precizia măsurătorilor si se pot distinge doua tipuri de zgomote:

serie (sursă de zgomot în serie cu semnal util)

commune

e.Alegerea convertorului analog- numeric pentru sistemele de măsurare Principalele criterii după care se aleg CAN pentru diferite aplicații sunt [13]:

timpul de conversie;

precizia de conversie(legată de erori menționate anterior și de mărimea acestora)

rejecția zgomotelor”

Exemple de plăci de achiziție de la firma NATIONAL INSTRUMENTS:

Tabelul 2.1.Caracteristicile plăcii de achiziție NI USB-6008

Fig. 2.21. Placă de achiziție NI USB-6008

Alte tipuri de plăci de achiziție :

Fig. 2.23. Placă de achizitie NI 9205 Module with 1-slot CompactDAQ Chassis

Fig. 2.24. Placă de achizitie NI 9219 Module with 1-slot NI CompactDAQ Chassis

Fig. 2.25. Placă de achizitie NI cFP-AI-100

Fig. 2.26. Placă de achizitie NI 9214 Measurement System

O placă de achiziție făra software ar fi complet inutilă și foarte greu de programat si configurat. Pachetul software utilizat în acest scop este LabVIEW, creat de National Instruments (www.ni.com). Acest mediu de dezvoltare utilizat pentru instrumentația virtuală, reprezintă pachetul sofware lider mondial în aplicații de instrumentație și achiziții de date[18].Mediul LabVIEW oferă un limbaj grafic de programare (limbaj G) și toate uneltele necesare pentru achiziția, citirea, prelucrarea, stocarea și afișarea datelor. Cu LabVIEW, programatorul proiectează virtual foarte repede interfața cu utilizatorul (GUI) si asamblează grafic soluția, după propriile necesitați. LabVIEW accelerează obținerea soluției cu un factor de cel putin 4 sau 10 ori, față de mediile tradiționale de programare. Limbajul grafic de programare a evoluat de la o alternativă în programare la un standard industrial[18].

Capitolul 3. Timbre tensometrice

3.1.Istoric și dezvoltare

Timbrele tensometrice(traductorii electrici) se utilizează pentru măsurarea deformațiilor care apar într-un corp solid supus solicitărilor mecanice. Primele timbre tensometrice au fost realizate de către Edward E. Simmons și Arthur Claude Ruge în anul 1938.[17]

Principiul de funcționare al timbrelor tensomerice este următorul: se lipește un fir electric pe o suprafața, care suferă aceleași deformații ca aceasta.Când dorim să determinăm alungirea unui punct pe o suprafața, pe o anume direcție, timbrul se va lipi pe aceiași direcție, cu firele paralele.[17]

Fig. 3.1. Timbre tensometrice

Timbrele tensometrice măsoară doar deformațiile specifice, care vor fi transformate mai apoi în tensiuni.Unitatea de măsura cea mai utilizată pentru deformații în extensometrie este micro-strain. (propriu-zis nu este o unitate de masură, deoarece deformațiile specifice sunt mărimi adimensionale)[17]

Putem punem că 100s(micro-strain) pentru o deformație:

ε =100 10 (3.1)

3.2.Clasificare

Fig. 3.2. Clasificarea traductorilor electrici

3.3.Principiul de măsurare

Considerăm un fir de lungime L fiind timbrul tensometric solicitat la tracțiune, rezistenta timbrului tensometric va fi:

(3.2)

unde,

ρ – este rezistivitatea firului

L – lungimea firului

S – secțiunea firului

Variația relativă a rezistenței:

=+- (3.3)

Considerând ε alungirea relativă, diametrul firului va suferi o diminuare relativă -ευ, iar secțiunea va deveni:

S====S (3.4)

Variația relativă a secțiunii :

==-1=()=+ (-1 -2 (3.5)

Variația rezistenței va deveni:

=+-2=+(1+2) (3.6)

Dacă rezistivitatea este constantă, pentru =0.3 relația devine:

=1.6 (3.7)

Într-o primă aproximare putem considera ca rezistivitatea este proportional cu variatia lungimii firului, putem scrie că:

=K= Kε (3.8)

Un metal poate fi potrivit pentru construirea unui timbru tensometric, dacă factorul K este o constantă. Această constantă se numește factor de calibrare.Cunoscându-l, se poate observa că putem măsura alungirea relativă cunoscând variația rezistentei timbrului.Factorul de calibrare depinde de natura materialului. Cu cât factorul K este mai ridicat cu atât timbrul este mai sensibil. Timbrele tesometrice posedă un factor K2, dar există timbre speciale a căror factor de calibrare poate ajunge la K=200. Nu orice metal are toate calitătile necesare pentru a putea fi utilizate la fabricarea timbrelor.Factorul de calibrare K trebuie sa fie independent de deformatie sau mai simplu spus, semnalul de ieșire a timbrului tesomentric trebuie sa fie o functie liniară de deformare.[17]

3.4.Caracteristicile timbrelor tensometrice

3.4.1.Sensibilitatea transversala

În relațiile prezentate anterior se neglijeza faptul că timbrul lipit pe o directive x pentru a măsura defomația εx prezintă o sensibilitate la dilatare εy, care se datorează buclelor din alcătuirea timbrului tesometric.[17]

Relația fundamentală a timbrelor poate fi scrisă sub forma:

(3.9)

3.4.2.Rezistența electrică

Traductorul tensometric trebuie să aibă o rezistență electică mare pentru a obține un semnal util cat mai mare.”Valorile uzuale ale rezistenței electrice a traductorului sunt: 120Ω, 240Ω,360Ω,500Ω;la nevoie se pot face traductoare cu rezistență mai mare (până la 5000Ω).”

Pentru a obține o rezistență,trebuie să se utilizeze material cu rezistivitate mare si diametrul firului trebuie sa fie mai mic.(aproximativ 0,020mm).[8]

4.4.3.Limite ale deformației măsurate

Valoarea medie superioară a deformație ce se măsoară cu timbre tensometrice:

= (3.10)

Acestei deformație îi corespunde o piesă de oțel, un efor unitar:

(3.11)

3.4.4.Frecvența solicitărilor variabile

Frecventa la care poate să lucreze timbrul tensometric rezistiv este limitat de viteza de propagare a undelor elastice din interiorul timbrului tensometric,astfel, este necesar ca lungimea undei elastice să fie mai mare decât lungimea timbrului tensometric de cel putin 6-10 ori.[8]

Lungimii de undă se calculează :

(3.12)

unde,

– este lungimea de undă,

– viteza de propagare a undelor elastice,

T – periada

– frecvența solicitarii variabile.

Astfel, rezultă:

(3.13)

3.4.5.Temperaturi maxime

În general, orice traductor poate sa lucreze la temperature de până la 60șC, limita la care poate sa lucreze un timbru tensometric fiind în funcție de materialul din care este confecționat.Limita poate fi ridicată cu aproximativ 20șC la măsuri dinamice.”Limita temperaturii la care poate fi folosit un timbru este dat de adezivul folosit la lipirea lor, existând timbre special ce pot sa lucreze la temperature de până la 900șC.Variația temperaturii în timpul efectuări măsurătorilor este o problema foarte importantă deoarece: variația de temperatură produce o variație de rezistența () care se adună la variația de rezistență () datorită mărimii neelectrice așadar apare eroarea de temperatură.”Pentru a reducere erorile de temperatură se utilizează materiale cu coeficient de temperatură scăzut.[8]

Variația temperaturii influentează măsurătorile efectuate cu timbre tensometrice prin:

dilatarea firului

variația rezistivității

variația sensibilitătii.

Considerând este rezistivitatea la momentul inițial, cu variația de temperatură :

=(1+) (3.14)

unde:

– coeficientul de temperatură a rezistivității firului

= (3.15)

Înmulțind numărătorului și numitorul din membrul stâng cu :

= (3.16)

= (3.17)

Alungirea firului pentru o variație de temperatură este:

=(1+) (3.18)

unde,

– coeficient de dilatare

= (3.19)

Timbrul fiind lipit pe piesa ce are coeficientul de dilatare , alungirea efectivă va fi:

=) (3.20)

=>== (3.21)

= (3.22)

Variația totală a rezistenței este :

=+=[]=(3.23)

unde,

coeficient de temperatură efectivă

Prin conectarea tensometrului într-un circuit care conține un rezistor cu coeficient de temperatură negativă(termistor) se poate compensa influiența temperatura.[8]

Așadar, dacă deci >1 avem o conectare în serie.

Rezistența termistorului este :

(3.24)

La variații mici de temperatură :

(3.25)

unde,

– rezistența termistorului de compensare serie

=– coeficientul de compensare a rezistivității termistorului

– variatia termistorului

=() (3.26)

(3.27)

==>=- (3.28)

Dacă folosind legarea în paralel putem obține:

=- (3.29)

Conectarea traductoarelor tensometrice în scheme de punte în regim neechilibrat cu 1,2 sau 4 traductoare constituie soluția generala a compensării erorii de temperatură.[8]

3.4.6.Efecte parazite care intervin in funcționarea timbrelor

Utilizând chiar și aparaturi de măsură de calitate, există efecte parazice ce acționează la nivelul timbrului tensometric, provocând erori la măsurători și afectând variația rezistenței timbrului sub efectul deformațiilor..Cel mai important efect parazit, care va fi tratat mai departe este efectul temperaturii.”Semnalul de iesire al unui timbru tensometric lipit pe un suport și supus la solicitări mecanice și la variații de temperatură, este alcătuit din[17]:

un semnal corespunzător deformațiilor datorate solicitării mecanice

un semnal datorat deformației termice a structurii ;

un semnal datorat deformației termice a timbrului propriu-zis”

Dacă pentru un anumit aliaj există o plaja de temperatură pentru care caracteristica rezistența-temperatură este orizontală, putem spune că acest timbru este autocompensat.

Aliajul NiCr și constantanul prezintă temperatura în care curba de variație a rezistenței cu temperatura este destul de “dreapta”(fig. 3.3).[17]

Fig. 3.3. Variația rezistenței timbrelor cu temperatura

Un alt efect al temperaturii este influiența asupra factorului K dată de către contructor,în fig. 3.4 fiind prezentate caracteristicile furnizate de constructor pentru un lot de timbre.[17]

Fig. 3.4. Variația factorului K cu temperatura

Alte efecte parazite care pot afecta variația rezisțentei timbrului sub efectul deformațiilor :

efecte magnetice

efectul presiunii hidrosatice

oboseala

efect de rigidizare

3.4.7.Efecte parazite care intervin in măsurarea deformațiilor

Efecte parazite ce intervin în măsurarea deformațiilor sunt neliniaritatea punții Wheatstone și rezistența cablurilor de legătură.

3.4.7.1.Neliniaritatea punții Wheatstone

În cazul legării în sfert de punte, unde R este timbru, eroarea relativă a variației tensiunii față de formula cu neglijarea termenilor de ordinul doi este:

[%] (3.30)

Pentru o deformație de 1%, eroarea relativa este de 1%. Această alungire corespunde unei depășiri importante a limitei elastice a oțelului, spre exemplu (deformație de aproximativ 0.2%).Eroarea va fi neglijabilă pentru încercările din domeniul elastic ale structurilor, iar pentru o deformație de 10%, eroarea obținută este de 9.1%, ceea ce este inacceptabil. Singura modalitate de a corecta efectul neliniaritatii punții este prin calcul.Montajul prin care efectul neliniarității se anulează este: legând în jumătate de punte a două timbre care măsoară deformații egale de semne contrare.[17]

3.4.7.2.Efectul lungimii cablurilor de legătura asupra rezistentei

Atunci când timbrele tesometrice sunt amplasate la distanță de aparatura de măsură trebuie să se țină cont de rezistența cablurilor de legătură.[17]

Factorul de calibrare a timbrului:

(3.31)

unde ,

= rezistența timbrului tensometric.

Daca timbrul este legat de aparatul de măsura prin fire lungi, rezistența R a acestora va fi în serie în puntea Wheastone, astfel încât factorul de calibrare devine :

< K (3.32)

3.4.8.Dimensionarea traductorului tensometric

Curentul ce trece prin timbre trebuie sa fie cat mai mare pentru a mări sensibilitatea punții, pericolul de supraîncalzire dar și apariția erorilor.Puterea P disipată în timbre determina supraîncalzirea tensometrului cu o diferență de temperatură.[8]

(3.33)

unde,

– rezistența traductorului

– puterea disipată

– coeficientul de cedare a căldurii către traductor

-suprafata de cedare a căldurii pentru conductor

se numește Putere Specifica, unitatea de masură []=.

se numește Rezistența Termică, unitatea de masură []=.

Lipind timbrul tensometric pe piesa de încercat, cedarea de căldură considerăm că se face în întregimea metalului și suprafeței timbrului. [8]

Curentul admisibil prin timbru este :

(3.34)

respectiv,

(3.35)

Pentru un tensometru cu fir de diametrul , având baza și numărul de zig-zaguri, cu rezistivitate :

(3.36)

(3.37)

(3.38)

Observăm că, curentul admisibil depinde de diametrul firului.

Considerăm lucrul mecanic efectuat de timbre,introducându-se noțiunea de eficacitate energetică:

(3.39)

= (3.40)

(3.41)

unde,

– efort unitar normal

– aria secțiunii transversale

– modulul de elasticitate

Lucrul mecanic consumat prin efectuarea deformării fiind :

(3.42)

unde,

– volumul materialului traductorului.

Eficacitatea energetică:

(3.43)

Eficacitatea materialului:

(3.44)

Unitatea de masură prin care se carcaterizează eficacitatea materialului

Eficacitatea construcției va fi:

(3.45)

Unitatea de masură prin care se carcaterizează eficacitatea construcției .

Dacă grosimea peliculei metalice a timbrului tensometric pelicular () este egală cu raza conductorului timbrului cu fir [8]:

(3.46)

3.5.Legarea timbrelor cu instrumentele de achiziție

În fig. 3.5 se prezintă cel mai simplu montaj pentru măsurarea rezistențelor electrice(Puntea Wheastone). Bornele A si C sunt alimentate la o tensiune E și se măsoară tensiunea la bornele B si D.[8]

Fig. 3.5. Puntea Wheatstone

Tensiunea de ieșire se poate scrie funcție de tensiunea de alimentare și de rezistențele utilizand legile Ohm si Kirchoff[8]:

(3.47)

Puntea este echilibrată în momentul în care tensiunea este nulă, adică când:

(3.48)

Această egalitate este verificată pentru cazul particular în care toate cele patru rezistențe sunt egale:

(3.49)

Dacă există o variație a rezistențelor, tensiunea de ieșire suferă o variație ce se poate calcula cu formula:

(3.50)

“Dacă una dintre rezistențe variază atunci tensiunea dezechilibrata este proportional cu variația relativă a rezistenței. Este posibilă măsurarea variației rezistenței dacă una din rezistențele punții este timbru tensometric.Puntea trebuie echilibrată înainte de începerea încercării, echilibrarea putându-se face de către centrala de achiziție, prin variația celorlalte rezistențe din punte ().”Variația tensiunii de ieșire este proporțională cu tensiunea de alimentare.[8]

Alte tipuri de punți tensometrice:

Fig. 3.6. Puntea Wheatston cu rezistență în paralel

Fig. 3.7. Puntea Wheatston cu rezistență exterioară

Fig. 3.8. Montaj tip semipunte

Fig. 3.9. Montaj de tip punte

unde,

T1, T2, T3, T4– timbre tensometrice

R1, R2– rezistențe

P- potențiometru

A- amplificator diferențial

E- sursa de alimentare

3.6.Aplicații

Fig. 3.10. Aplicații ale timbrelor tensometrice[16]

3.7.Lipirea timbrelor

Lipirea timbrelor tensometrice presupune un tratament special pe suprafața pe care se va lipi timprul.În fig. 4.11 sunt prezentate etapele efectuării lipirii timbrelor.[8]

Fig. 3.11. Lipirea timbrelor tensometrice[17]

Capitolul 4.Realizarea unui stand pentru evidențierea caracteristicilor timbrelor tensometrice

Fig. 4.1. Legarea celulei de încărcare la Arduino UNO prin intermediul amplificatorului HX711

1.Cablu USB

2.Arduino UNO

3.Amplificator HX711

4.Celula de încărcare

4.1.Celula de încarcare (Load Cell)

O celulă de încarcare(Load Cell) este un traductor ce este utilizat pentru a crea un semnal electric a cărui magnitudine este direct proporțională cu forța măsurată.[19]

Celulele de încărcare pentru măsurarea tensiunii funcționează pe principiul conform căruia timbrul tensometric se deformează atunci când materialul celulelor de sarcină se deformează.Deformarea timbrului tensometric modifică rezistența sa electrică, cu o valoare proporțională cu tensiunea.Ieșirea semnalului electric este în mod obișnuit de ordinul câtorva milivolți (mV) și necesită amplificare de către un amplificator de instrumentație înainte ca acesta să poată fi utilizat(HX711). Timbrele tesometrice sunt lipite pe părtile celulei de încărcare,care se deformează atunci când se aplică greutatea.

Fig. 4.2. Celula de încarcare

4.2.Amplificator HX711

HX711 este un amplificator de senzori de greutate care constă dintr-un amplificator și un convertor de precizie de 24 biți analog-digital destinat aplicațiilor de control al greutății și industriale pentru interfața directă cu un senzor de punte.[20]

Interfața de intrare a acestui senzor de greutate este utilizată pentru interfața senzorului, ce este compatibilă cu porturile I/O Arduino. Ieșirea adoptă un terminal compact care face modulul senzorului de greutate mai ușor de conectat la senzorul de greutate.

Fig.4.3. Amplificator celule de sarcina

Celulele de încărcare utilizează o configurație a podului Wheatstone cu patru fire pentru conectarea la HX711.

Fig 4.4. Legarea celulelor de încarcare

Legarea la celula de încărcare

Firele sunt colorate Roșu, Negru, Alb, Verde. Fiecare culoare corespunde codificării convenționale a culorilor celulelor de sarcină:

Roșu – Excitație + (E+)

Negru – Excitație- (E-)

Alb – ieșire +(A+)

Verde – ieșire – (A-)

Fig. 4.5. Schema internă a amplificatorului HX711

4.3.Arduino UNO R3

Arduino UNO este o platformă de procesare open-source, bazată pe software și hardware flexibil și simplu de folosit. Constă într-o platformă de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – în cea mai des întâlnită variantă) construită în jurul unui procesor de semnal și este capabilă de a prelua date din mediul înconjurator printr-o serie de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, și alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris într-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++. Arduino UNO este o placă microcontroler bazată pe ATmega328. Are 14 pini digitali de intrare/ieșire (din care 6 pot fi folosiți ca iesiri PWM), 6 intrări analogice, un resonator ceramic de 16 MHz, o conexiune USB, o mufa de alimentare, un antet ICSP si un buton de resetare.[21]

Fig. 4.6. Arduino Uno kit de dezvoltare cu ATmega328.

Schema prezintă comunicare USB, MCU de tip Atmel (ATMega 8 / 168 / 328), conectoare mamă de intrare / ieșire și conectorul de programare ICSP (în acest caz este varianta cu 10 pini). Soluția cu jumper este mai simplă și mai directă decât ideea de comutare automată a tensiunii de alimentare (LM358 + tranzistor MOS).

Fig.4.7. Schema electrică a platformei Arduino UNO

Arduino UNO poate fi alimentat prin intermediul conexiunii USB sau printr-o sursă externă de alimentare. Sursa de alimentare este selectată automat.Alimentarea externă (non-USB) se poate face fie de la un adaptor AC-DC (wall-wart) fie de la o baterie. Arduino UNO poate funcționa de la o sursa externă de 6 pană la 20 de volți. [21]

Microcontrolerul ATmega328 are o memorie de 32 KB (cu 0,5 KB utilizați pentru bootloader). Ea are, de asemenea, 2 KB de SRAM (“Static Random Access Memory”) și 1 KB de EEPROM (“Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory”).

Legarea la HX711

Legarea amplificatorului (HX711) la microcontroler (Arduino UNO) :

5V la VCC

GND la GND

A0 la SCK

A1 la DT

Conectarea plăcii Arduion UNO la calculator se face prin intermediu cablului USB.

Fig. 4.8. Cablu USB

4.3.1.Codul sursa

#include "HX711.h"

#define CLK A0

#define DOUT A1

HX711 scale(DOUT, CLK);

float calibration_factor = -96650; //-106600 worked for my 40Kg max scale setup

// SETUP

void setup() {

Serial.begin(9600);

Serial.println("HX711 Calibration");

Serial.println("Remove all weight from scale");

Serial.println("After readings begin, place known weight on scale");

Serial.println("Press a,s,d,f to increase calibration factor by 10,100,1000,10000 respectively");

Serial.println("Press z,x,c,v to decrease calibration factor by 10,100,1000,10000 respectively");

Serial.println("Press t for tare");

scale.set_scale();

scale.tare(); //Reset the scale to 0

long zero_factor = scale.read_average(); //Get a baseline reading

Serial.print("Zero factor: "); //This can be used to remove the need to tare the scale. Useful in permanent scale projects.

Serial.println(zero_factor);

}

// LOOP

void loop() {

scale.set_scale(calibration_factor); //Adjust to this calibration factor

Serial.print("Reading: ");

Serial.print(scale.get_units(), 3);

Serial.print(" kg"); //Change this to kg and re-adjust the calibration factor if you follow SI units like a sane person

Serial.print(" calibration_factor: ");

Serial.print(calibration_factor);

Serial.println();

if(Serial.available())

{

char temp = Serial.read();

if(temp == '+' || temp == 'a')

calibration_factor += 10;

else if(temp == '-' || temp == 'z')

calibration_factor -= 10;

else if(temp == 's')

calibration_factor += 100;

else if(temp == 'x')

calibration_factor -= 100;

else if(temp == 'd')

calibration_factor += 1000;

else if(temp == 'c')

calibration_factor -= 1000;

else if(temp == 'f')

calibration_factor += 10000;

else if(temp == 'v')

calibration_factor -= 10000;

else if(temp == 't')

scale.tare(); //Reset the scale to zero

delay(1000);

}

}

4.4.Placa de achiziție NI USB-6216

Tabelul 4.1. Caracteristicile placii de achiziție NI USB-6216

4.5.Timbru tensometric activ cu amplificare și ieșire analogică

Tabelul 4.2. Caracteristicile timbrului tensometric

4.6.LabVIEW

Denumirea completa a softului este Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench.(LabVIEW este acronim) Tipul mediului de programare este unul grafic, bazat pe limbajul ”G. În prezent LabVIEW este folosit în în aplicații de achiziție de date, control de instrumente și automatizari industriale. Platformele native pe care softul LabVIEW rulează: Windows, Linux și OS X.

Limbajul de programare LabVIEW, este un limbaj de tip Dataflow. Execuția este determinată de o strucutră de blocuri grafice (Cod sursa LabVIEW) cu care programatorul ”conectează” diferite blocuri funcționale folosind “fire”. Aceste “fire” propagă variabile și date. Fiecare bloc poate executa instant în momentul în care datele sunt disponibile.Datorită acestui mod de execuție s-ar putea să avem blocuri care functioneaza sau sunt apelate simultan, acest lucru este posibil doarece limbajul G permite execuții paralele. Hardware-ul este exploatat la maxim folosind “multi-threading” și “multi-processing”.

Fig. 4.9. Fereastra de deschidere a programului LabVIEW 2016

Există 3 ferestre specifice mediului de programare LabVIEW:

Project Explorer

Block Diagram

Front Panel

4.6.1.Project Explorer Acesta ne oferă o arată conținutul proiectului și componentele care le conține. În Project Explorer găsim: dependințele, VI-ul cu codul sursă, informații legate de modelul mecanic al robotului, ș.a.

Fig. 4.10. Interfața ferestrei Project Explorer

4.6.2.Panoul frontal Aceasta este interfața dinspre utilizator a instrumentului virtual și elementul de bază al programelor elaborate în LabVIEW deoarece cu ajutorul său se realizează introducerea sau extragerea datelor în/din mediul de programare. În panoul frontal, comenzile care implică intervenția utilizatorului sunt în foarte mare măsură simplificate, fiind preferate elementele de comandă și afișare grafice, denumite controale sau indicatoare. Controalele reprezintă intrările în instrumentul virtual, cele care introduc datele, iar ieșirile, cele care comunică operatorului datele rezultate din proces, poartă numele de indicatoare (elemente de afișare). Controalele au diferite aspecte, precum: butoane, întrerupătoare, comutatoare, cursoare, cadrane etc., fiecărui tip corespunzându-i un element dintr-un instrument clasic.

Fig. 4.11. Exemple de controale

În LabVIEW pot fi tratate structuri de date de la simple până la foarte complexe, valori numerice, șiruri de texte, grafice etc. La indicatoare, aceste structuri de date gestionate de program își stabilesc singure forma optimă a reprezentării datelor pe care le primesc.

4.6.3.Block Diagram Însoțește panoul frontal și poate fi imaginată ca fiind un cod sursă, așa cum este cunoscut în limbajele de programare clasice. Componentele sale reprezintă nodurile programului, precum structurile de decizie, operatorii matematici, funcțiile de prelucrare logice etc. Între componente, legăturile se realizează prin “fire” ce descriu fluxul de date în interiorul instrumentului virtual creat de program.

Fig. 4.12. Exemplu de diagramă bloc

Diagrama bloc reprezintă, o schema prin care programatorul descrie algoritmul după care aplicația va efectua calculele și raționamentele necesare pentru preluarea și prelucrarea informațiilor.

4.7.Realizarea aplicației LabVIEW pentru achiziția datelor

Fig. 4.13. Conectarea aparaturi la placa de achiziție NI-USB 6216

1.Placa de achiziție NI-USB 6216 2.Stabilizator de tensiune 3.Timbru tensometric activ cu amplificare și ieșire analogică

Conectarea se face în felul următor:

+ de la sursa de curent se leagă la timbrul tensiometric la VCC.

– de la sursa de curent se leagă la timbrul tensiometric al GND iar GND la placa de achiziție la Analog Output 16.

SIG de la timbrul tensiometric se leaga la placa de achiziție la Analog Output 15.

Pentru realizarea aplicației vom folosi programul LabVIEW 2016 unde vom creea un nou proiect.

Fig. 4.14. Fereastra de deschidere a programului LabVIEW 2016

Fig. 4.15. Ferestrele Project Explorer,Block Diagram și Front Panel

Următorul pas este: click dreapta în Block Diagram dupa care selectăm „While Loop with Button” după care (în interiorul selectăm „While Loop with Button”) adaugăm DAQ Assistant <<Input>> unde vom selecta canalele folosite (în cazul nostru Analog Output 15 și 16).După acest pas vom creea un grafic unde vom vedea deformarile la care este supus timbrul tensometric

Fig. 4.16. Setarea parametrilor de achiziție

Fig. 4.17. Conectarea pinilor

Fig. 4.18. Interfața aplicației

Aparatura utilizată pentru realizarea măsurătorilor este: Placa de Achiziție NI USB -6216, Zhaoxin RXN-305D Series Linear Adjustable DC, timbru tensometric active cu amplificare și ieșire analogică și un cablu USB care face posibilă legătura dintre placa de achiziție și calculator.

Fig. 4.19. Așezarea greutătilor pe obiectul de încercat

Fig. 4.20. Solicitarea la întindere a timbrului tensometric

Tabelul 4.3 Rezultatele măsuratorilor pentru solicitarea la întindere a timbrului tensometric

Fig. 4.21. Diagrama variației de ieșire funcție de solicitarea la întindere

Fig. 4.22. Solicitarea la compresiune a timbrului tensometric

Tabelul 4.4 Rezultatele măsuratorilor pentru solicitarea la compresiune a timbrului tensometric

Fig. 4.23. Diagrama variației de ieșire funcție de solicitarea la compresiune

Fig. 4.24. Diagrama variației de ieșire funcție de solicitarea la întindere(roșu) și compresiune(albastru)

4.8.Concluzii

În final, dupa realizarea standului pentru evidențierea caracteristicilor timbrelor tensometrice putem concluziona faptul că timbrului tensometic utilizat pentru realizarea experimentelor, caracteristica este una neliniară, însa pe unele segmente caracteristica este cvasiliniara (cauza neliniarităti poate fi datorită de materialul obiectului solicitat la deformații dar și de către variația temperaturii din încăpere). De asemenea, putem observa faptul că timbrul tensometric are un comportament diferit la extensie fața de compresie(cauza putând fi datorată de faptul că obiectul de încercat nu a putut fi fixat exact în acelasi poziție la solicitarea de extensie cum a fost fixat la solicitarea de compresie).

Bibliografie

[1] Costin Cepișcă, Nicolae Jula – Traductoare și senzori, Editura ICPE, București 1998, ISBN 973-98322-5-3

[2] http://docplayer.gr/51009605-Senzori-si-traductoare-prof-dr-ing-valer-dolga.html

[3] Dumitriu, A., Bucșan, C., Demian, T.: Sisteme senzoriale pentru roboți, Editura MEDRO, București, 1996.

[4] http://www.scrigroup.com/tehnologie/electronica-electricitate/Traductoare34136.php

[5] Cepișcă, C., Jula, N., Traductoare și senzori, Editura ICPE, București,1998.

[6] https://vdocuments.site/stf-materie-partial.html

[7] www.emie.ugal.ro/mee/cap.4_traductoare_definitiv13.04.03.doc

[8] http://ovidiupopovici.ro/uploaded_files/traducatoare_senzori_curs.pdf

[9] http://ime.upg-ploiesti.ro/attachments/article/102/EA%20cap3.pdf

[10] Dumitrache, I., Tehnica reglări automate, EDP, București, 1982.

[11] Todoran, G., Copândean, R., Măsurări electronice. Amplificatoare și convertoare de măsurare, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2003

[12]http://retele.elth.ucv.ro/Ciontu%20Marian/Sisteme%20de%20monitorizare%20(Master)/achizitie%20date.pdf

[13] https://vdocuments.site/achizitie-date.html

[14] Theory and design for mechanical measurements, R. S. Figliola, John Wiley & Sons, Inc., 1994

[15] https://www.ct.upt.ro/users/RaulZaharia/Curs_Tehnici_Experimentale.pdf

[16] http://www.proact-tools.com/strain_gauge/bridge_list.html

[17] https://docslide.us/documents/curs-tehnici-experimentale-partea-i-captori-teorie-.html

[18] http://www.meo.etc.upt.ro/materii/laboratoare/IV/Document1.pdf

[19]https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/ForceFlex/TAL220M4M5Update.pdf

[20] https://www.mouser.com/ds/2/813/hx711_english-1022875.pdf

[21] https://www.farnell.com/datasheets/1682209.pdf