Masurarea maselor cu ajutorul balanta electromecanica cu captor capacitiv

MINISTERUL EDUCATIEI SI CERCETARII

COLEGIUL TEHNIC "MIRON NICOLESCU"

PROIECT

PENTRU OBTINEREA CERTIFICATULUI

DE COMPETENTE PROFESIONALE

NIVEL III

TEHNICIAN MECATRONIST

PROIECT

MASURAREA MASELOR

CU AJUTORUL

BALANTA ELECTROMECANICA

CU CAPTOR CAPACITIV

CUPRINS:

Argument

Procesul de masurare

Marimea de masurat si unitatile de masura

Mijloace pentru masurarea maselor

3. Mijlocul de masurare

3.1 Structura generala a aparatului de masurare

3.2 Structura generala a unui traductor

3.3 Descrierea si functionarea aparatului

3.4 Schema de principiu a aparatului

3.5 Traductorul capacitiv al aparatului

3.6 Adaptorul aparatului

3.7 Traductoare numerice. Adaptoare pentru

traductoare numerice

4. Utilizarea mijloacelor si tehnicilor de masurare

4.1 Asigurarea conditiilor de microclimat

4.2 Indicatori metrologici si economici ai mijloacelor

de masurare accesibile operatorului

4.3 Documentatia tehnica specifica operatiilor de masurare - monitorizare a marimilor tehnice caracteristice proceselor industriale

Norme de tehnica securitatii muncii

5. ANEXE

APARATE DE MASURARE A MASELOR

1.ARGUMENT

Termenul de MECATRONICA (" MECATRONICS"), a fost inlocuit si apoi patentat de catre concernul japonez "Yaskawa Electrics Corporation", fiind o alaturare a prefixului "mecha" de la mecanism, cu sufixul "tronics" de la electronica.

La inceput, mecatronica a fost inteleasa ca o completare a componentelor mecanicii de precizie cu o parte electronica. Cu timpul, notinea de mecatronica si-a schimbat sensul si si-a extins aria de definitie, mecatronica devenind stiinta inginereasca bazata pe disciplinele clasice ale constructiei de masini, electrotehnicii si informaticii.

Scopul acestei stiinte este imbunatatirea functionalitatii utilajelor si sistemelor tehnice, prin unirea disciplinelor componente intr-un tot unitar.

Mecatronica a cunoscut in ultimii ani o dezvoltare impetuoasa atat din punct de vedere conceptual, cat si din punct de vedere aplicativ, determinand in fapt o noua revolutie industriala prin integrarea ei cu microelectronica, automatica, informatica, robotica, cibernetica, aplicate extensiv. Dezvoltarea teoriei in aceste domenii a determinat conceperea unor noi structuri de sisteme de reglare a proceselor tehnologice, mai robuste, cu invarianta la actiunea perturbatiilor, cu reactie mai rapida si eficienta.

Toate acestea au determinat mutatii spectaculoase in toate domeniile de activitate.

Progresele deosebite obtinute in mecatronica sunt concretizate prin metode si algoritmi de sinteza a sistemelor liniare si neliniare, a sistemelor continue si numerice in elaborarea unor noi structuri de sisteme de reglare evoluate. Progresele s-au obtinut in mod deosebit in domeniul echipamentelor de automatizare pneumatice, hidraulice si electronice.

Mecatronica, intr-o larga acceptiune, este definita ca o integrare sinergica a mecanicii, cu electronica, informatica si automatica.

Este important de subliniat ca, mecatronica nu mai este o alaturare a domeniilor stiintifice mentionate, ci mai cuprinde si abilitati personale si de echipa, necesare in industrie, pentru a atinge standarde inalte de performanta, iar aceasta presupune abordarea si dezvoltarea corespunzatoare a resurselor umane la toate nivelurile de invatamant tehnic.

Cercetarile facute in aceste domenii au fost orientate nu numai in directia realizarii de noi echipamente si sisteme dintre cele mai moderne pentru automatizarea proceselor industriale, ci si in directia elaborarii unor noi concepte in domeniul conducerii proceselor si in domeniul masurarilor de precizie a factorilor ce intervin in procese.

Mecatronica, ca disciplina de studiu, este relativ nou introdusa in sistemul educational si isi propune sa conduca la insusirea de catre elevi a principalelor elemente in proiectarea si fabricarea de produse inteligente.

Aceasta disciplina cere o pregatire multi si inter-disciplinara, reprezentand raspunsul la revolutia informatica, ce a produs saltul de la productia avansat industrializata la productia informatizata.

Dupa cum piata a demonstrat-o, produsele mecatronice de o mare diversitate cum ar fi: produse electrocasnice, automobile, sisteme integrate de fabricatie, roboti, comunicatii, etc, au un inalt grad de rentabilitate si o cerere

in continua crestere.

Practic, se poate aprecia ca informatizarea avansata in industrie este implementata in mecatronica, ceea ce pentru domeniul mecanic reprezinta azi un stadiu de dezvoltare absolut necesar.

In cadrul mecatronicii calitatea si precizia produselor ocupa locul cel mai important. De aceea, parte integranta a oricarui tip de productie este procesul de masurare al produselor.

Procesele de masurare ale unor marimi fizice sunt indispensabile pentru asigurarea bunei functionari a unei game largi de masini si instalatii.

Totodata, baza oricarei inginerii este proiectarea, iar proiectarea se sprijina pe date obtinute prin operatii de masurare.

Atat in stiinta, cat si in tehnica informatiile necesare sunt obtinute, in principal, prin masurari.

Aparatele de masurare electronice s-au raspandit atat de mult in toate sferele de activitate, incat azi nu e posibil ca cineva sa pretinda ca are o cultura tehnica generala fara a cunoaste cat de cat instrumentatia electronica de baza.

Pentru efectuarea unei operatii de masurare este necesara si o unitate de masura. Odata cu cresterea numarului marimilor de masurat a aparut cerinta stabilirii unui grup de unitati care sa permita masurarea tuturor marimilor fizice cunoscute. Un asemenea grup se numeste sistem de unitati.

In trecutul fizicii au fost elaborate si folosite mai multe sisteme de unitati: CGS electrostatic, CGS electromagnetic si MIKSA. Aceasta din urma are la baza sistemul metric (metru, kilogram, secunda) adoptat in Franta inca din anul 1795 si a fost completat de catre italianul Giorgi, in anul 1936, cu o a patra unitate - amperul. Tot Giorgi a propus si numele de MSKA (metru, secunda, kilogram, amper) pentru acest sistem de unitati.

In prezent tinde sa se generalizeze in intreaga lume, sistemul international de unitati - SI. Acesta provine din MKSA rationalizat, la care au fost adaugate pe parcurs si alte trei unitati: gradul Kelvin (K) pentru temperatura, candela (cd) pentru intensitate luminoasa si molul (mol) pentru cantitatea de substanta. Pe plan international SI a fost adoptat in anul 1954, iar la noi in tara a fost legiferat in anul 1961, data la care a devenit obligatoriu. Totusi, alaturi de unitatile SI, atat la noi cat si in alte tari se mai utilizeaza si unitati din afara sistemului SI, denumite unitati tolerate (grad Celsius, Gauss, Oerstedt etc.)

Selectarea mijloacelor si metodelor de masurare se face in functie de un numar insemnat de factori, cum ar fi:

- volumul de productie - unicate, serie mica , mijlocie sau de masa;

- gradul de modernizare - clasice, asistate de calculator;

- gradul de automatizare-neautomatizate, semiautomatizate, automatizate;

- gradul de utilizare - specializate, tipizate, de grup, modulate.

De exemplu, la productia de serie mica folosim mijloace de masurare obisnuite cum ar fi: subler, micrometru, comparator,raportor, rigla ; in timp ce la productia de serie mare si masa utilizam: calibre, cale unghiulare, sabloane special confectionate pentru anumite piese.

Proiectul intocmit pentru obtinerea certificatului de calificare profesionala " technician mecatronist" pune in evidenta cunostintele dobandite in anii de liceu la diferite discipline de specialitate, in mod practic - aplicativ.

Una dintre disciplinele studiate in anii de studiu este " Tehnici de masurare in domeniu".

In cadrul acestei discipline s-au studiat diferite aparate de masura si control prezente in cadrul proceselor de masurare.

Proiectul de fata urmareste aprofundarea studierii si cunoasterii anumitor aparate care masoara anumite marimi fizice.

Am ales pentru acest proiect ca aparat de masurare:

"BALANTA ELECTROMECANICA CU CAPTOR CAPACITIV"

Am facut aceasta alegere pentru aprofundarea unor cunostinte dobandite la fizica si doresc sa cunosc aplicatiile fizicii in tehnica .

Proiectul este abordat din perspectiva tehnicianului mecatronist, aparatul putand functiona de sine statator sau in cadrul unui sistem automatizat.

La capitolul 2 sunt definite elementele procesului de masurare, la capitolul 3 sunt descrise aparatele propriu-zise, iar la capitolul 4 modul de utilizare al acestora.

2. PROCESUL DE MASURARE

Masurarea consta intr-o succesiune de operatii experimentale realizate pentru determinarea cantitativa a unei marimi.

A masura inseamna a compara o marime necunoscuta (X) cu o alta de aceeasi natura (x) luata drept unitate, dupa relatia:

X = mx

in care m reprezinta valoarea marimii necunoscute (X). Aceasta comparare este efectuata, de regula, de catre un aparat de masura ce are memorata unitatea de masura, in interior, pe scara gradata.

Marimea de masurat (X) se mai numeste si masurand.

Indicatia aparatului de masura (valoarea m) este perceputa de catre un operator (uman sau automat), iar acest rezultat al masurarii este transmis mai departe pentru a fi utilizat in practica (fig. i .1).

Schema bloc din figura i.1 sugereaza ca procesul de masurare poate fi considerat ca o interfata intre obiectul de masura si domeniul de utilizare a rezultatului masurarii (control, verificare experimentala a unei teorii etc).

Din cauza imperfectiunii aparatului de masurat (AM) si a operatorului, precum si datorita prezentei unor factori perturbatori (FP), rezultatul masurarii este intotdeauna afectat de o eroare, iar nivelul acesteia defineste calitatea de baza a unei masurari: precizia; cu cat eroarea este mai mica, cu atat precizia este mai buna. Rezultatul unei masurari nu prezinta nici o importanta practica daca nu se cunoaste si precizia acestuia.

Pentru micsorarea erorilor si deci cresterea preciziei de masurare, trebuie, in primul rand, eliminati sau mentinuti la nivele constante, controlabile, toti factorii perturbatori (FP) cum sunt factorii de clima (temperatura, umiditatea, presiunea), campurile electrice, magnetice si electromagnetice.

In afara de acestea mai trebuie precizate si conditiile tehnice de definire a marimii X. Ca regula generala se recomanda ca obiectele sa fie masurate in conditiile lor normale de lucru, sau cat mai apropiate de acestea.

Cu privire la aparatul de masura si la operator este necesar sa se observe urmatoarele:

Aparatul de masura (AM) trebuie sa fie cat mai adecvat scopului urmarit, iar o alegere judicioasa cere cunoasterea performantelor si limitelor aparatului respectiv in conditiile reale de lucru. Principalul parametru de calitate al unui AM este precizia; aceasta precizie trebuie verificata, de regula, inaintea operatiei de masurare, mai ales cand se fac masurari de mare raspundere, fara a acorda credit suta la suta indicatiilor din prospectul aparatului.

Operatorul uman. Cel mai solicitat simt al acestuia este vazul, iar in cazul masuratorilor acustice se adauga si auzul. In legatura cu aceste doua simturi se cunosc urmatoarele:

-Exista un prag minim de sensibilitate sub care doua stari vecine nu mai pot fi deosebite una de alta, prag care defineste "rezolutia" operatorului;

-Senzatia depinde logaritmic de excitatie (legea Webwe-Fechner). Pentru a tine seama de aceasta particularitate, unele aparate de masura utilizate in electroacustica si in telecomunicatii au scara logaritmica, gradata in decibeli (dB);

-Acuitatea vizuala si cea acustica se imbunatatesc prin antrenament;

-Atat acuitatea vizuala cat si cea acustica scad rapid la cresterea gradului de oboseala.

In cazul utilizarii operatorului automat este necesar ca aparatul de masura sa poata "vorbi" in limbajul acestuia. De exemplu, daca operatorul este un calculator de proces, aparatul trebuie sa furnizeze informatia in codul acestuia. In figura i.2-a este data schema de principiu a unui lant de masura.

Figura i .2

Observatii :

Cand masurandul este o marimne neelectrica (de exemplu, temperatura), intre OM si AM se interpune un dispozitiv care sa-l converteasca intr-o marime electrica X (de exemplu, o tensiune);

un asemenea dispozitiv (termocuplu in cazul citat) se numeste traductor (figura i.2-a).

In cazul marimilor neelectrice este necesar, adesea, nu numai masurarea ci si reglarea marimii respective cum ar fi, de exemplu, masurarea si reglarea temperaturii intr-un cuptor de tratamente termice. In acest caz, in schema de masurare (figura i.2-b) apare, in plus, un organ de decizie si actiune (regulator automat de temperatura in cazul citat).

Putem schematiza procesul de masurare sub forma de mai jos:

Potrivit acestei scheme, elementele procesului de masurare sunt urmatoarele:

marimea de masurat,mijloacele de masurare si etaloaele. Pe langa acestea mai avem si metoda de masurare.

1. Marimea de masurat este o marime fizica supusa unui proces de masurare si este o caracteristica ce reprezinta calitatea sau cantitatea unui obiect sau fenomen.

Dupa modul de definire, marimile fizice pot fi :

a. Fundamentale - adica marimi care sunt alese conventional in cadrul Sistemului International, independente unele de altele si cu ajutorul carora se definesc celelalte marimi.

b. Derivate - marimi care, in SI, se definesc cu ajutorul marimilor fundamentale, folosind relatii de definitie.

In cadrul acestui proiect, marimea de masurat este masa.

Masa este o marime fundamentala .

Fiecarei marimi de masurat ii corespunde o unitate de masura.

In SI unitatea de masura pentru masa este Kilogramul care este o unitate de masura fundamentala.

Kilogramul (kg) reprezinta masa "kilogramului international" prototip din platina iridiata adoptat in anul 1889 de catre CGM si pastrat la BIMG - Sévres.

2. Mijlocul de masurare este sistemul tehnic constituit cu scopul compararii marimii de masurat cu unitatea de masura specifica, pentru aflarea valorii masurate.

. Dupa tipul de semnal utilizat pentru masurare, mijloacele de masurare pot fi:

mecanice, electrice, pneumatice, hidraulice, optice, acustice, nucleare sau combinatii ale

acestora - optico-mecanice, mecanico-pneumatice, electro-pneumatice etc.

. Dupa natura semnalului de intrare (marimea de masurat), ele pot fi pentru:

marimi mecanice, termice, electrice, optice, acustice etc.

. Dupa complexitate, se clasifica in:

masuri, instrumente de masurare, aparate de masurare, instalatii de masurare si sisteme de

masurare.

. Dupa destinatia metrologica, ele pot fi:

mijloace de masurare etalon si mijloace de masurare de lucru.

. Dupa modul in care este indicata valoarea marimii masurate, ele pot fi:

mijloace de masurare analogice si mijloace de masurare digitale.

Balanta electromecanica cu captor capacitiv este un mijloc de masurare electro-mecanic, destinat masurarii masei care este o marime mecanica.

Dupa complexitate el face parte din categoria aparatelor de masurare, indeplinind conditiile aferente definitiei aparatelor de masurare.

Aparatele de masurare sunt definite ca ansambluri formate din masuri, subansambluri traductoare, intermediare sau de prezentare a rezultatelor masurarii.

Exista si balante etalon in aceasta categorie de aparate.

Aceste balante dispun de dispozitiv de afisare digital.

3. Etaloanele

Etaloanele sunt mijloace de masurare simple destinate definirii, reproducerii, determinarii, conservarii sau generarii uneia sau mai multor valori cunoscute ale unei marimi, pentru a servi drept referinta in operata de comparare a etalonului cu alte mijloace de masurare.

Etalonul poate fi : o masura etalon, un aparat de masurare etalon, un traductor etalon, un ansamblu de masurare etalon.

Etaloanele sunt de mai multe feluri:

- etaloanele de definitie - care "genereaza" unitatea de masura prin "materializarea" definitiei sale, in cadrul unui experiment fizic bazat pe aceasta definitie;

- etalonul de conserare - este un obiect sau un sistem tehnic care "pastreaza" o anumita valoare a unei marimi fizice cu o buna stabilitate in timp. De exemplu, o greutate de otel sau din fonta este folosita ca etalon de conservare pentru masa.

- etaloanele de transfer fac trecerea de la etaloanele de conservare la alte etaloane ale unor marimi derivate, sau la etaloane ale aceleiasi marimi dar de valori diferite.

3. MIJLOCUL DE MASURARE

3.1. STRUCTURA GENERALA A

APARATULUI DE MASURARE

Pentru prelucrarea semnalelor provenite de la masurad (obiect sau fenomen), aparatele de masurare au o structura deosebita, adaptata scopului, preciziei si semnalului masurat.

Aparatul de masurare poate fi reprezentat ca o retea de captare si de transmitere a informatiilor, denumita lant de masurare. Aparatul de masurare constituie, prin urmare, un canal informational de-a lungul caruia vehiculeaza un semnal energetic purtator al informatiei de masurare, denumit semnal metrologic (S).

Pentru formarea si circulatia semnalului metrologic este nevoie de o energie de masurare.

Din punct de vedere al energiei utilizate pentru masurare, aparatele de masurare pot fi:

- pasive - care nu au energie de activare din interior si o iau din exterior;

exemplu: grosismetrul cu radiatii nucleare

- active - care preiau energia de activare direct de la marimea masurata;

exemplu: debitmetre, manometre

Schema unui aparat la care energia de activare provine direct de la marimea masurata, cum este si cazul balantelor, este reprezentata mai jos.

Se (Y)

In cazul balantei masurandul fiind o greutate (un corp), marimea (X) sau semnalul (Si) de intrare il constituie masa acestuia, pe care dorim sa o masuram.

Convertorul de intrare se numeste traductor si are rolul de a prelua semnalul de intrare si de a-l transmite convertit in alt semnal, care va putea fi apoi evaluat.

Convertorul de prelucrare poate fi un amplificator, un demultiplicator, un circuit electric de comparare, de mediere sau de formare a impulsurilor si are rolul de a prelua si prelucra semnalul de la convertorul de intrare si de a-l transforma in semnal care sa poata actiona convertorul de iesire.

Convertorul de iesire este subansamblul indicator al aparatului de masurare si poate fi:

- analogic - atunci cand valoarea marimii masurate se obtine prin aprecierea pozitiei unui ac indicator pe o scara gradata

- digital sau numeric - atunci cand valoarea masurata este prezentata numeric intr-un afisaj

Semnalul (marimea) de iesire - Se (Y) este de obicei un potential sesizat prin deplasarea acului indicator pe un cadran in cazul aparatelor analogice, sau un numar care indica valoarea masurata, in cazul celor digitale.

2.2 STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR

Traductoarele sunt elementele care servesc la convertirea (transformarea) unei marimi de o anumita natura fizica intr-o marime de aceeasi natura, dar care variaza in alta gama de valori sau intr-una de o alta natura fizica .

De exemplu, in cazul cantarelor electromecanice traductorul transforma o forta (greutatea) care este o marime meanica, intr-o marime de alta natura, si anume, intr-o marime electrica, folosind proprietatile electrice ale materialelor ( piezoelectricitatea, rezistivitatea, capacitatea electrica ).

In cazul aparatelor combinate care folosesc traductoare electrice capacitive, tensometrice, piezoelectrice, inductive etc. , marimea mecanica, neelectrica este transformata intr-o marime electrica, deci de alta natura fizica.

Traductoarele trebuie sa contina un element sensibil la variatia unui parametru.

Deci este necesar ca elemental sensibil al unui traductor sa aiba o proprietate fizica dependenta de marimea masurata in mod liniar si intr-un interval mare.

Astfel, un traductor de presiune trebuie sa contina un element sensibil la variatia de presiune.

Exista o larga varietate de traductoare, structura lor fiind mult diferita de la un tip la altul.

Se poate stabili insa, o structura generala a unui traductor, conform schemei de mai jos.

Fig. 3.1 - Structura generala a unui traductor

Semnificatia blocurilor functionale este urmatoarea:

D s ES (element sensibil), numit detector; ET = element de transmitere (de transfer);

A s AD este adaptorul; SEA este sursa de energie auxiliara , care ajuta la conversia semnalelor din ES si A, atunci cand aceste conversii nu se pot obtine utilizand puterea asociata marimii de masurat.

Marimea de masurat x este aplicata la intrarea traductorului, reprezentand parametrul reglat (temperatura, debit, presiune, turatie, nivel, vitaza, forta etc).

Marimea de iesire y reprezinta valoarea marimii masurate, exprimata sub forma de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune).

Detectorul (D) - numit si element sensibil, senzor sau captor - este elementul specific pentru detectarea marimii fizice pe care traductorul trebuie sa o masoare.

In mediul in care trebuie sa functioneze traductorul, in afara marimii x, exista si alte marimii fizice. Detectorul trebuie sa aiba calitatea de a sesiza numai variatiile marimii x, fara ca informatiile pe care acesta le furnizeaza sa fie afectate de celelalte marimi din mediul respectiv (din proces).

In urma interactiunii dintre marimea de masurat si detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecinta a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, contine informatia necesara determinarii valorii marimii de masurat.

Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. In functie de fenomenele fizice pe care se bazeaza detectia si de puterea asociata marimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la iesirea elementului sensibil.

Exemplu: Tensiunea electromotoare generata la bornele unui termocuplu in functie de temperatura.)

In alte situatii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a caror evidentiere se face utilizand o energie de activare de la o sursa auxiliara (SEA).

Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informatia furnizata de acesta nu poate fi folosita ca atare, necesitand prelucrari ulterioare prin (ET) si (A).

Elementul de transmitere ET este un element intermediar intre detector si adaptor.

De exemplu, in masurarea temperaturilor inalte, elementul sensibil (ES) nu poate fi plasat in aceeasi unitate constructiva cu adaptorul. Deci, este necesar un element de legatura intre ES si A (adaptor). Aceste elemente, (ET) - de transmisie, realizeaza legaturi electrice, mecanice, optice etc intre ES si A.

Daca marimea generata de ES este neadecvata pentru transmisie (cazul transmisiilor la mare distanta) atunci ET contine si elemente de conversie potrivit cerintelor impuse de canalele de transmisie.

Adaptorul (A) - are rolul de a modifica (adapta) informatia obtinuta la iesirea detectorului (D)- la cerintele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizeaza, adica sa o converteasca sub forma impusa pentru semnalul de iesire y.

Particularitatile semnificative ale adaptorului sunt urmatoarele :

La partea de intrare, adaptorul se caracterizeaza printr-o mare diversificare constructiva pentru a putea prelua variatele forme sub care pot sa apara modificarile

de stare ale diferitelor elemente sensibile (ES).

Pe partea de iesire, adaptoarele cuprind de regula (la echipamentele standardizate) elemente comune necesare generarii semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniul de variatie al marimii de intrare.

Functiile realizate de adaptor sunt complexe, ele incluzand si adaptarea de nivel, putere (sau impedanta) cu referire la semnalul de iesire, in raport cu dispozitivele de automatizare.

Adaptorul asigura conversia variatiilor de stare ale ES in semnale de iesire, ce reprezinta (la o alta scara) valoarea marimii de intrare. Deci, adaptorul (AD) realizeaza operatia specifica masurarii, adica comparatia cu unitatea de masura adoptata.

Modalitatile practice de efectuare a comparatiei sunt diverse si acestea diferentiaza tipurile de adaptoare (determina diferentieri structurale ale adaptoarelor).

Astfel, comparatia poate fi simultana - cand se compara permanent o marime etalon cu marimea de intrare.

De cele mai multe ori comparatia este succesiva- cand marimea etalon este aplicata numai initial pentru calibrare (fiind memorata) - iar marimea de masurat se aplica permanent.

In acest caz valoarea memorata a marimii etalon se compara succesiv cu valorile marimii de intrare (care variaza).

In functie de legile fizicii pe care se bazeaza detectia realizata de (ES) - operatia de masurare in cadrul adaptorului presupune posibilitatea efectuarii unor operatii de calcul liniare ( amplificare, atenuare, sumare, integrare,

diferentiere) sau neliniare ( produs, ridicare la putere, radical, logaritmare etc) cat si realizarea unor functii introduse pentru compensarea neliniaritatilor inerente unor componente - astfel incat la iesirea adaptorului dependenta Intrare(X) -Iesire(Y) sa rezulte liniara (caracteristica de conversie liniara).

In functie de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de iesire, adaptoarele sunt de doua feluri:

Adaptoare electrice (electronice);

Adaptoare pneumatice.

In raport cu forma de variatie a semnalelor de iesire, adaptoarele pot fi:

a)- Analogice;

b)- Numerice.

Semnalele analogice - se caracterizeaza prin variatii continue ale unui parametru caracteristic si sunt, de regula, semnale unificate.

Prin semnal unificat se intelege adoptarea ca semnal a aceleiasi marimi fizice, cu acelasi domeniu de variatie, indiferent de locul unde este plasat elementul de automatizare intr-un SRA (sistem de reglare automata).

Frecvent utilizate sunt urmatoarele semnale unificate:

Curentul continuu (in cazul sistemelor de reglare a proceselor lent variabile) cu domeniul de variatie:

I_ccI[ 2 . 10] mA , sau I_ccI[4 . 20] mA

Tensiunea continua (in cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul de variatie:

V_ccI[0 . 10] V; sau V_ccI[-10 . +10] V;

Presiunea aerului instrumental (aer fara impuritati si cu umiditate minima - standardizata) produs in instalatii speciale:

p I[0,2 . 1] daN/cm² sau: pI [0,2 . 1] bar.

Semnalele numerice, generate la iesirea traductoarelor numerice si utilizate in SRAN, se caracterizeaza prin variatii discrete care permit reprezentarea intr-un anumit cod a unui numar de valori din domeniul de variatie a semnalului analogic de la intrarea traductorului.

Cele mai utilizate coduri (cu nivele compatibile TTL) sunt:

binar - natural, cu 8, 10, 12, 16, 32 biti (uneori 64 biti);

binar codificat zecimal cu 2, 3 sau 4 decade.

DESCRIEREA SI FUNCTIONAREA APARATULUI

Balanta electromecanica cu captor capacitiv este un aparat electro- mecanic care converteste o forma de energie mecanica (greutatea) in energie electrica (tensiune) ale carei variatii sunt sesizate la un aparat fiind indicate ca valori ale masei.

Acest tip de balanta foloseste un traductor generator sau energetic, in care marimea de intrare este transformata la iesirea traductorului direct intr-o tensiune electromotoare.

traductorul primar sau senzorul este traductorul care preia informatia de la masurand, constituit de condensator

traductorul de iesire constituit din adaptorul aparatului si realizeaza adaptarea sistemului de utilizare a informatiei de masurare la lantul de masurare, in acest caz fiind o punte de impedante.

convertorul analog-numeric care transforma marimea analogica in numar de impulsuri

subansamblul de vizualizare, care este un indicator numeric care afiseaza valoarea masei in unitati de masura specifice.

3.4 Schema de principiu a aparatului

In figura 3.2 este prezentata schema de principiu a unui cantar cu traductor capacitiv. Acest traductor impreuna cu adaptorul - punte, converteste deplasarea datorata greutatii in semnal electric unificat analogic, interpretat si afisat de catre decodor.

Sub actiunea fortei de apasare, cele doua armaturi ale condensatorului se apropie si astfel se modifica capacitatea condensatorului care se gaseste conectat intr-o punte de masurare.

Modificarea este direct proportionala cu greutatea G.

Fig. 3.2 Schema de principiu a aparatului

In figura 3.3 de mai jos este reprezentatata schema simplificata a traductorului capacitiv de forta si presiune, care este un traductor de tip parametric, in care marimea de intrare influenteaza proprietatile condensatorului si este transformata in variatii ale capacitatii acestuia.

Traductorul capacitiv cu membrana este format din doua armaturi, una care este mobila (AM), deplasandu-se odata cu membrana. Deplasarea se face in raport cu o armatura fixa (AF),

modificand distanta dintre ele si influentand capacitatea condensatorului de detectie.

Fig. 3.3 Schema simplificata a aparatului

Mai departe, variatiile de capacitate ale condensatorului de detectie, dezechilibreaza puntea de condensatoare, producand o tensiune de dezechilibrare la iesire.

Traductorii capacitiv folosesc deci, pentru determinarea interventiilor asupra sistemului controlat, variatia capacitatii electrice a unor condensatori.

In cazul de fata, aceasta variatie este convertita direct in valori ale presiunii sau fortei (greutatii).

Condensatorul este un element de circuit a carui functionare se bazeaza pe proprietatea acestuia de a inmagazina o cantitate de electricitate.

El este format din doua armaturi separate intre ele printr-un material electroizolant (dielectric).

Proprietatea condensatorului de a acumula energie electrica in campul dintre armaturi este complet caracterizata de marimea numita capacitate electrica, care se masoara in farazi (F), fiind data de relatia:

C=Q/I

unde Q = cantitatea de electricitate masurata in coulombi.

TRADUCTORUL CAPACITIV AL APARATULUI

Traductoarele capacitive pentru deplasari liniare folosesc ca elemente sensibile, condensatoare plane, la care se pot modifica unul din cei trei parametri ai relatiei ce exprima capacitatea:

_; (3.1)

a)      Elemente sensibile capacitive cu modificarea distantei dintre armaturi (δ).

In varianta simpla, ES este un condensator plan prevazut cu o armatura fixa (AF) si una mobila (AM), figura 3.5 -a. Armatura mobila este sustinuta intre doua arcuri si poate fi deplasata cu valoarea x, modificand distanta δ, fata de valoarea de referinta . Varitia capacitatii in functie de parametrul δ este ilustrata in figura 3.5 - b.

Fig.3.5 - Element sensibil capacitiv cu modificarea distantei dintre armaturi: a- solutie constructiva; b - caracteristica statica

Semnificatia parametrilor din relatia 3.1 este urmatoarea:

- permitivitatea mediului ; S - suprafata activa a armaturilor ; δ - distanta dintre armaturi ; Deoarece capacitatea C este data de (3.1) rezulta ca variatia iesirii (ΔC) raportata la variatia intrarii (Δδ), reprezinta sensibilitatea unui element sensibil capacitiv exprimata prin relatia:

(3.2)

Rezulta ca valoare sensibilitatii elementului sensibil capacitiv (realizat cu un condensator plan) variaza neliniar cu δ.

Se poate exprima sensibilitatea relativa (S_r):

(3.3)

Relatia (3.3) indica o variatie neliniara, cu sensibilitate marita, la variatii mici (de ordinul micronilor).Cresterea liniaritatii este posibila daca elementul sensibil este format din doua condensatoare plane in montaj diferential avand o armatura mobila comuna, ca in figura 3.6.

Alimentate cu tensiune sinusoidala (U_~) capacitatile si se incarca cu tensiunile U₁ si respectiv U₂ (conform teoremei divizorului de tensiune):

si

Fig.3.6

Scazand cele doua tensiuni se obtine tensiunea diferenta (U_d) care variaza liniar cu deplasarea x:

(3.4)

3.6 ADAPTOARUL APARATULUI (AD)

Rolul adaptorului este acela de a converti semnalul generat de elementul sensibil intr-un semnal electric de iesire (Y) de regula unificat. Semnalele de iesire fiind unificate, rezulta ca etajele de iesire ale adaptoarelor sunt similare pentru acelasi tip de semnal unificat. Diferentieri constructive apar pe partea de intrare in traductoare, care receptioneaza marimile diversificate (ca natura fizica si domeniu de variatie) furnizate de elementele sensibile.

Realizarea conversiei deplasare (x) - tensiune (U_e) este posibila conectand capacitatile si intr-o punte Sauty (figura 4.12) care are pe celelalte doua laturi doua capacitati fixe si . Puntea este alimentata cu o tensiune sinusoidala avand frecventa in domeniul (500 . 5000) Hz, furnizata de un oscilator (OSC).

Tensiunea de dezechilibru (U_d) este preluata de un amplificator A . De la iesirea acestuia tensiunea este aplicata unui redresor sensibil la faza (RSF), care genereaza tensiunea (U_e) variabila in domeniul semnalului unificat ( 10 V_cc) si

direct proportionala cu deplasarea x. serveste la ajustarea sensibilitatii traductorului.

Fig. 3.7 Adaptorul aparatului- punte Sauty de capacitati

Traductoare numerice. Adaptoare pentru traductoare

numerice

In cazul reglarii sau conducerii numerice a proceselor este necesar ca traductoarele sa fie prevazute cu iesiri numerice.

Traductoarele numerice au semnale de iesire compatibile TTL - care reprezinta valoarea masurata in cod binar sau binar codificat zecimal.

- Obtinerea semnalelor numerice la iesirea traductorului este posibila prin utilizarea unor convertoare analog-numerice (C.A.N.) care sa transforme semnalul analogic (unificat) obtinut la iesirea unuia din adaptoarele prezentate anterior, intr-un semnal numeric la iesirea traductorului (figura 3.5).

Pentru conversia analog - numerica exista convertoare realizate cu componente discrete sau cu circuite integrate. Tinand seama de principiile functionale, cele mai utilizate CAN sunt:

a) C.A.N. cu reactie:

- cu trepte egale de tensiune;

- cu aproximatii succesive.

b) C.A.N. prin integrare.

C.A.N. sunt mult mai complexe decat adaptoarele (dar mai scumpe), deci utilizarea lor trebuie sa se justifice economic.

Utilizarea C.A.N. este justificabila daca se folosesc circuite electronice de multiplexare a iesirilor analogice, astfel incat un singur C.A.N. sa fie folosit pentru masurarea (conversia) mai multor semnale analogice.

Fig. 3.5 - Schema unui traductor cu semnal de iesire numeric.

In comparatie cu principiul de functionare al C.A.N. cu reactie, unde iesirea C.A.N. se compara cu semnalul analogic de la intrare (care este afectat de zgomot), in cazul C.A.N. prin integrare, acest dezavantaj este inlaturat.

C.A.N. prin integrare functioneaza astfel : iesirea numerica (digitala) depinde de valoarea integrala a marimii analogice de intrare intr-un timp bine stabilit.

Utilizarea mijloacelor si tehnicilor de masurare

4.1.Asigurarea conditiilor de microclimat

Influenta conditiilor de microclimat asupra mijloacelor de masurare se manifesta in doua moduri : prin actiuni reversibile si prin actiuni ireversibile. Dinprima categorie fac parte cele datorate dependentei caracteristicilor metrologice de marimile specifice aerului inconjurator : temperatura, umiditate, presiune,etc. A doua categorie de actiuni include efecte de imbatranire, coroziune si alte tipur de deteriorari care se produc, de obicei, in timp mai indelungat.

In metrologie, sunt stabilite asa-munitele conditii de referinta, definite pentru categorii si tipuri de mijloace de masurare. Conditiile de referinta cele mai obijnuite sunt urmatoarele :

temperatura de referinta cel mai des folosita este de +20 C , dar este intalnita si valoarea de +23 C ;

umiditatea de referinta, exprimata in unitati de umiditate relative a aerului, care poate fi orice valoare din intervalui 40 . 65%;

presiunea de referinta, de obicei, cu valoarea de 98066,5Pa(1 kgf cm2).

Asupra majoritatii tipurilor de mijloace de masurare, influenta cea mai mare o are temperature. Umiditatea aerului are efecte importante numai daca depaseste o anumita valoare (de exemplu 80%), iar presiunea atmosferica are, de regula,o influenta neglijabila.

Desigur, exista su exceptii, cum sunt :

aparatele de masurat curenti electrici foarte slabi, care sunt puternic influentate de umiditatea aerului;

la cantaririle de mare precizie, unde este necesar sa se faca o corectie de presiune , pentru a se tine seama de efectul fortei Arhimede asupra corpului cantarit.

4.2. Indicatori metrologici si economici ai mijloacelor de masurare accesibile operatorului

Sensibilitatea este raportul dintre variatia marimii de iesire observata la aparat si variatia marimii de intrare care a generat-o.

Exemplu: sensibilitatea de 100 mm/mA la un galvanometru cu oglinda inseamna ca un curent de la 1 mA creeaza (produce) o deplasare de 100 mm pe scara galvanometrului.

Rezolutia (pragul de sensibilitate) este cea mai mica valoare a marimii de intrare care determina o variatie distinct sesizabila a marimii de iesire.

Termenul rezoluite este utilizat pentru mijloacele de masurare la care marimiea de iesire prezinta o variatie discontinua, de exemplu la aparatele digitale. Rezolutia este egala cu o unitate a ultimului rang zecimal(un digit).

Rezolutia se exprima in unitati ale marimii masurate (de exemplu:microvolti,miliamperi,etc)

Domeniul de masurare reprezinta diferenta dintre valoarea maxima si cea minima care pot fi masurate cu ajutorul mijlocului de masurare utilizat.

Valoarea diviziunii reprezinta valoarea variatiei marimii masurate intre doua repere consecutive.

Timpul de raspuns este intervalul de timp care trece intre aplicarea marimii de masurat si stabilirea indicatiei corespunzatoare marimii aplicate.

Disponibilitatea este notiunea care exprima posibilitatea ca un produs sa-si indeplineasca functiunea pentru care a fost realizat.

Justetea este calitatea unui mijloc de masurare de a indica o valuare cat mai apropiata de marimea reala.

Fidelitatea este caracteristica unei masuri sau a unui aparat, de a avea variatii cat mai mici la masurarea aceleiasi marimi in conditii identice.

Exactitatea reprezinta corespondenta dintre indicatia aparatului si adevarata marime a cantitatii masurate.

Clasa de exactitate este valoarea conventional stabilita in functie de eroarea tolerata, de abateri, de diverse caracteristici,

admisa de prevederile unui standard de stat, ale unei instructiuni de verificare sau a unei norme interne.

Fiabilitatea metrologica reprezinta capacitatea unui sistem de a functiona fara defectiuni in decursul unui anumit interval de timp.

4.3. Documentatia tehnica specifica operatiilor de masurare - monitorizare a marimilor tehnice caracteristice proceselor industriale

Documentatia insotitoare se compune din : carti tehnice, instructiuni de utilizare a aparatelor si echipamentelor de masurare utilizate.

Cu exceptia mijloacelor de masurare simple, a caror utilizare nu mai ridica probleme (subler,manometru,ampermetru,termometru de sticla,densimetru, etc), mijloacele de masurare complexe sunt insotite de un material scris, numit Instructiuni de exploatare/utilizare, Carte tehnica/manual tehnic etc. In cazul aparatelor de masurat relativ complexe, aceasta documentatue este esentiala.

Pentru unele categorii de aparate de masurat (de exemplu, pentru cele electronice exista recomandari internationale care stabilesc continutul obligatoriu al documentatiei insotitoare).

Documentatia trebuie sa cuprinda: destinatiaaparatului, caracteristici tehnice, instalarea, modul de utilizare, principiul de functionare, descrierea partilor componente, indicatii de intretinere si depanare.

Documentatia insotitoare este necesara nu numai pentru punerea in functie a acestuia, ci sip e tot parcursul exploatarii sale.

4.4. Norme de tehnica securitatii muncii

Problemele cu caracter organizatoric aferente activitatii de masurare pot influenta hotarator (direct sau indirect) producerea accidentelor de munca sau a imbolnavirilor profesionale, a securitatii personalului si a aparatelor (instalatiilor).

Datorita acestui lucru, se va acorda o atentie deosebita urmatoarelor elemente :

controlul frecvent al conditiilor la locul de munca ;

controlul dotarii instalatiilor si al aparatelor cu dispozotive de tehnica securitatii muncii, precum si a personalului, cu echipament si materiale de protectie, inainte de inceperea lucrului;

organizarea locului de munca si a activitatii respective;

asigurarea disciplinei in munca;

supravegherea permanenta a elevilor, sub aspectul respectarii normelor de protectia muncii;

lucrarea de laborator se va executa numai dupa verificarea montajului de catre professor, respectand indrumarile si indicatiile profesorului;

nu se va lucra cu mainile ude sin u se vor atinge partile aflate sub tensiune;

nu se va efectua nuciun fel de modificari asupra montajului, atata timp cat acesta se afla sub tensiune;

se vor utiliza echipamentul si materialele de protectie individuala.

Este strict interzisa orice modificare a destinatiei aparatului sau utilajului, daca acestea contravin normelor si regulamentelor in viguare.

Existenta si buna functionare a aparatelor de masura si control si a dispozitivelor de protectie a muncii fac parte din buna organizare a locului de munca.

La fiecare loc de munca, vor fi atasate la loc vizibil instructiunile de protectia muncii si de lucru, insotite de schemele aparatelor si ale utilajelor si de instructiunile de folosire.

Laborantii si profesorii sunt obligati sa asigure organizarea corespunzatoare a activitatii, la fiecare loc de munca, in conditii de securitate a personalului si a aparatelor, prin :

verificarea bunei functionari a aparatelor si a instalatiilor, luand masuri operative de remediere a deficientelor;

verificarea modului in care se intretin aparatele, instalatiile si legarea la pamant si la nul a celor care pot produce accidente prin electrocutare;

instruirea corespunzatoare a elevilor, verificarea cunostintelor acestora, mentinerea stricta a ordinii si disciplinei;

repartizarea sarcinilor, indrumarea si controlul operatiilor, asigurarea asistentei tehnice permanante;

asigurarea iluminantului , a incalzirii si a ventilatiei in laborator.

Personalul desemnat poate indeplini lucrarile de verficare numai dupa ce si-a insusit temeinic urmatoarele cunostinte:

- regulamentul de ordine interioara a unitatii;

- legislatia de protectie a muncii in vigoare,aferenta activitatii respective ;

- normele de protectie a muncii , generale, si cele specifice locului de munca;

- instructiunile de lucru;

- notiunile de prim-ajutor.

Niciun elev nu va fi repartizat, respectiv primit in laborator si nu va fi pus sa lucreze, decat dupa ce I s-a facut instructajul specific de protectie a muncii care trebuie finalizat prin verificarea insusirii cunostintii necesare, rezultatul consemnandu-se in fisa de instructaj.

Pentru a completa masurile tehnice, de protectie colectiva, luate in laboratorul de metrologie, este necesar sa se utilizeze echipamentul si materialele de protectie.

Distantele de transport manual nu vor depasi 60 m .Inaltimea maxima la care se pot ridica manual pe verticala saricinile maxime admise este de 1,5 m.

Elevii care nu sunt in deplina capacitate de munca sau care

nu sunt echipati corespunzator, nu vor fi admisi in laborator.

BALANTE ELECTROMECANICE