SENZORI SI TRADUCTOARE

 

SENZORI SI TRADUCTOARE

Cuprins :

1.Tema de proiectare

2.Notiuni generale despre masurarea temperaturii

3.Schema bloc a traductorului

4.Proiectarea blocurilor componente

4.1.Alegerea senzorului

4.2.Circuitul adaptor al senzorului

4.3.Circuit amplificator

4.4.Circuit de liniarizare

4.5.Sursa de alimentare

4.6.Dispozitivul de afisare

5.Instructiuni de instalare si montaj

6.Bibliografie

1.Tema de proiectare

Sa se proiecteze un traductor industrial de temperatura, avand ca baza urmatoarele date de proiectare :

• Tipul senzorului : termorezistenta
• Domeniul de masura ( sC ) : +50 . +200 sC
• Eroarea maxima a traductorului ( % ) : 1,5 %
• Domeniul semnalului de iesire [ V ] : 0 - 2 V
• Caracteristica mediului de masura : etuva cu mediu acid .

2.Notiuni generale despre masurarea temperaturii

Masurarea a permis omului sa avanseze neincetat pe calea cunoasterii, fiind principalul criteriu in verificarea ipotezelor sale.

Pana la aparitia microprocesorului preluarea informatiilor de masurare, precum si luarea deciziilor se faceau in exteriorul mijlocului de masurare, de catre operatorul uman sau cu ajutorul unui calculator conectat prin citcuit de interfata.

In interiorul unui mijloc de masurare poate fi insa incorporat un microcalculator (bazat pe microprocesor) ; astfel, actiunile operatorului sau ale calculatorului extern sunt prelucrate, partial sau total, de mijlocul de masurare acesta coportandu-se ca un mijloc de masurare inteligent.

Masurarea unei marimi fizice presupune, in primul rand, determinarea sa.

Prin metode de masurare se intelege ansamblul relatiilor teoretice si operatiilor experimentale pe care le presupune masurarea.

Printre metodele de masurare putem aminti:

• metoda directa;
• metoda indirecta;
• metoda de comparatie;
• metoda diferentiala;
• metoda de zero;
• metoda substitutiei (Borda);
• metoda perturbarii (Gauss);
• metoda de multiplicare (de raport);
• metoda prin coincidenta;
• metoda prin interpolare;
• metoda prin extrapolare;
• medoda prin esantionare;
• metoda prin corelatie (autocorelatie).

Elementele sensibile care detecteaza marimea de masurat sunt denumite senzori. Senzorul este elementul sensibil cu rolul de a detecta marimea de masurat, aplicata la intrarea sa, si de a o converti intr-o alta marime fizica, de aceiasi natura sau de natura diferita.

Ansamblul format din elementul sensibil ( senzorul ) si elementele de adaptare si prelucrare ( conditionare si tratare ale semnalului ) se numeste traductor. Traductorul poate avea in structura sa mai multi senzori, capabili sa efectueze conversia marimii de masurat intr-o marime electrica, indirect, prin mai multe etape intermediare.

Senzorii si traductoarele se pot clasifica dupa mai multe criterii :

1.Dupa natura marimii de intrare se disting :

a.senzori de deplasare

b.senzori de temperatura

c.senzori de radiatii ionizante

2.Dupa natura marimii de iesire se disting :

a.senzori rezistivi

b.senzori inductivi

c.senzori capacitivi

3.Dupa modul de obtinere a energiei necesare formarii semnaului metrologic se disting :

a.senzori activi sau senzori generatori ( energetici )

b.senzori pasivi sau senzori parametrici ( modulatori )

4.Dupa modul de variatie a marimii de iesire se disting :

a.senzori analogici

b.senzori digitali

Traductoarele de temperatura cu termorezistenta isi bazeaza functionarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcina electrica spontana ca rezultat al modificarii bruste a temperaturii (efectul piro-electric). S-au folosit mai ales informatii legate de rezistivitate, inversul conductibilitatii, rezultand dezvoltarea traductoarelor de temperatura cu termorezistenta. Fiecare metal are o rezistivitate specifica ce poate fi determinata experimental. Aceasta rezistenta (R) este direct proportionala cu lungimea firului (l) si invers proportionala cu aria sectiunii transversale (S). In cazul unui conductor omogen formula este:

R= (1)

unde r =constanta de proportionalitate sau rezistivitatea materialului.

Elementele sensibile rezistive isi bazeaza functionarea pe proprietatea unor materiale (metale, aliaje, oxizi metalici) de a-si modifica rezistenta electrica in functie de temperatura mediului de lucru in care sunt introduse. Variatiile de rezistenta electrica sunt preluate de catre un adaptor, care le converteste in semnal electric de iesire.

Traductoarele de temperatura cu termorezistenta sunt realizate din metale a caror rezistenta creste cu temperatura. Pentru o variatie mica de temperatura rezistivitatea creste liniar cu temperatura:

r_t=r₀[1 a(t-t₀)] (2)

unde r_t = rezistivitatea la temperatura t;

r₀ = rezistivitatea la temperatura t₀;

a=coeficient de temperatura al termorezistentei ( C^-1).

Masurarea temperaturii este esentiala in industrie. Aceasta sarcina revine traductoarelor de temperatura cu termorezistente care sunt disponibile in configuratii variate, atat in medii normale (de laborator), cat si in medii cu pericol ridicat de explozie. Combinand ecuatiile (1) si (2), in conditiile in care t₀ este temperatura la 0 C si punand rezultatul sub forma y=mx+b, rezulta clar ca rezistenta variaza liniar cu temperatura:

=1+at (3)

Cele mai raspandite termorezistente in aplicatiile industriale se obtin prin bobinarea antiinductiva, pe un suport izolant, rezistent la temperatura; elementul sensibil astfel obtinut se introduce in teci de protectie, prevazute cu dispozitive de prindere si cutii de borne. Pentru fabricarea termorezistentelor se foloseste ca suport izolant textolitul, mica sau ceramica. Pe suportul respectiv se bobineaza neinductiv un fir metalic. Metalele utilizate permit prelucrarea la un diametru foarte mic si o buna stabilitate in timp sub influenta temperaturii ridicate si agentilor chimici. Teaca de protectie este destinata pentru a proteja elementul sensibil si firele conductoare de legatura de actiunea daunatoare a mediului. Se poate executa din diferite materiale. Materialul tecilor de protectie este conditionat pe langa domeniul de temperatura si natura fluidului a carui temperatura o masoara. Comportarea in timp a tecilor de protectie este influentata puternic de factorii locali activi.

Pentru exprimarea si compararea proprietatilor termice ale materialelor folosite la confectionarea elementelor sensibile se utilizeaza coeficientul de temperatura a , definit pe intervalul 0 C . 100 C prin relatia:

a

sau raportul W₁₀₀ al rezistentelor:

W₁₀₀=

unde R₀,R₁₀₀ reprezinta rezistentele firului la 0 C, respectiv la 100 C.

S-a observat experimental ca a este cu atat mai mare cu cat puritatea metalului utilizat este mai ridicata, crescand de asemenea odata cu inlaturare tensiunilor mecanice ale firului rezistiv.

Alte caracteristici care permit compararea termorezistentelor intre ele sunt urmatoarele:

materialul din care este confectionat elementul sensibil(platina, cupru, nichel, mai rar wolfram si molibden);

valoarea rezistentei la 0 C (R₀) si eroarea sa tolerata (se construiesc termorezistente de 100W W W W 0.2% , mai rar 46W 0.1% si 53W

constanta de timp (se disting termorezistente cu constanta de timp mica T 15s, medie 15s<T 90s si mare T>90s);

intervalul de masurare, in functie de care exista termorezistente de joasa temperatura (-200 C . +650 C/+850 C);

gradul de protectie mecanica, climatica, antiexploziva, anticorosiva;

clasa de precizie delimitata prin eroarea tolerata admisa raportului W₁₀₀ (clasa intai 0,0005, clasa a doua 0,001, clasa a doua

Teoretic orice metal poate fi folosit la masurarea temperaturii. Metalul ales trebuie sa aiba un grad inalt de sensibilitate si abilitatea de a reduce efectele corosive. Materialul care indeplineste aceste cerinte cel mai bine este platina si astfel ea a devenit elementul sensibil ales in termorezistente. Printre caracteristicile sale se numara de asemenea stabilitatea chimica, disponibilitate in forma pura si proprietatile electrice care sunt foarte bine redate.

Pentru proprietatile sale(punct de topire ridicat , 1772 C, rezistenta la medii oxidante, reproductibilitatea foarte buna a valorii rezistentei electrice pentru orice temperatura din domeniul de utilizare ), platina este metalul cel mai utilizat in realizarea termorezistentelor pentru aplicatii industriale. Se realizeaza termorezistente etalon din platina pentru reproducerea scarii de temperatura.

Alte materiale folosite sunt: Cuprul permite realizarea unei bune reproductibilitati deoarece se poate obtine cu puritate inaintata pe cale electrolitica, termorezistentele tehnice se utilizeaza in domeniul -50 C . +180 C, intrucat peste +180 C apare fenomenul de oxidare, producand alterarea ireversibila a proprietatilor de reproductibilitate.

Nichelul are o buna sensibilitate si liniaritate, dar termorezistentele tehnice se utilizeaza in domeniul -60 C . +180 C datorita aparitiei fenomenului de oxidare la temperaturi ridicate.

Wolframul prezinta o buna liniaritate si o rezistenta, astfel ca se confectioneaza termorezistente din fire de diametru mic (10 . 15μm), utilizate pe domeniul 0 C . +600 C; wolframul este folosit cu predilectie fara teaca de protectie, in medii gazoase cu viteze mari de curgere, sub forma de elemente sensibile cu fire calde.

In mod uzual pe acelasi suport izolant se realizeaza unu sau doua elemente sensibile; pentru protectia la agresivitatea mediului de lucru, tecile de protectie pentru termorezistente se confectioneaza din:

cupru (indicate pentru masurarea temperaturilor joase),

otel de constructie OLT 45 (recomandate pentru temperaturi pozitive in medii neutre),

otel inoxidabil (indicate la temperaturi pozitive in medii oxidante sau reducatoare).

In functie de forma si dimensiunile tecii de protectie, ca si de restrictiile mediului in care se face masurarea, se poate face o clasificare a termorezistentelor in:

termorezistente subminiatura,

termorezistente miniatura,

termorezistente rapide,

termorezistente normale,

termorezistente cu cot,

termorezistente pentru presiuni inalte,

termorezistente multiteaca,

termorezistente pentru suprafete plane.

Cand discutam despre traductoare de temperatura cu termorezistente trebuie luate in considerare urmatoarele aspecte:

autoincalzirea sau efectul Joule. Temperatura indicata de senzor este un pic mai mare datorita acestuia. Totodata, autoincalzirea depinde puternic de mediul in care este imersata termorezistenta;

precizia masurarii. Exista doua seturi de tolerante: clasa A (-200 +650^oC) - se aplica doar termorezistentelor in conexiune pe trei sau patru fire si clasa B (-200 +850^oC);

stabilitatea o proprietate a senzorilor de a mentine constanta iesirea cand avem la intrare o tensiune constanta. Modificarile fizice sau chimice pot duce la aparitia unor curenti de calibrare. Proportiile acestor curenti specificate de producatori sunt tipic de 0.05^oC/an ;

repetabilitatea. Este proprietatea unui senzor de a da acelasi rezultat la iesire, la efectuarea repetata a masurarii in aceleasi conditii;

raspunsul in timp. Este capacitatea senzorului de a reactiona la variatia temperaturii si acest raspuns in timp depinde de masa senzorului si a materialului testat. Specificatiile termorezistentei contin si constantele de timp ale acesteia definita ca perioada de timp care ii trebuie termorezistentei sa atinga valoarea de 2/3 din valoarea de echilibru atunci cand termorezistenta este supusa unei trepte de temperatura;

configuratia instalatiei electrice. In functie de modul de conectare a surselor si a iesirii traductorului se disting 3 variante de conexiune: pe 4 fire, pe 3 fire (deviata din cea de 4 fire cu observatia ca e posibila o legatura comuna intre alimentare si iesirea traductorului) si pe 2 fire (specifice traductoarelor cu iesirea in curent unificat. Cele doua fire de conectare sunt folosite atat pentru alimentare cat si pentru obtinerea semnalului de iesire. In acest caz exista doua surse de curent: una cu iesire constanta si cealalta cu iesire comandata de circuitul de intrare CI.)

3.Schema bloc a traductorului

4.Proiectarea blocurilor componente

4.1.Alegerea senzorului

Codificarea produsului

TTR ( termorezistenta )

TTR    xx x xx x x x x x

a b c d e f g h

a - tipul termorezistentei si clasa de precizie

b - materialul si caracteristica elementului sensibil

c - caracteristica tubului de protectie

d - materialul tubului de protectie

e - domeniul temperaturii de lucru

f - dispozitivul de fixare

g - lungimea de imersie

h - tipul executiei si al protectiei climatice

TTR     51.2.03.3.4.1.1.1

a = 51, normal clasa I

b = 2, Pt 100 cu 2 elemente sensibile

c = 03, teaca de protectie cu diametrul de 10 mm, lungime nominala 750

d = 3, otel inox

e = 4, -50°C 250°C

f = 1, fara dispozitiv de fixare

g = 1, 100≤Li≤L_n-100

h = 1, normal - temperat

4.2.Circuitul adaptor al senzorului

U_A = A ∙ U₁

A = 7

R_θ0 - rezistenta la temperatura

R_θmax - rezistenta la temperatura maxima

ΔR_θ = R_θ - R_θ0

Daca R_θ0 ∙ R₄ = R₂ ∙ R₃ U₁ = 0

Daca ΔR_θ << R_θ0 + R₃

Daca R_θ0 = R₂ = R₃ = R₄ =R

I_max = 10 mA = 10^-2 A

R_x = R_θmax + R₂ = 175,84 ∙ 2 = 351,68

R_y = R₃ + R₄ = 2 ∙ 175,84 = 351,84

U_p = 2 ∙ I_max ∙ R_e

U_p = 2 ∙ 175,84 ∙ 10^-2 = 351,68 ∙ 10^-2

4.3.Circuitul amplificator

; ,

R₆ = R₇

R₈ = R₉

R₁₀ = R₁₁

<100kΩ

U_OUTmax=2V

4.4. Circuitul de liniarizare

ε_x < ε_proiectare

4.5. Sursa de alimentare

4.6. Dispozitivul de afisare

5.Instructiuni de instalare si montaj

Termorezistentele sint detectoare de precizie ridicata si sensibilitate mare si pentru a asigura perfor­mantele nominale se recomanda ca manipularea si montarea sa se faca de catre personal autorizat, iar locul si pozitia de montare sa se faca astfel incit masurarea sa nu fie influentata de factori externi.

In figura de mai jos sint indicate o serie de pozitii de montare iar in tabelul anexat figurii sint prezentate erorile care intervin la fiecare pozitie in parte.

Ca regula generala se recomanda ca termorezistentele sa fie montate cit mai adinc in mediul a carui temperatura se masoara.

Montajul termorezistenta se va face in asa fel in cit temperatura la cutia de borne sa nu depaseasca 150°C.

Presiunea maxima de lucru pentru termorezistentele cu dispozitive de fixare sudate (flansa, niplu) este de 1Gx10⁵N/m .

Pentru presiuni mai mari se va folosi o teaca de protectie suplimentara.

. Punerea in functiune a termorezistentelor se va face respectind prescriptiile aparatelor indicatoare sau inregistratoare.

In cazul in care in circuitul de masurare apare un defect se controleaza daca suruburile din circuitul de masura sint bine strinse, daca defectul continua sa persiste se va controla continuitatea cablurilor de lega­tura. Daca si continuitatea cablurilor este buna se va inlocui termorezistenta din circuit cu alta termorezistenta a carei verificare metrologica este valabila.

Verificarile metrologice ale termorezistentelor trebuie sa corespunda instructiunilor elaborate de i.N.M. Bucuresti.

6.Bibliografia

• LAURENTIU - DAN MILICI "Metode si sisteme moderne de masurare a temperaturii in industrie", Editura Universitatii Suceava, 2004
• PETRU TODOS "Senzori si traductoare", Editura Tehnica, Chisinau, 1988
• RETROM - S.A. PASCANI "Termorezistente"