Traductoare pentru mǎsurarea electricǎ a mǎrimilor mecanice şi temperaturii

Transcript

1 Capitolul 4 Traductoare pentru mǎsurarea electricǎ a mǎrimilor mecanice şi temperaturii Un traductor (senzor) genereazǎ o variaţie a unei mǎrimi electrice atunci când sarcina suferǎ o modificare. Senzorii sunt componentele active ale dispozitivelor numite captoare, la care se pot identifica (vezi Cap. 2) şi alte pǎrţi: elemente elastice, piese de fixare şi preluare a sarcinii, elemente de conexiune, sisteme miniaturizate de condiţionare a semnalelor, elemente de protecţie la suprasarcinǎ sau umiditate etc. Senzorii de deformaţie rezistivi (mǎrcile tensometrice) au o largǎ utilizare în cercetarea experimentalǎ. Aplicaţiile acestora vor fi prezentate pe larg în capitolele urmǎtoare. În continuare vor fi analizate aspecte funcţionale şi metrologice la alte tipuri de senzor Traductoare potenţiometrice În cea mai simplǎ formǎ, traductorul potenţiometric pentru deplasǎri liniare este o rezistenţǎ de tip solenoid cu cursor deplasabil de-a lungul acesteia. Se poate controla poziţia unui element mecanic solidarizat cu cursorul. Solenoidul de lungime l este pus sub tensiunea U i (fig. 4.1). Fig. 4.1 Fig.4.2

2 Tensiunea de ieşire U e depinde de poziţia cursorului x U e = U i, l deci cota x se poate determina pe baza parametrilor U i, l şi a tensiunii U e mǎsuratǎ la ieşirea circuitului U x = e l. (4.1) Ui Rezistenţa solenoidului se situeazǎ între 10 Ω şi 10 6 Ω, în funcţie de materialul, lungimea şi diametrul sârmei ce se bobineazǎ pe suport izolator cilindric (fig. 4.2, a) sau toroidal (fig. 4.2,b). Aceste douǎ variante constructive (fig. 4.3) sunt utilizate la mǎsurarea unor deplasǎri liniare şi unghiuri de rotaţie cu domenii mari de variaţie: peste 10 mm, respectiv, peste 15 o. a Fig. 4.3 b 4.2. Transformatoare diferenţiale Traductoarele de acest tip se folosesc pentru determinarea indirectǎ a deplasǎrii unui miez magnetic prin mǎsurarea variaţiei de inductanţǎ pe care o produce într-un ansamblu de bobine cu câmpuri magnetice înlǎnţuite. Cele trei bobine (fig. 4.4), secundarǎ 1, primarǎ, secundarǎ 2, sunt montate în acelaşi suport izolator tubular. Prin poziţia miezului magnetic se controleazǎ inductanţa mutualǎ dintre înfǎşurarea centralǎ (primarǎ) şi cele laterale (secundare). Dacǎ miezul este centrat faţǎ de bobine, tensiunile induse în cele douǎ înfǎşurǎri secundare sunt egale dar în antifazǎ şi tensiunea la ieşire este nulǎ. La deplasarea miezului spre stânga sau spre dreapta se produce un dezechilibru de inductanţǎ mutualǎ între înfǎşurǎrile primarǎ şi secundarǎ şi se dezvoltǎ o tensiune de ieşire pozitivǎ sau negativǎ. Traductoarele de acest tip sunt utilizate frecvent pentru cǎ sunt robuste, au sensibilitate mare, caracteristicǎ y =U e ( x ) liniarǎ şi histerezis nul. La tensiuni alternative de alimentare de 5 15 V şi puteri sub 1 W se obţin sensibilitǎţi de 0,02 0,2 V/mm. La excitaţie de înaltǎ frecvenţǎ în domeniul 1 5 khz se pot atinge sensibilitǎţi de 0,16 2,6 V/mm.

3 Fig. 4.4 Sensibilitǎţile mari sunt specifice traductoarelor pentru deplasǎri mici, de regulǎ, în domeniul mm. Traductoarele avansate au încorporate circuite miniaturizate de condiţionare a semnalului. Existǎ transformatoare diferenţiale şi pentru mǎsurarea rotirilor Traductoare inductive de proximitate Se mǎsoarǎ distanţa dintre senzor şi suprafaţa unei piese din material conductor luatǎ ca reper. Funcţionarea se bazeazǎ pe mǎsurarea curenţilor induşi în suprafaţa conductoare de liniile de flux magnetic generate de înfǎşurarea activǎ a senzorului, alimentatǎ la curent de frecvenţǎ foarte înaltǎ (de ordinul 1 MHz). Curentul indus creşte când distanţa l scade. Variaţiile acestui curent sunt măsurate cu ajutorul unei semipunţi cu impedanţe în braţele căreia sunt conectate cele două înfăşurări, activă şi pasivă (fig. 4.5). Înfăşurarea pasivă are rol de compensare a efectului variaţiei de temperatură. Sistemul electronic demodulează ieşirea din semipunte şi o transformă în semnal analog care depinde liniar de distanţa dintre senzor şi reper.

4 Fig. 4.5 Acest tip de traductor are sensibilitate mare. De exemplu, pentru reper de aluminiu este de 4 V/mm. Metoda de măsurare fără contact se poate aplica şi pentru reper din material izolator, dacă pe suprafaţa sa se lipeşte o folie subţire (0,02 0,1 mm) din aluminiu. Domeniul de măsurare este de circa un sfert din diametrul bobinelor. Există aparatură de măsurare dedicată senzorilor de acest tip, care se utilizează la controlul automat al dimensiunilor şi la controlul grosimii straturilor subţiri depuse pe piese Senzori capacitivi Două plăci metalice paralele situate la distanţa h (Fig. 4.6) constituie un condensator cu capacitatea K A C = χ [pf], (4.2) h unde K este constanta dielectrică a mediului dintre plăci, A aria de suprapunere, χ - coeficient ce depinde unitatea de măsură în are sunt exprimate lungimile ( χ = 0,00885 dacă h şi A sunt în mm, respectiv, mm2 ). Teoretic, măsurarea s-ar putea face variind distanţa h sau modificând aria A. Numai în al doilea caz răspunsul este liniar, deoarece ΔC este proporţional cu ΔA. După translatarea unei plăci cu Δl, avem K b C C = χ ( l l ), h din care, având în vedere (4.2) şi A = l b, rezultă C l =. (4.3) C l

5 a) schema de principiu b) variante constructive Fig. 4.6 Sensibilitatea traductorului este mică (de ordinul 0,5 pf/mm) şi se calculează cu relaţia C C K b S c = = = χ. (4.4) l l h O cale eficientă de mărire a sensibilităţii este reducerea distanţei h Traductoare de temperatură Există trei tipuri de traductoare de temperatură: 1. Detectori cu rezistenţă, 2. Termistori, 3. Termocuple. 1) Detectorii funcţionează pe baza proprietăţii de modificare a rezistenţei în funcţie de temperatură pe care o au unele metale. Senzorul este un conductor bobinat pe suport de ceramică sau de sticlă. Variaţia de rezistenţă este dată de o relaţie de forma: R R 0 = n i= 1 γ i ( T T ) 0 i, (4.5) unde T 0 temperatură de referinţă, R 0 rezistenţa conductorului la temperatura T 0, γ i (i= 1, 2,..., n) coeficienţi de material. Platina este materialul cel mai utilizat pentru că este cel mai stabil dintre toate metalele şi are un domeniu de lucru foarte larg: -268 o C 1064 o C. După cum arată valorile din tabel, detectoarele cu platină au sensibilitatea S r relativ mare.

6 Temperatura [ o C] S r [Ω/ o C] ,39 0,378 0,367 0,355 0,344 0,332 2) Termistorii diferă de detectorii cu rezistenţă prin faptul că în locul metalelor se utilizează materiale semiconductoare (oxizi de cupru, cobalt magneziu, nichel, titan) sub formă de mărgea cu diametrul între 0,15 mm şi câţiva milimetri. Termistorii sunt de peste zece ori mai sensibili decât detectorii cu rezistenţă dar domeniul lor de măsurare se limitează din cauza răspunsului neliniar. Rezistivitatea semiconductoarelor variază cu temperatura după legea β ln ρ = A0 +, (4.6) T în care A 0 şi β sunt constante de material. 3) Termocuplele funcţionează pe baza efectului Seebeck: când două materiale diferite sunt puse în contact se dezvolă un potenţial electric. Diferite materiale asociate cu platina asigură sensibilităţi termoelectrice S t într-un domeniu larg. Cuplul de materiale S t [µv / o C] Platină - Constantan -35 Platină - Nichel -15 Platină - Aluminiu +3,5 Platină - Cupru +6,5 Platină - Tungsten +7,5 Platină - Fier +18,5 Platină - Siliciu +440 Datele din tabel permit determinarea sensibilităţii cuplului de materiale după regula S A B = S A Pt SB Pt. (4.7) De regulă, se utilizează cuplurile fier constantan, cupru constantan şi platină platină-rodiu. Tensiunea de ieşire Ue = S A B ( T 1 T 2 ), (4.8) se măsoară într-un circuit (fig. 4.7) cu două noduri aflate la temperaturi diferite: T 1 temperatura de măsurat (în nodul P 1 ), T 2 temperatura de referinţă (în nodul P 2 ), Deşi domeniul de măsurare poate fi larg, semnalul este slab şi răspunsul neliniar. Un alt inconvenient este necesitatea de a controla temperatura T 2 pe durata măsurării.

7 a) schema de principiu b) variante constructive Fig Senzori fotoelectrici (fotocelule) Există trei tipuri de fotocelule: a) fotoemisive, b) fotoconductoare, c) fotovoltaice. a) Celula fotoemisivă constă într-un anod A şi un catod C montate întrun tub vidat. Radiaţia incidentă influenţează electronii liberi din materialul catodului, care trec la anod producând curent electric (fig. 4.8). Intensitatea curentului depinde de lungimea de undă şi de intensitatea radiaţiei dar şi de sensibilitatea materialului fotoemisiv depus pe suprafaţa catodului. Uzual, catodul este placat cu argint care este oxidat şi acoperit cu un strat de cesiu. Fig. 4.8 Fig. 4.9

8 b) Celulele fotoconductoare se fabrică din materiale semiconductoare, de exemplu, sulfură de cadmiu. Rezistenţa R a materialului fotoconductor scade de de ori când acesta este expus la lumină. Variaţia rezistenţei R provoacă modificarea intensităţii I e a curentului din circuit (fig. 4.9). Ca şi celulele fotoemisive prezintă dezavantajul că sensibilitatea depinde de lungimea de undă a radiaţiei luminoase şi că timpul de răspuns este uneori mare (între 10-6 s şi 10 s). c) Celulele fotovoltaice sunt fotodiode de tip p-n. Când suprafaţa activă a fotodiodei este luminată se constată trecerea unui curent electric prin elementul de conexiune între regiunile de difuzie p şi n. Acest tip de fotocelulă oferă următoarele avantaje: viteză mare de răspuns, sensibilitate mare, liniaritate, zgomot redus, conectare simplă Traductoare de turaţie Principale aparate care permit masurarea pe cale electrica a turatiilor şi vitezelor unghiulare sunt: tahometrul cu curenti turbionari, tahogeneratorul, tahometrul cu impulsuri. Tahometrele cu curenti turbionari (fig. 4.10) se construiesc pentru intervale largi de masurare: rot/min. Constau dintr-un dispozitiv mobil format din unul sau doi magneti permanenti 1 ce se pot roti în interiorul unui tambur de aluminiu sau cupru 2. Tamburul este solidar cu un ac indicator si se poate roti la rândul sau pe două lagăre fiind însă menţinut în pozitia initială datorita unui arc spiral 3. Arcul spiral are capatul interior fix si capatul exterior solidar cu tamburul. Arborele a carui turatie se masoara pune în miscare de rotorul. Liniile de câmp magnetic produse de magnetii permanenti taie tamburul în care vor fi induse t.e.m. proportionale cu turatia n. Fig Fig Între curentii indusi în tambur si fluxul magnetilor permanenti apare o interactiune care se manifesta prin aparitia unui cuplu activ:

9 M a = k1 n, (4.9) unde k 1 este o constantă a aparatului. Sub actiunea acestui cuplu activ tamburul se roteste cu un unghí α, iar cuplului activ i se opune cuplul rezistent dat de arcul spiral de constantă elastică k 2 : M r = k2 α. (4.10) Când cele doua cupluri devin egale acul se opreşte după o rotire proporţională cu turaţia n. Scala deasupra căreia se mişcă acul indicator este gradata direct în unitati de turatie (rot/min). Tahogeneratoarele sunt, de fapt, microgeneratoare de curent continuu sau alternativ care genereaza tensiuni electrice proportionale cu viteza de rotatie a arborelui cu care sunt cuplate. Exista tohogeneratoare de c.c. si de c.a. Tahogeneratoarele consuma o putere de 1 50 W care este neglijabila la puteri mari de antrenare, dar la puteri mici apar erori de masurare a turatiei. Tahometrul de impulsuri se realizeaza pe baza traductorului digital electromagnetic pentru viteza unghiulara ce converteste turatia în trenuri de impulsuri. Solidară cu axul a carei viteza unghiularǎ se masoarǎ se afla o roatǎ dinţatǎ 3 din material feromagnetic (figura 4.11). Un magnet permanent 2 situat în interiorul unei bobine 1 se termina cu un capat din material feromagnetic care se afla la o foarte mica distanta de periferia dintilor. Când un dinte se aproprie sau se departeaza de magnet, variaza lungimea întrefierului, deci reluctanta circuitului magnetic, ceea ce conduce la o variatie a fluxului si la generarea unui impuls în bobina. Pentru obtinerea vitezei unghiulare se poate masura intervalul de timp dintre doua impulsuri sau numarul de impulsuri pentru un anumit interval. Precizia depinde de numarul de dinti, de precizia cu care s-a realizat pasul dintilor si de precizia cu care se masoara intervalul de timp. Aceste traductoare pot fi utilizate pentru viteze unghiulare care genereaza frecvente între 10 Hz si 10 khz.