Generalităţi. Figura 1. Tensiunea, curentul şi capacitatea

Transcript

1 Cuprins Generalităţi... 1 TRADUCTOARE... 3 Definire şi rol... 3 Exemplu... 3 Senzori de proximitate... 5 Senzorii inductivi, magnetici şi capacitivi... 6 Senzorii de proximitate capacitivi... 7 Senzorii de proximitate inductivi Detalii funcţionale Senzorii optici Generalităţi Curentul continuu, surse autonome, curentul continuu obţinut prin redresare, legea lui Ohm, divizoarele rezistive Curentul continuu se caracterizează prin tensiunea electrică, diferenţa de potenţial care apare între cele două borne ale sursei: (+) şi (-). Sursele de curent continuu pot unipolare sau bipolare, figura 1. Figura 1. Tensiunea, curentul şi capacitatea

2 O sursă unipolară cu capacitatea de 2000mAh, la tensiunea de 1,5V, este o sursă care poate asigura alimentarea unui consumator alimentat la 1,5V şi care absoarbe un curent de 2000mA, timp de o oră după care tensiunea începe să scadă. Capacitatea unei surse este produsul între curentul maxim şi timpul pe durata căruia sursa poate asigura tensiunea prevăzută la curentul maxim. Aceasta echivalează cu aria dreptunghiului ABCD. Prin urmare cu cât o sursă poate menţine alimentat un consumator care consumă curentul la capacitatea maximă, timp mai îndelungat cu atât are o capacitate mai mare. O sursă unipolară o regăsim sub forma unui acumulator sau baterie uscată, figura 2. Figura 2. Sursă unipolară Chiar dacă pe baterie sau acumulator sunt trecute semnele de polaritate + şi -, de fapt avem + faţă de zero aşa cum se vede în figura 3 în cazul sursei bipolare. Figura 3. Sursă bipolară La sursa bipolară avem cei doi poli + şi -, faţă de zero.

3 TRADUCTOARE Definire şi rol Traductorul este un ansamblu format din mai multe elemente care are rolul de a transforma o mărime fizică: deplasare, viteză, poziţie, temperatură, vibraţii, zgomote, debit, presiune, forţă, cuplu mecanic etc. în mărime electrică: tensiune, curent. Un traductor este format dintr-un element sensibil (ES) care oferă principiul conversiei mărimii mecanice în mărime electrică. Dacă acesta este o rezistenţă electrică atunci mărimea de intrare (IN) de tip presiune (P) va determina o deformaţie L a rezistenţei şi, implicit o modificare R a rezistenţei electrice care, făcând parte dintr-un circuit electric va avea efect o modificare a unei tensiuni U. Pentru ca rezistenţa electrică (ES) să poată intra în legătură directă cu procesul, cu presiunea P trebuie să fie aşezată pe un element de adaptare mecanică (EAM), figura 4. Figura 4. Elementele componente ale unui traductor Circuitele specializate, ultimul bloc dintr-un traductor simplu, au rolul de a prelua mărimea electrică aflată în legătură directă cu mărimea mecanică de intrare şi a o aduce la nivele de putere corespunzătoare. Circuitele specializate sunt formate din componente electronice active şi pasive care au rolul de a asigura amplificarea semnalului electric U, de a realiza adaptări de impedanţe între traductor şi echipamentele cu care se conectează în vederea controlului procesului. Exemplu Realizarea uni traductor pentru urmărirea unei presiuni de aer sau lichid. Pentru aceasta avem nevoie de un element de tip membrană care va permite legătura cu mediul din care apare presiunea şi o numi membrană elastică (ME) deoarece aceasta se va deforma în funcţie de mărimea presiunii. ME constituie EAM pe care l-am descris în figura 1. Pe membrană cu rol de suport, se aşează elementul sensibil ES care poate să fie un timbru tensometric, figura 5. Acesta este lipit astfel încât să facă corp comun cu ME astfel încât

4 deformaţiile membranei elastice să se transmită întocmai spre elementul sensibil, spre timbrul tensometric. Figura 5. Realizarea unui traductor pentru presiune Timbrul tensometric este sub forma unui traseu pe bază de cupru, traseu care asigură o lungime oarecare firului respectiv. Când membrana elastică se va deforma sub acţiunea presiunii, odată cu ea se va deforma şi elementul sensibil, timbrul tensometric, lungimea acestuia va creşte. Rezistenţa electrică a firului pe bază de cupru va fi: R=ρ(l/s) unde ρ este rezistivitatea materialului din care este făcut timbrul şi se oferă pe bază de tabele, l este lungimea firului iar s este secţiunea firului, figura6. Figura 6. Forma unui timbru tensometric Odată cu creşterea lungimii l are loc o reducere a secţiunii s şi conform relaţiei va avea loc o creştere a rezistenţei electrice. Rezistenţa electrică face parte din circuite speciale prin care modificarea rezistenţei se va traduce în modificarea unei tensiuni electrice, figura 7. Aşa cum reiese din figura 7 rezistenţa electrică a timbrului va fi R1. Împreună cu celelalte rezistenţe din punte, rezistenţa timbrului R1 va influenţa prin valoarea sa tensiunea de ieşire Ue. Ua va fi tensiunea cu care se alimentează puntea tensometrică.

5 Figura 7. Circuit special pentru marca tensometrică În felul acesta s-a realizat o legătură între mărimea mecanică presiunea şi o mărime electrică Ue. Senzori de proximitate Proximitatea se referă la apropiere, prezenţă. Un senzor de proximitate va avea rolul de a oferi semnale electrice în momentul în care, de zona sensibilă a senzorului se apropie un obiect, SP1 şi SP2 din figura 8. Figura 8. Proces controlat prin senzori de proximitate

6 Senzorii de proximitate au rolul de a identifica prezenţa elementelor mobile ale sistemelor aflate în mişcare. Pentru a putea fi fixaţi pe maşini în medii industriale senzorii de proximitate sunt protejaţi în carcase speciale din materiale plastice şi metalice. Senzorii inductivi, magnetici sau capacitivi pot avea forme similare, se pot asemăna, ce le diferenţiază este tocmai elementul sensibil care transformă prezenţa, apropierea, proximitatea de un obiect, în semnal electric util pentru controlul proceselor. Senzorii inductivi, magnetici şi capacitivi Figura 9. Forma constructivă a senzorilor de proximitate Carcasa senzorilor de proximitate este prevăzută cu o parte filetată pe care se montează piuliţe cu scopul de a permite fixarea mecanică pe suporţi a acestora, figura 9. La montaj se va avea în vedere sensibilitatea senzorului folosit pentru stabilirea distanţei de obiectul din proximitate a zonei cu elementul sensibil. Distanţa la care se va monta capătul activ al senzorului de obiectul controlat este prescrisă de furnizorul senzorului în catalogul de firmă. Performanţele unui senzor de proximitate se obţin numai atunci când se respectă întocmai indicaţiile firmei. Senzorii magnetici se folosesc de obicei pentru controlul poziţiei pistoanelor cilindrilor pneumatici sau hidraulici. Pe piston găsim un magnet circular care va asigura inducţia magnetică la nivelul inductanţei senzorului de proximitate aflat pe cilindru, în exteriorul acestuia. Magnetul are rolul de a asigura garanţia că prezenţa pistonului în dreptul senzorului este transformată în semnal electric.

7 Senzorii de proximitate capacitivi Elementele componente sunt prezentate în figura 10. În structura senzorilor de proximitate intră o serie de blocuri funcţionale, blocuri electronice care au roluri diferite: de oscilator, de redresare (demodulare), de trigger, de amplificare şi adaptări de impedanţe şi puteri. Figura 10. Structura internă a unui senzor de proximitate capacitiv Primul bloc se bazează pe un oscilator care va produce oscilaţii în momentul în care capacitatea condensatorului se schimbă schimbându-se permitivitatea acestuia. Condensatorul ca element sensibil dintr-un senzor de proximitate capacitiv are armăturile expuse astfel încât să sesizeze cu uşurinţă prezenţa unui obiect. Oscilaţiile produse de oscilator vor trece printrun demodulator care are rolul de lăsa să tracă o semialternanţă, în cazul figurii 10 vor trece semialternanţele pozitive datorită poziţiei diodei D1. Blocul trigger are rolul de transforma semialternanţa pozitivă, pe frontul crescător în 1 logic-nivelul de tensiune egal cu tensiunea de alimentare a senzorului, între 10 şi 30 V şi în 0 logic, zero volţi la ieşire pe frontul descrescător al semisinusoidei. Circuitul de ieşire bazat pe un tranzistor are rolul de asigura nivelul de tensiune şi putere corespunzător cerinţelor. În multe cazuri avem ca element activ un tranzistor bipolar PNP sau NPN care poate asigura curenţi de până la 300 ma la tensiuni între 10 şi 30 V CC. Oscilatorul electronic este realizat sub diferite variante care asigură oscilaţii stabile şi sigure neafectate de alţi factori din mediul exterior care pot influenţa comportarea acestuia. Componentele electronice care intră în structura oscilatorului se bazează pe amplificatoare operaţionale asigurate cu compensări termice, cu protecţii la încălzire, cu ecranări

8 corespunzătoare. Tot aici avem surse de tensiune care asigură stabilitatea nivelului tensiunii în timp ce senzorul poate fi alimentat în gama 10 V-30 V. Aşa cum reiese din figura 11 elementul sensibil condensatorul C1 se va încărca pe armături în mod succesiv cu plus şi minus. Drept rezultat vom avea circulaţia în sensuri diferite ale curentului prin încărcarea şi descărcarea succesivă a condensatorului. Figura 11. Oscilatorul şi elementul sensibil Rezultatul proximităţii este semnalul sinusoidal pe care oscilatorul îl realizează la amplitudinea plus-minus valoarea tensiunii corespunzătoare celei de alimentare a senzorului între 10V şi 30V, figura 12.

9 Figura 12. Oscilaţiile obţinute din oscilator Semnalul sinusoidal este transmis unui demodulator format dintr-o diodă D1 şi un grup rezistenţă Rs, condensator C3. Demodulatorul va îndepărta semialternanţa negativă lăsând să treacă numai ce pozitivă, figura 13. Figura 13. Demodularea semnalului sinusoidal

10 Figura 14. Transformarea semnalului din analogic în numeric După demodulator unde vom avea semialternanţe pozitive avem un circuit special, un amplificator electronic modificat care va avea rolul de a transforma semnalul din analogic în semnal treaptă, va face trecerea de la nivelul de 10V sau altă valoare până la 30 V în zero logic, în nivel zero al tensiunii electrice, figura 14. În felul acesta prezenţa sau non prezenţa obiectului urmărit de senzor se va materializa prin apariţia semnalului electric sub forma tensiunii electrice cu valoare în gama de alimentare a senzorului. Etajul următor este un circuit electronic în jurul unui tranzistor bipolar PNP sau NPN, circuit care are rolul de a asigura parametrii de interfaţare a senzorului cu echipamentul de automatizare, de control, de monitorizare, figura 15.

11 Figura 15. Circuitul de ieşire din senzor, starea blocat În momentul prezenţei obiectului monitorizat tranzistorul va intra în conducţie, figura 16 şi semnalizat prin aprinderea ledului. Figura 16. Circuitul de ieşire din senzor, starea conduce

12 Figura 17. Circuitul de ieşire activ În circuitul de ieşire există elemente pasive ca rezistenţele R6 şi R7 care au rolul de a realiza un divizor rezistiv ce asigură căderea de tensiune pe LED şi limitarea curentului prin acesta, un RTD - rezistenţă cu rol de detector termic, în momentul creşterii curentului prin tranzistor peste o anumită valoare aceasta se va încălzi iar ca urmare îşi va mări valoarea limitând curentul prin tranzistor şi protejându-l. Nivelul tensiunii va fi asigura de dioda Zener Z1, figura 17. Senzorii de proximitate inductivi Aşa cum sunt definiţi senzorii de proximitate inductivi au la bază o inductanţă, o bobină a cărei inductivitate depinde de prezenţa sau nu a materialelor cu efect inductiv ca metalele. Bobina face parte dintr-un oscilator la fel cum se întâmplă şi în cazul senzorilor capacitivi. În acest caz circuitul oscilant este unul LC bobină condensator, figura 18. Bobina este o componentă electronică reactivă de circuit şi are ca parametru electric esenţial inductivitatea proprie sau inductanţa, L. În funcţie de sensibilitatea senzorului şi aceasta depinde de firma constructoare, bobina va sesiza prezenţa unui obiect la o anumită distanţă de aceasta. Distanţe de sensibilitate sunt precizate în cataloage de firmă.

13 Figura 18. Oscilator cu element sensibil bobină În momentul trecerii semnalului dat de oscilator pe frontul descrescător triggerul realizează semnalul treaptă, figura 19. Figura 19. Transformarea semnalului din 1 logic în 0 logic Astfel că între două semisinusoide când valoarea tensiunii scade apoi creşte trecând prin trigger vom obţine un semnal care va trece din nivel logic ridicat în semnal cu nivel logic scăzut, figura 20. Acesta ar fi cazul în care de senzor se apropie obiectul, se îndepărtează apoi iar se apropie.

14 Figura 20. Front descrescător-front crescător În cazul circuitelor de ieşire pe bază de tranzistor PNP rezistenţa de protecţie termică (RTD) apare în circuitul emitorului. Dioda D2 are rolul de protecţie la conectare inversă a tensiunii de alimentare. Dioda Zener Z1 va asigura un nivel bine stabilit al tensiunii pe tranzistor, figura 21. Dioda LED va semnaliza stare senzorului: ACTIV sau NU. Figura 21. Circuit de ieşire cu tranzistor PNP Valoarea sarcinii ca şi curent absorbit depinde de limita de curent pe care o poate asigura tranzistorul Ts. În momentul în care semnalul care ajunge pe baza tranzistorului trece de la nivel scăzut la nivel ridicat va determina trecerea acestuia în conducţie şi apariţia

15 curentului prin sarcina conectată la ieşirea din senzor, figura 22. Cel mai mic consum şi cea mai mică valoare a curentului prin tranzistor îl avem atunci când conectăm senzorul la un controler logic programabil. Figura 22. Trecerea în conducţie O categorie a senzorilor de proximitate este cea a senzorilor cu trei fire de conexiune, figura 23. Majoritatea firmelor constructoare respectă culorile respective şi acestea au următoarea semnificaţie: MARO se leagă la borna PLUS a sursei de alimentare, ALBASTRU la borna MINUS. Firul negru va servi la preluarea semnalului util, a semnalului electric care va fi în concordanţă cu proximitatea. Figura 23. Senzori de proximitate cu trei fire de conexiune

16 În funcţie de tranzistorul din circuitul de ieşire vom avea sarcina conectată spre 0 V sau spre PLUS, figura 24. Figura 24. Conectarea sarcinii la PLUS Figura 25. Senzori de proximitate cu 4 fire de conexiune Există o gamă diversă de senzori de proximitate care au 4 fire de conexiune, figura 25. În acest caz se respectă semnificaţia culorilor prezentate pentru senzorul cu trei fire de conexiune pe lângă care mai apare un fir de culoare ALB (WHITE). În figura 22 găsim culorile în limba engleză aşa cum le găsim în cataloagele firmelor producătoare. Cele două culori ALB şi NEGRU vor corespunde firelor de conexiune prin care obţinem semnalul direct şi negat. În cazul senzorilor cu 4 fire de conexiune cele două ieşiri NEGRU şi ALB corespund stării unor contacte normal deschise (N.O) respectiv normal închise (N.C), figura 26. În aplicaţii cele două ieşiri pot fi folosite pentru a bascula conexiunea de pe o sarcină pe alta. Când va fi conectată o sarcină nu va fi conectată cealaltă şi invers.

17 Figura 26. Rolul firelor de conexiune Senzorii de proximitate au capacitatea de a sesiza prezenţa unui obiect în dreptul lor şi la o anumită distanţă. Prezenţa este transformată în semnal logic ce este transmis către PLC. Detalii funcţionale Senzorul inductiv se bazează ca funcţionare pe realizarea unui câmp electromagnetic de către o bobină prin intermediul unui oscilator, figura 27.

18 Figura 27. Principiul unui senzor inductiv Semnalul oferit de senzor la ieşirea sa este de fapt, intrarea în controler. În cazul senzorilor inductivi, obiectul identificat va fi metalic astfel încât acesta, obiectul va produce întreruperea liniilor de câmp electromagnetic care va dezechilibra un oscilator. Rezultatul final va fi un semnal util logic 1. Forma semnalului oferit de senzor este prezentată în figura 28. Figura 28. Semnalul unui senzor de proximitate Prezenţa obiectului urmărit de senzor se traduce prin scăderea amplitudinii semnalului util. Circuitele de ieşire din senzorul de proximitate au la bază elemente active de tip tranzistor PNP sau NPN, figurile 29 şi 30.

19 Figura 29. Ieşire pe transistor PNP La ieşirea din senzor semnalul util depinde de partea electronică activă din circuitul de ieşire a senzorului, dacă ieşirea este pe bază de tranzistor PNP atunci semnalul util este cules de pe colectorul tranzistorului faţă de minus. Figura 30. Ieşire pe transistor NPN Dacă ieşirea este pe tranzistor NPN atunci semnalul util de ieşire apare între plus şi colectorul tranzistorului, figura 30. Aşezarea senzorilor faţă de obiectele ce urmează a fi detectate, figura 31 şi 32. Figura 31. Detectarea obiectelor din materiale diferite

20 Figura 32. Senzorul de proximitate capacitiv Apropierea obiectelor de zona sensibilă a senzorului vor efectua influenţe asupra câmpului electric al zonei active, figura 33. În cazul senzorului capacitiv obiectul ţintă va schimba caracteristicile unui dielectric, figura 33. Figura 33. Componentele unui senzor capacitiv Figura 34. Semnalul util al unui senzor capacitiv

21 Prezenţa obiectului în zona sensibilă a senzorului capacitiv va avea ca efect creşterea amplitudinii semnalului. Semnalul util oferit de senzor va avea forma din figura 34. Efectul utilizării senzorilor inductivi sau capacitivi, pentru controlerul logic programabil este acelaşi, la intrarea controlerului, prezenţa obiectului se percepe prin semnal de tensiune 1 logic. Senzorii optici Pornind de la principiul de funcţionare al senzorilor optici, sesizarea prezenţei obiectului presupune întreruperea circuitului unei raze luminoase care parcurge traseul de la emiţător spre receptor. Semnalele şi forma acestora sunt prezentate în figura 35. Figura 35. Semnalele într-un senzor capacitiv Filtrul optic are rolul de a selecta radiaţiile utile, a le separa de eventuale perturbaţii sau reflexii care ar putea denatura funcţionarea senzorului optic. La nivelul receptorului, partea finală care asigură semnalul util dat de senzor se poate colecta din colectorul sau din emitorul unui tranzistor, figura 36. Figura 36. Modalităţi de alimentare ale unui fototranzistor Modul de colectare a semnalului din emitor sau din colector depinde de tipul de controler logic programabil. În cazul standului de faţă semnalul util dat de senzor va fi de 24V curent continuu deoarece alimentarea senzorului se realizează la 24 V, aceeaşi tensiune la care se alimentează şi controlerul logic programabil, figura 37.

22 Figura 37. Senzorul optic-principiu de funcţionare