INTRODUCERE Disciplina de Senzori şi Traductoare oferă studenţilor, de la profilurile electrice, cunoştinţele necesare înţelegerii principiilor de funcţionare şi modului de realizare constructivă pentru cele mai utilizate traductoare în cadrul sistemelor de reglare (sau conducere) a proceselor industriale. Uşurinţa asimilării conţinutului acestui curs, completat cu lucrările practice de laborator, este condiţionată de pregătirea anterioară a studenţilor la disciplinele: Fizică, Bazele Electrotehnicii, Măsurări Electrice şi Electronică. Întrucât această disciplină (Senzori şi Traductoare) este precedată şi logic conectată de Măsurările Electrice, în cele ce urmează se vor reaminti câteva noţiuni generale referitoare la: Procesul de măsurare Importanţa măsurărilor în tehnică Unităţile de măsură. a) Procesul de măsurare A măsura înseamnă a compara o mărime necunoscută (X) cu o alta de aceeaşi natură (x) luată drept unitate, după relaţia: X = mx (i.1) în care m reprezintă valoarea mărimii necunoscute (X). Această comparare este efectuată, de regulă, de către un aparat de măsură ce are memorată unitatea de măsură, în interior, pe scara gradată. Mărimea de măsurat (X) se mai numeşte şi măsurand. Indicaţia aparatului de măsură (valoarea m) este percepută de către un operator (uman sau automat), iar acest rezultat al măsurării este transmis mai departe pentru a fi utilizat în practică (fig. i.1). Schema bloc din figura i.1 sugerează că procesul de măsurare poate fi considerat ca o interfaţă între obiectul de măsură şi domeniul de utilizare a rezultatului măsurării (control, verificare experimentală a unei teorii etc). Din cauza imperfecţiunii aparatului de măsurat (AM) şi a operatorului, precum şi datorită prezenţei unor factori perturbatori (FP), rezultatul măsurării
2 Introducere este întotdeauna afectat de o eroare, iar nivelul acesteia defineşte calitatea de bază a unei măsurări: precizia; cu cât eroarea este mai mică, cu atât precizia este mai bună. Rezultatul unei măsurări nu prezintă nici o importanţă practică dacă nu se cunoaşte şi precizia acestuia. Pentru micşorarea erorilor şi deci creşterea preciziei de măsurare, trebuie, în primul rând, eliminaţi sau menţinuţi la nivele constante, controlabile, toţi factorii perturbatori (FP) cum sunt factorii de climă (temperatura, umiditatea, presiunea), câmpurile electrice, magnetice şi electromagnetice. În afară de acestea mai trebuie precizate şi condiţiile tehnice de definire a mărimii X. De exemplu, dacă la măsurarea pierderilor în fier rezultă 2W/kg această cifră nu este concludentă dacă nu se specifică şi valoarea inducţiei magnetice, respectiv frecvenţa la care au fost măsurate. Ca regulă generală se recomandă ca obiectele să fie măsurate în condiţiile lor normale de lucru, sau cât mai apropiate de acestea. Cu privire la aparatul de măsură şi la operator este necesar să se observe următoarele: Aparatul de măsură (AM) trebuie să fie cât mai adecvat scopului urmărit, iar o alegere judicioasă cere cunoaşterea performanţelor şi limitelor aparatului respectiv în condiţiile reale de lucru. Principalul parametru de calitate al unui AM este precizia; această precizie trebuie verificată, de regulă, înaintea operaţiei de măsurare, mai ales când se fac măsurări de mare răspundere, fără a acorda credit sută la sută indicaţiilor din prospectul aparatului. Operatorul uman. Cel mai solicitat simţ al acestuia este văzul, iar în cazul măsurătorilor acustice se adaugă şi auzul. În legătură cu aceste două simţuri se cunosc următoarele: -Există un prag minim de sensibilitate sub care două stări vecine nu mai pot fi deosebite una de alta, prag care defineşte rezoluţia operatorului; -Senzaţia depinde logaritmic de excitaţie (legea Webwe-Fechner). Pentru a ţine seama de această particularitate, unele aparate de măsură utilizate în electroacustică şi în telecomunicaţii au scară logaritmică, gradată în decibeli (db); -Acuitatea vizuală şi cea acustică se îmbunătăţesc prin antrenament; -Atât acuitatea vizuală cât şi cea acustică scad rapid la creşterea gradului de oboseală. În cazul utilizării operatorului automat este necesar ca aparatul de măsură să poată vorbi în limbajul acestuia. De exemplu, dacă operatorul este un calculator de proces, aparatul trebuie să furnizeze informaţia în codul acestuia. În figura i.2-a este dată schema de principiu a unui lanţ de măsură.
Introducere 3 Figura i.2 Observaţii : 1. Când măsurandul este o mărimne neelectrică (de exemplu, temperatura), între OM şi AM se interpune un dispozitiv care să-l convertească într-o mărime electrică X (de exemplu, o tensiune); un asemenea dispozitiv (termocuplu în cazul citat) se numeşte traductor (figura i.2-a). 2. In cazul mărimilor neelectrice este necesar, adesea, nu numai măsurarea ci şi reglarea mărimii respective cum ar fi, de exemplu, măsurarea şi reglarea temperaturii într-un cuptor de tratamente termice. În acest caz, în schema de măsurare (figura i.2-b) apare, în plus, un organ de decizie şi acţiune (regulator automat de temperatură în cazul citat). b) Importanţa măsurărilor în ştiinţă şi tehnică Baza oricărei inginerii este proiectarea, iar proiectarea se sprijină pe date obţinute prin operaţii de măsurare. Atât în ştiinţă, cât şi în tehnică informaţiile necesare sunt obţinute, în principal, prin măsurări. Încă la finele secolului trecut, W.Thomson arăta că: Istoria fizicii este în esenţă istoria evoluţiei mijloacelor de măsură deoarece un fenomen fizic nu poate fi înţeles şi utilizat în practică până nu e măsurat. Fizica este ştiinţa care măsoară realitatea. În prezent, trăim într-o lume a măsurătorilor; în nici un domeniu al activităţilor umane (ştiinţă, cercetare, producţie) nu se poate progresa fără operaţii de măsurare. Dintre ştiinţele tehnice, electronica este cea mai dependentă de tehnica măsurărilor. În acelaşi timp, evoluţia remarcabilă a aparatelor de măsură electronice se datorează progreselor realizate în domeniul dispozitivelor şi circuitelor electronice, a tehnicilor numerice de condiţionare şi prelucrare a semnalelor. AM electronice s-au răspândit atât de mult în toate sferele de activitate, încât azi nu e posibil ca cineva să pretindă că are o cultură
4 Introducere tehnică generală fără a cunoaşte cât de cât instrumentaţia electronică de bază. În fine, afirmaţia lui G.Keinath (specialistul care a dominat scena metrologică electrică între anii 1930-1950): Mehr messen, mehr wissen (măsurăm mai mult, ştim mai mult) pledează suficient de convingător în această direcţie. c) Unităţi de măsură După cum rezultă din (i.1), pentru efectuarea unei operaţii de măsurare este necesară şi o unitate de măsură. Odată cu creşterea numărului mărimilor de măsurat a apărut cerinţa stabilirii unui grup de unităţi care să permită măsurarea tuturor mărimilor fizice cunoscute. Un asemenea grup se numeşte sistem de unităţi. În trecutul fizicii au fost elaborate şi folosite mai multe sisteme de unităţi: CGS electrostatic, CGS electromagnetic şi MIKSA. Aceasta din urmă are la bază sistemul metric (metru, kilogram, secundă) adoptat în Franţa încă din anul 1795 şi a fost completat de către italianul Giorgi, în anul 1936, cu o a patra unitate amperul. Tot Giorgi a propus şi numele de MSKA (metru, secundă, kilogram, amper) pentru acest sistem de unităţi. În prezent tinde să se generalizeze în întreaga lume, sistemul internaţional de unităţi SI. Acesta provine din MKSA raţionalizat, la care au fost adaugate pe parcurs şi alte trei unităţi: gradul Kelvin (K) pentru temperatură, candela (cd) pentru intensitate luminoasă şi molul (mol) pentru cantitatea de substanţă. Pe plan internaţional SI a fost adoptat în anul 1954, iar la noi în ţară a fost legiferat în anul 1961, dată la care a devenit obligatoriu. Totuşi, alături de unităţile SI, atât la noi cât şi în alte ţări se mai utilizează şi unităţi din afara sistemului SI, denumite unităţi tolerate (grad Celsius, Gauss, Oerstedt etc.) Unităţi fundamentale (SI) Cele şapte unităţi ale SI menţionate mai înainte se numesc unităţi fundamentale pentru că sunt stabilite independent una de alta, iar celelalte unităţi deduse din primele, pe baza unor relaţii cunoscute, se numesc unităţi derivate. Unităţile fundamentale au următoarele definiţii: 1. Metrul (m) reprezintă distanţa parcursă de lumină în vid, timp de 1/299792458 s (aprox. 3,3 ns). Această definiţie (care presupune viteza luminii în vid =299792458 m/s şi nu 3 10 8 m/s) a fost adoptată în anul 1983 şi înlocuieşte pe cea bazată pe radiaţia atomului de kripton 86 (mai puţin precisă), adoptată în anul 1960. Până atunci metrul era definit pe baza prototipului de platină iridată, adoptat în anul 1889 de către Conferinţa Generală de Măsuri şi Greutăţi (CGPM) 3 şi păstrat la Biroul Internaţional de Măsuri şi Greutăţi (BIPM) 4 de la Sévres Paris; lungimea prototipului a fost stabilită ca fiind a zecea milioana parte din sfertul meridianului terestru.
Introducere 5 2. Kilogramul (kg) reprezintă masa kilogramului internaţional prototip din platină iridiată adoptat în anul 1889 de către CGM şi păstrat la BIMG Sévres. 3. Secunda (s) reprezintă durata a 9192631770 perioade ale radiaţiei corespunzătoare tranziţiei între cele două nivele de energie hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133. Această definiţie a fost adoptată în anul 1967 la cea de-a 13-a CGMG. Până atunci s-a folosit secunda definită pe baza anului tropic 1900 (a se vedea şi 2.5.3). 4. Amperul reprezintă intensitatea unui curent electric constant care, menţinut în două conductoare paralele, rectilinii, cu lungimea infinită, aşezate în vid la o distanţă de 1 m unul de altul, ar produce între aceste conductoare o forţă de 2. 10-7 N/m (0,2 µn/m). Această definiţie a fost adoptată de către CGM în anul 1948. Până atunci s-a folosit amperul definit pe baza fenomenului de electroliză: cantitatea de electricitate necesară depunerii a 0,118 mg de argint timp de o secundă. 5. Kelvinul (K) sau gradul Kelvin este unitatea de temperatură termodinamică şi reprezintă 1/273,16 din temperatura termodinamică a punctului triplu al apei. A fost adoptat în anul 1967. Până atunci, ca unitate de măsură a temperaturii s-a folosit gradul Celsius ( o C), unitate utilizată şi în prezent. Între acestea două există relaţia: T(K) = 273,16 + temperatura în o C. 6. Candela (cd) reprezintă intensitatea luminoasă într-o direcţie dată, a unei surse care emite o radiaţie monocromatică cu frecvenţa de 5,4. 10 14 Hz (lungimea de undă 555 nm) şi a cărei intensitate energetică în această direcţie este I R = 1/683 W/sr (=1,46 mw/sr). Această definiţie (radiometrică) a fost adoptată în anul 1979. Până atunci s-a folosit definiţia fotometrică (bazată pe corpul negru), mai dificilă de materializat în practică decât prima. 7. Molul (mol) reprezintă cantitatea de substanţă a unui sistem care conţine atâtea entităţi elementare (atomi, molecule, ioni etc.) câţi atomi există în 0,012 kg de carbon 12 (6,02. 10 23 atomi); de exemplu, într-un mol de apă există 6,02. 10 23 molecule. Această unitate se utilizează în Chimie şi în Fizica moleculară. Unităţi derivate Unităţile SI derivate, mai des utilizate în electronică, împreună cu mărimile respective sunt date în tabelul T.1. Acestea au următoarele definiţii: Coulombul (C) este cantitatea de electricitate transportată de un curent de 1 A într-o secundă. Voltul (V) este diferenţa de potenţial ce se stabileşte între două puncte ale unui fir parcurs de către un curent constant de 1 A, când puterea disipată între aceste două puncte este egală cu 1 W.
6 Introducere Voltul pe metru (V/m) reprezintă gradientul de potenţial electric, care arată că în acel câmp electric uniform, între două puncte ale spaţiului respectiv aflate la 1 m distanţă unul de altul există o diferenţă de potenţial de 1 V. Ohmul (Ω) reprezintă rezistenţa electrică existentă între două puncte ale unui fir conductor când o diferenţă de potenţial de 1V aplicată între aceste două puncte face să circule prin acel conductor un curent de 1 A, conductorul respectiv nefiind sediul nici unei tensiuni electromotoare. Faradul (F) este capacitatea unui condensator electric între armăturile căruia apare tensiunea de 1V când este încărcat cu 1 C. Amperspira (A) este tensiunea magnetomotoare produsă de un curent cu intensitatea de 1 A la parcurgerea unei singure spire, într-un circuit magnetic închis. Tabelul 1.1 Mărime Unitate de măsură Nr.crt. Denumire Ecuaţie de Simbol definiţie Denumire Simbol Dimensiune 1 Putere P P=U I Watt W V A 2 Cantitate de electricitate Q Q=I t Coulomb C A s 3 Tensiune electrică U U=P/I Volt V V 4 Intensitate câmp electric E E= U Volt /metru V/m V/m 5 Rezistenţă R R=U/I Ohm Ω Ω 6 Capacitate C C=Q/I Farad F s/ω 7 Tensiune Amper - F= n I magnetomotoare (amper spiră) Asp A 8 Intensitate câmp magnetic H H=I/2 l Amper/metru A/m A/m 9 Flux magnetic Φ E=dΦ/dt Weber Wb V s 10 Inductivitate L L=Φ/I Henry H Ω s 11 Inducţie magnetică B B=Φ/S Tesla T V s/m 2 12 Frecvenţă f f=1/t Hertz Hz s -1 13 Flux luminos ϕ ϕ=i /ϖ Lumen lm cd -1 14 Iluminare E E=ϕ/A Lux lx lm/m 2 15 Strălucire (Luminanţă) B B=I /A candela/m 2 cd/m 2 cd/m 2 16 Energie W W=P t Watt oră W h 5 V A s 17 Forţă F F= m a Newton N Kg m s -2 Amperul/metru (A/m) reprezintă tensiunea magnetomotoare pe unitatea de lungime într-un câmp magnetic uniform (1A/m = 4π. 10-3 Oe). Weberul (Wb) este fluxul de inducţie magnetică, care traversând o singură spiră, induce în această spiră o t.e.m. de 1 V când fluxul respectiv
Introducere 7 descreşte uniform la zero în timp de o secundă. Weberul/m 2 = Tesla (T) este unitatea pentru inducţie magnetică. Henry-ul (H) este inductivitatea unui circuit electric închis în care la o variaţie uniformă a curentului, cu viteza de 1 A/s se produce (în acea spiră) o t.e.m. de 1 V. Fluxul luminos (ϕ) reprezintă energia luminoasă radiată total de un izvor luminos într-un unghi solid ω, cu vârful în izvorul respectiv (ω = 4π steradiani). Ecuaţia de definiţie: ϕ = I /ω; unitatea de măsură: lumen (lm). Luminanţa (B) este raportul dintre intensitatea luminoasă a unei surse de lumină şi o suprafaţă perpendiculară pe raza acestei surse. Unitatea: candela/m 2 (cd/m 2 ). Observaţie: - În ultima coloană a tabelului T.1 sunt trecute dimensiunile (relative) ale unităţilor menţionate. Aceste dimensiuni sunt utile la verificarea rapidă a corectitudinii relaţiilor de calcul în care intră astfel de mărimi. O asemenea verificare se numeşte analiză dimensională. Unităţi SI auxiliare În această clasă sunt incluse două unităţi geometrice: radianul şi steradianul. 1. Radianul (rad) este unghiul plan cuprins între două raze care interceptează pe circumferinţa unui cerc un arc de lungime egală cu cea a razei. 2. Steradianul (sr) este unghiul solid care, având vârful în centrul unei sfere, delimitează pe suprafaţa acestei sfere o arie egală cu cea a unui pătrat a cărui latură este egală cu raza sferei. Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat Prin aparat de măsurat se înţelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenţă între mărimea de măsurat şi o altă mărime ce poate fi percepută nemijlocit cu ajutorul organelelor de simţ umane, într-o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură. În cazul SRA conducerea procesului făcându-se fără participarea directă a operatorului uman, mijloacele prin care se realizează operaţia de măsurare se numesc traductoare. Traductorul (definit în sensul atribuit de automatică) este un dispozitiv de automatizare care stabileşte o corespondenţă între mărimea de măsurat (ce poate fi de orice natură sau domeniu de variaţie) şi o mărime de natură dată, având un domeniu de variaţie calibrat, mărime ce este recepţionată şi prelucrată de către echipamentele de conducere (regulatoare şi calculatoare de proces).
8 Introducere Noţiunea de traductor se poate extinde pentru definirea unor elemente cu funcţiuni similare care intră în structura unor lanţuri de măsurare complexe, utilizate în scopuri de cercetare, sau laboratoare metrologice. Observaţii: Făcând paralelismul funcţional între aparatele de măsurat şi traductoare, se observă o serie de deosebiri prin faptul că traductorul este un element component al SRA. Informaţia furnizată de traductor nu se adresează unui operator uman, ci unui echipament de conducere sau reglare automată. Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat rezidă mai ales în natura caracteristicilor statice şi dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun următoarele cerinţe: a) Relaţie de dependenţă liniară între intrare şi ieşire (I - E). b) Dinamică proprie care să nu influenţeze în mod esenţial comportarea SRA. Aceste cerinţe reprezintă restricţii severe în construcţia traductoarelor. - Dacă pentru un aparat de măsură relaţia de dependenţă I-E poate fi neliniară, în acest caz scara aparatului gradându-se neliniar, în cazul traductorului dependenţa I-E este impusă strict liniară, adică, eroarea de neliniaritate admisă este foarte redusă. Toate operaţiile de conducere a procesului se bazează pe această proprietate. În ceea ce priveşte, dinamica proprie, este necesar ca informaţia furnizată de traductor către echipamentul de conducere să ajungă la aceasta fără întârziere, pentru ca deciziile de conducere să fie oportune. Rezultă că dinamica proprie a traductorului trebuie să fie rapidă, încât programarea informaţiei prin traductor (între I şi E) să se facă cu întârzieri minime (neglijabile) în raport cu dinamica procesului condus. Se observă (deduce) că traductoarele trebuie să îmbine cerinţele de liniaritate şi viteză de răspuns cu performanţele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de măsură sau chiar mai ridicate, ţinând seama că posibilităţile de discriminare ale SRA sunt superioare faţă de cele oferite de operatorul uman. Toate consideraţiile implică şi necesitatea unei fiabilităţi sporite în raport cu aparatele de măsurat, datorită faptului că o indicaţie greşită dată de un aparat de măsurat poate fi uşor sesizată şi interpretată de către operator, pe când detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificilă în cazul unui SRA.
Introducere 9 Poziţia traductoarelor în cadrul S.R.A. Se consideră schema structurală, a unui sistem monovariabil de reglare automată, prezentat în figura i.3. i.3 Schema de principiu a unui SRA monovariabil Fig. Întrucât semnificaţia şi rolul elementelor ce compun această schemă sunt cunoscute de la disciplina Bazele Sistemelor Automate, aici trebuie observat numai faptul că traductorul este plasat pe calea de reacţie, având la intrare mărimea reglată (y), pe care o converteşte (o traduce) în mărime de reacţie (y r ). Mărimea de reacţie, însumată cu referinţa (r), determină eroarea de reglare (ε) conform relaţiei: ε ( t) = r(t) yr (t) (i.2) În cazul unui sistem multivariabil de reglare şi/sau conducere automată schema de principiu este de tipul celei din figura i.4. Fig. i.4 Sistem de conducere automată a unui proces multivariabil Semnificaţia notaţiilor din figura i.4 este: Tr traductoare; EE element de execuţie; SI-I sistem de interfaţă a intrărilor; SI-E sistem de interfaţă a ieşirilor; SIA sistem de interfaţă pentru mărimi analogice; SIN sistem de interfaţă pentru mărimi numerice; C.P. calculator
10 Introducere de proces; C.O. - -consola operator; C.U. calculator universal; P.G. periferice generale. Din cele două scheme se constată că traductoarele (Tr) sunt situate pe calea informaţională având sensul de transmitere de la proces către sistemul de conducere, iar EE sunt plasate pe calea de transmitere a comenzilor de la sistemul de conducere către proces. Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate realiza în diverse moduri: mecanic, termic, electric etc, în raport cu natura fenomenelor purtătoare de informaţie referitoare la mărimea de măsurat. Datorită unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice, şi numai în cazuri speciale pneumatice (medii cu pericole de explozii sau incendii). Ca urmare, semnale de ieşire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiune, curenţi) sau pneumatică (aer instrumental). Semnalele de ieşire ale traductoarelor, indiferent de natura lor electrică sau pneumatică, au domenii de variaţie fixate. În acest mod se crează posibilitatea utilizării de echipamente tipizate, realizându-se aşa-numitele sisteme unificate de aparate pentru automatizare. Prin sistem unificat de echipamente pentru automatizare se înţelege ansamblul aparatelor şi dispozitivelor realizate după un principiu constructiv unic, ce utilizează un semnal unificat. Sistemele unificate de echipamente pentru automatizări, în care sunt incluse şi traductoarele, asigură avantaje tehnico-economice legate de producerea în serii mari, modularizarea, tipizarea şi interconectarea rapidă a diferitelor componente, ceea ce contribuie la reducerea costurilor de întreţinere şi depanare. Întrucât traductoarele sau unele componente ale acestora sunt montate direct în instalaţiile în care se desfăşoară procesul, este necesar ca acestea să funcţioneze corect, în condiţii foarte dificile: umiditate, medii corozive sau uneori la temperaturi ridicate sau la presiuni foarte mari. Asigurarea unei funcţionări corecte în asemenea condiţii dificile impune o atenţie deosebită la realizarea constructivă a traductoarelor. Structura generală a unui traductor Realizarea funcţiilor (menţionate) de către traductor astfel încât semnalul obţinut la ieşirea acestuia să reprezinte valoric mărimea măsurată, sub formă accesibilă dispozitivelor de automatizare, implică o serie de operaţii de conversie însoţite totodată şi de transformări energetice bazate fie pe energia asociată mărimii preluate din proces, fie pe cea furnizată de sursele auxiliare. Schema structurală a unui traductor este prezentată în figura i.5.
Introducere 11 Fig. i.5- Structura generală a unui traductor Semnificaţia blocurilor funcţionale este următoarea: D ES (element sensibil), sau detector; ET = element de transmitere (de transfer); A AD este adaptorul; SEA este sursa de energie auxiliară. Mărimea de măsurat x este aplicată la intrarea traductorului, reprezentând parametrul reglat (temperatură, debit, presiune, turaţie, nivel, vitază, forţă etc). Mărimea de ieşire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune). a) Detectorul (D) numit şi element sensibil, senzor sau captor este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. În mediul în care trebuie să funcţioneze traductorul, în afara mărimii x, există şi alte mărimii fizice. Detectorul trebuie să aibă calitatea de a sesiza numai variaţiile mărimii x, fără ca informaţiile pe care acesta le furnizează să fie afectate de celelalte mărimi din mediul respectiv (din proces). În urma interacţiunii dintre mărimea de măsurat şi detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecinţă a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conţine informaţia necesară determinării valorii mărimii de măsurat. Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. În funcţie de fenomenele fizice pe care se bazează detecţia şi de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieşirea elementului sensibil. (Exemplu: Tensiunea electromotoare generată la bornele unui termocuplu în funcţie de temperatură.) În alte situaţii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a căror evidenţiere se face utilizând o energie de activare de la o sursă auxiliară (SEA). Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informaţia furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare prin (ET) şi (A). b) Adaptorul (A) are rolul de a modifica (adapta) informaţia obţinută la ieşirea detectorului (D) la cerinţele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizează, adică să o convertească sub forma impusă pentru semnalul de ieşire y.
12 Introducere Particularităţile semnificative ale adaptorului La partea de intrare, adaptorul se caracterizează printr-o mare diversificare constructivă pentru a putea prelua variatele forme sub care pot să apară modificările de stare ale diferitelor elemente sensibile (ES). Pe parte de ieşire, adaptoarele cuprind de regulă (la echipamentele standardizate) elemente comune necesare generării semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniul de variaţie al mărimii de intrare. Funcţiile realizate de adaptor sunt complexe, ele incluzând şi adaptarea de nivel, putere (sau impedanţă) cu referire la semnalul de ieşire, în raport cu dispozitivele de automatizare. Adaptorul asigură conversia variaţiilor de stare ale ES în semnale calibrate la ieşire, ce reprezintă (la o altă scară) valoarea mărimii de intrare. Deci, adaptorul (AD) realizează operaţia specifică măsurării, adică comparaţia cu unitatea de măsură adoptată. Modalităţile practice de efectuare a comparaţiei sunt diverse şi acestea diferenţiază tipurile de adaptoare (determină diferenţieri structurale ale adaptoarelor). Astfel, comparaţia poate fi simultană când se compară permanent o mărime etalon cu mărimea de intrare. De cele mai multe ori comparaţia este succesivă (nesimultană) când mărimea etalon este aplicată numai iniţial pentru calibrare (fiind memorată) iar mărimea de măsurat se aplică permanent. În acest caz valoarea memorată a mărimii etalon se compară succesiv cu valorile mărimii de intrare (care variază). În funcţie de legile fizicii pe care se bazează detecţia realizată de (ES) operaţia de măsurare în cadrul adaptorului presupune posibilitatea efectuării unor operaţii de calcul liniare ( amplificare, atenuare, sumare, integrare, diferenţiere) sau neliniare ( produs, ridicare la putere, radical, logaritmare etc) cât şi realizarea unor funcţii intenţionat neliniare introduse pentru compensarea neliniarităţilor inerente unor componente astfel încât la ieşirea adaptorului dependenţa (I-E) să rezulte liniară. În funcţie de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieşire, adaptoarele sunt de două feluri: Adaptoare electrice (electronice); Adaptoare pneumatice. În raport cu forma de variaţie a semnalelor de ieşire, adaptoarele pot fi: a)- Analogice; b)- Numerice. Semnalele analogice se caracterizează prin variaţii continue ale unui parametru caracteristic şi sunt, de regulă, semnale unificate.
Introducere 13 Prin semnal unificat se înţelege adoptarea ca semnal a aceleiaşi mărimi fizice, cu acelaşi domeniu de variaţie, indiferent de locul unde este plasat elementul de automatizare într-un SRA. Frecvent utilizate sunt următoarele semnale unificate: 1) Curentul continuu (în cazul sistemelor de reglare a proceselor lent variabile) cu domeniul de variaţie: I cc [ 2 10] ma, sau I cc [4 20] ma 2) Tensiunea continuă (în cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul de variaţie: V cc [0 10] V; sau V cc [-10 +10] V; 3) Presiunea aerului instrumental (aer fără impurităţi şi cu umiditate minimă standardizată) produs în instalaţii speciale: p [0,2 1] dan/cm 2 sau: p [0,2 1] bar. Semnalele numerice, generate la ieşirea traductoarelor numerice şi utilizate în SRAN, se caracterizează prin variaţii discrete care permit reprezentarea într-un anumit cod a unui număr de valori din domeniul de variaţie a semnalului analogic de la intrarea traductorului. Cele mai utilizate coduri (cu nivele compatibile TTL) sunt: binar - natural, cu 8, 10, 12, 16, 32 biţi (uneori 64 biţi); binar codificat zecimal cu 2, 3 sau 4 decade. Observaţii: a) Utilizarea unui traductor este precedată de operaţia de calibrare iniţială prin care intervalul de variaţie al semnalului analogic de la ieşirea traductorului (adaptorului) se asociază domeniului necesar al mărimii de intrare în traductor şi în consecinţă, fiecărui nivel de semnal la ieşire îi corespunde o valoare bine precizată a mărimii de intrare (a mărimii traduse) prin legea de dependenţă liniară a mărimii măsurate. b) Particularităţile referitoare la aspectele tehnologice sau economice impun şi prezenţa unor elemente auxiliare. Exemplu: În măsurarea temperaturilor înalte, elementul sensibil (ES) nu poate fi plasat în aceeaşi unitate constructivă cu adaptorul. Deci, este necesar un element de legătură între ES şi A (adaptor). Aceste elemente, (ET) de transmisie, realizează legături electrice, mecanice, optice etc între ES şi A. Dacă mărimea generată de ES este neadecvată pentru transmisie (cazul transmisiilor la mare distanţă) atunci ET conţine şi elemente de conversie potrivit cerinţelor impuse de canalele de transmisie. c) În categoria elementelor auxiliare intră şi sursele de energie auxiliară, care ajută la conversia semnalelor din ES şi A, atunci când aceste conversii nu se pot obţine utilizând puterea asociată mărimii de măsurat, sau când aceste conversii (cu energie proprie luată de la semnalul de măsurat) introduc dificultăţi în realizarea performanţelor cerute semnalului de ieşire din traductor.