SENZORI DE TEMPERATURA

TERMOREZISTENTE RTD [ resistive temperature detector ] Principiu - modificarea rezistentei electrice cu temperatura

Materiale utilizate pentru confectionarea termorezistentelor:Cupru, Nichel, Platina, Wolfram, Tungstam

Caracteristica de transfer RTD

Cu: R=R0(1+0,3910e-2T)

Pt - bobinate sau film depus pe suport izolator

Pentru T0C: RRTD=R(0)[1+AT+BTe2]

MODALITATI DE MASURARE A TERMOREZISTENTELOR

Conexiune cu 3 si 4 fire

Traductori cu siliciu - KTY -fabricati de Philips

Au o liniaritate rezonabila si o buna stabilitate in timp (+/-0,05C/an) Siliciul are un coeficient de temperatura negativ.

Daca este dopat (tip n) intr-un domeniu de temperatura scazuta (-80 ... 180C) coeficientul devine pozitiv (rezistivitatea variaza cu 0,7%/C).

Peste 200C coeficientul devine negativ. KTY este un senzor de tip n cu dimensiune 500x500x240 m.

Poate fi sensibil la polaritatea curentului, in special la variatii mari ale curentului la temperaturi mari. Problema se rezolva legand 2 senzori in opozitie, formand un senzor dual.

RT=R0[1+A (T-T0)+B (T-T0)2] pentru KTY81 Unde: R0=1000 / 25C, A=0,007874, B=1,87410-5 Termistori NTC

coeficient de temperatura negativ (-3 -5%) caracteristica de temperatura

R=AeB/T

unde: A (se mai noteaza RA) este o constanta, se masoara in Ohmi si are semnificatia de rezistenta a

termistorului cand temperatura tinde spre infinit

B este o constanta de material masurata in K, B=ln(R1/R2)/(1/T1-1/T2)

Valori uzuale pentru B: 2000 5000 K Caracteristica lnR functie de 1/T este o dreapta de unde se pot determina coeficientii A si B coeficientul de temperatura NTC

In catalog se precizeaza coeficientul de temperatura (de obicei pentru 25C)

=1/RdR/dT=- B/T2

O alta modalitate mai precisa de descriere a dependentei dintre temperaratura si rezistenta a unui termistor este urmatoarea:

1/T=A+BlnRT+Cln3RT unde A, B si C coeficienti

100K

Pt100

Rw

Rw

Rw

100K

a)

Iref

VCC VCC

Pt100

100K

Rw

Iref

100K

-

+

LT1013

3

26

74

Rw

100K

b)

47K Rw

100KRw

-

+

LT1013

3

26

74

Termistori PTC

coeficient de temperatura pozitiv coeficientul pozitiv se pastreaza intr-un domeniu restrans de temperatura se utilizeaz de obicei pentru protecie datorit coeficientului mare de variaie a rezistenei cu

temperatura ntr-un domeniu ngust de temperatura. variatia cu temperatura a rezistentei termistorului este exponentiala in domeniul T1-T2 formula se poate scrie functie de 3 constante de material A, B si C.

Termocuplu Are o construcie simpl i un pre de cost scut. Asigur msurarea temperaturii n domeniu -200

... 3000 C.

Prezint fenomenul de mbtrnire, mai ales dac se msoar temperaturi nalte. Tensiunea termoelectromotoare care apare n circuitul unui termocuplu format din doi conductori

omogeni este rezultatul a dou efecte i anume efectul Thomson i Seebeck. Efectul Thomson. Capetele unui conductor omogen aflate la temperaturi diferite se vor incrca cu

sarcini electrice de polritate opus. Apare o tensiune termoelectromotoare Thomson. Efectul Seebeck. La contactul a dou materiale conductoare apare o tensiune termoelectromotoare

(datorit concentraiei diferite a purttorilor de sarcin din cei doi conductori). Seria voltaic: (+) Al, Sn, Zn, Cd, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt (-)

Termocuplu Simbol Polaritate T min T max Proprieti

Fier-Constantan J Fier + / Constantan 200 600 Foarte ieftin

Cupru-Constantan T Cupru+/Constantan 270 400 Rez. la umiditate

Scheme de masura pentru termocuple

Pentru masurarea termocuplelor este nevoie de compensarea jonctiunii reci. Exista circuite integrate care permit compensarea simpla a jonctiunii reci: AD594, LT1025

R3 200k

15V

Zero Adj

R2 10k

-

10k

OUTPUT

R7 1M

-

R5 200k

Termocuplu

+

LM329B

R1 10K

TC adjR4

+

Tip uV/gradC R4[ohm] R6[ohm]

J 52,3 1050 385

T 42,8 856 315

K 40,8 816 300

S 6,4 128 46,3

15V

R6

4k7

LM335

TRADUCTOARE CU COARDA VIBRANTA

Principiu de functionare

Din punct de vedere constructiv un traductor cu coard vibrant este constituit dintr-o coard de oel inox fixat n interiorul unui tub i tensionat mecanic ntre dou flane situate la capetele tubului.

Pentru o coard fixat ntre doi supori, frecvena proprie de oscilaie poate fi calculat cu urmtoarea relaie:

unde n=1, 2, 3, ..., l este lungimea corzii, F este tensiunea din fir iar este

masa pe unitatea de lungime. Frecven obinut pentru n=1 se numete frecven fundamental, iar pentru n=2,3,4... avem armonicile superioare. Din formul rezult c acionnd asupra tensiunii din fir putem modifica frecvena de oscilaie a corzii. Vibraiile corzii vibrante pe armonici superioare determin msurarea frecvenei de oscilaie cu erori. Pentru a putea msura frecvena de oscilaie a corzii vibrante exist dou bobine montate n interiorul tubului, n apropierea corzii vibrante. Tipuri de traductoare cu coarda vibranta:

-traductoarele de for -Traductoarele de presiune

-traductorul de deformaii -Traductorul de presiune interstiial Masurarea traductoarelor cu coarda vibranta

Din punct de vedere electric, toate traductoarele din aceast familie au schema simplificat ca in figura de mai jos. Capetele ntreinere respectiv Ascultare ale celor dou bobine sunt legate la blocurile de excitaie i respectiv ascultare iar capetele lor RI (retur ntreinere) i RA retur ascultare) sunt legate la un punct comun.

Relaia de calcul dintre frecven i deformare este: Unde f - frecvena proprie de rezonan n Hz, L este lungimea firului, este masa firului pe unitatea de lungime, F tensiunea din fir. Regimuri de masura

-Regim oscilator: Cuplajul ntre bobine nu este direct, ci se realizeaz prin micarea mecanic a corzii vibrante. Aceasta are un rol de filtru ultra selectiv, care foreaz ntregul oscilator s funcioneze la frecvena de rezonan mecanic. Bobinele sunt numite dup rolul lor n acest regim: ntreinere = injecia de energie n coard, respectiv Ascultare = mrimea de reacie.

-Puls 200V: Regimul puls permite msurarea chiar n aceste condiii: n perioada de Excitaie, n bobina valid se injecteaz energie (un puls de tensiune de aproximativ 200V). Metode de masura

Msurarea direct Msurarea reciproc

Excitaie Ascultare

ntr

ein

ere

RI

RA

Ascu

lta

re

Comun

Coard vibrant

F

l

nfosc

2

F

Lf

2

1

SENZORI DE NIVEL SI DEBIT

Traductoare cu relee reed

Sunt realizate dintr-un tub in care sunt plasat un lant de relee reed. Un magnet este permanent plasat in exteriorul tubului (culiseaza pe tub) si care pluteste la nivelul

superior al lichidului.

Magnetul v-a inchide releul plasat la nivelul superior al lichidului. Exista mai multe scheme de citire a acestor relee. De asemenea senzorii de nivel realizati cu relee reed pot avea 2, 3, 4, . 1024 de relee.

Traductoare cu plutitor

Cu ultima relaia se poate face corecia valorii msurate x. Se observ c factorul de corecie este cu att mai redus cu ct constanta elastic este mai mic i

suprafaa plutitorului mai mare. Msurarea nivelului cu plutitor presupune utilizarea unui traductor suplimentar ce convertete

deplasarea plutitorului n semnal electric Pentru o deplasare a plutitorului sub 0,5 m se poate alege un traductor de tip WS10500R1K. Acest

traductor asigur o precizie de 0,1%, suficient pentru astfel de msurtori Traductoare cu ultrasunete

Pentru msurtori de precizie trebuie s inem seama de faptul c viteza de propagare n aer a

ultrasunetelor nu este constant. Ea este dependent de temperatur i are valori cuprinse ntre 331 i 342 m/s pentru temperaturi ntre 0C i 20C.

Dac asupra vitezei de propagare nu se fac coreciile de temperatur erorile de msur pot depi 3,5% pentru o variaie a temperaturii de 20C

Ali factori de care trebuie inut seama la msurarea nivelului cu ultrasunete sunt: presiunea atmosferic i fenomenele de cea, ploaie etc

Traductoare de nivel capacitive

C=A/d C=2l/ln(a/b) C=2l [H-h(1-k)]/ln(a/b) Co=2l H/ln(a/b) =0r r pentru apa este dependent de temperatura 85 pentru 0C - 67 pentru 100C

tv 53,03,331

tv 13,331

FE

FA

G

H

h

Lichid S

TRADUCTOR

DEPLASARE

Sg

KxH

1

)( IhHKhSgFFG EA

0 hKHKSgh

E R

d aer

lichid

2

Tvd

SENZORI DE DEBIT

Principiile fizice pentru debitmetre

Diferenta intre masurarea debitelor pentru lichide si gaze

Lichidele sunt incompresibile

Gazele pot fi comprimate.

Volumul in miscare este acelasi dea lungul unei conducte

D=V/dt=dxdA/dx=vdA Viteza nu este constanta intr-o sectiune dintr-o conducta

Senzori de debit termici Se bazeaza pe masurarea temperaturii in lichid in apropierea unui punct in care lichidul se

incalzeste local

T1 masurarea temperaturii inainte de elementul de incalzire T2 masurarea temperaturii dupa elementul de incalzire

Diferenta de temperatura este proportionala cu debitul

Un astfel de debitmetru trebuie calibrat

Traductoare de debit ultrasonice

Se bazeaza pe principiu variatiei fazei sau frecventei cauzate unei unde sonore de miscarea lichidului in care se propaga undele

Senzori Doppler

Se bazeaza pe modificarea frecventei semnalului receptionat fata de cel emis

T2

Sita pentru curgere linistita

I

Incalzitor

T1

v

c

vffff srs

2

222

cos2

cos

cos2

cos

c

vD

vc

vDT

vc

DT

c

c

c

c

D distanta dintre emitator si receptor ungiul dintre directia de miscare a lichidului si directia de propagare a

ultrasunetelor

C viteza de propagare ultrasunete vc viteza medie de miscare a lichidului de-a lungului undei ultrasonice

Este diferita de va

vc =4 va /3 sau vc =1,07 va

fs frecventa semnalului emis fr frecventa semnalului receptionat

c viteza de propagare a ultrasunetului

v - viteza de lichidului

Apare + sau functie de directia de miscare a lichidului in raport cu

directia de propagare a

ultrasunetelor

SENZORI DE PROXIMITATE

Senzori de proximitate inductivi

Variatia inductantei cu proprietatile magnetice din interiorul si din vecinatatea Bobinei

Intensitatea cmpului magnetic H [A/m] Conductor rectiliniu Spira de raza R

Inductia magnetica B [T] Tesla (Gauss) [T=N/(Am)], (T=104gauss) Materiale paramagnetice, diamagnetice, feromagnetice

Fluxul magnetic [W] Weber Inductanta L (Bobina ideala) Inductanta mutuala M Solenoid Toroid Inducia electromagnetic: e=-/t

(legea lui Faraday)

Senzori de proximitate capacitivi

Condensator cilindric

Schema de principiu pentru un senzor de proximitate inductiv

Schema bloc pentru un senzor de proximitate capacitivi

Materiale ce pot fi detectate capacitiv: - sticla, hartie, lemn, plastic, lihide, metale, nisip, rasini etc.

Senzor Oscilator Demodulator Trigger Iesire

HB ]/[104 27 AN

d

IH

2

R

IH

2

t

iLuL

nNRM 2

nIB

r

nIB

2

d

AC h

c

bC

ln

2

21

21

/1/1/1 CCC

CCC

S

P

SENZORI DE DEPLASARE

Traductoare de tip potentiometru

Traductoarele de tip potentiometru pot fi de tip liniar sau de rotatie Principiu de operare este simplu: se alimenteaza cu o tensiune de referinta Vref si la iesire se

culege o tensiune proportionala cu deplasarea d.

V=Vrefd/D unde D este deplasarea pentru capatul de scala. Aceste traductoare sunt bobinale sau cu pelicula rezistiva depus pe un suport izolator Pentru traductoarele bobinate se poate realiza doar o anumita rezolutie data de numarul spire si

diametrul conductorului utilizat pentru realizarea potentiometrului.Se realizeaza potentiometre cu

diametrul conductorului de 0,01mm. Un potentiometru bun are o precizie de 0,1%.

Se fabrica potentiometre rotative care permit un domeniu intre 10 si 3000 (potentiometre multitur).

Exemple: LX-PA-P2K-L1M (analogic), LX-EP iesire digitala Traductoare tip gravitational

Traductoarele de tip gravitational sesizeza pozitia sau masoara gradul de inclinare. Aceste traductoare sunt de tipul on-off sau au iesire de tip analogic proportionala cu unghiul de

inclinare al traductorului.

Traductoarele de tip on-off sunt realizate dintrun balon de sticla in care se gasesc 2 electrozi si o cantitate de mercur. Se realizeaza o legatura electrica intre cei doi electrozi doar in cazul in care,

datorita gravitatiei mercurul scalda cei doi electrozi.

Senzor gravitational optic

traductoare gravitationale cu iesire analogica sunt traductoarele optice de inclinare. Acestea sunt realizate dintro semisfera de sticla la baza careia sunt plasate 4 fotodiode. In interiorul semisferei

este indrodus un lichid transparent care nu umple in totalitate semisfera astfel incat in partea

superioara se formeaza o bula care isi schimba pozitia functie de inclinare. Pe axul central al

semisferei este plasata o sursa de lumina care genereaza in cele patru fotodiode tensiuni de iesire

proportionale cu pozitia in spatiu a ansamblului.

Traductoare capacitive de deplasare

Condensatoare: plane sau cilindrice

Se bazeaza pe modificarea capacitatii cu distanta sau modificarea lui er. Se pot detecta tinte de la 8-

10mm pentru dielectric sticla sau 2 mm pentru dielectric polietilena. Frecventa de operare este in jur de

3MHz.

O masurare mai precisa se poate face prin utilizand metoda comparatei. Se utilizeaza doua codensatoare

unul de referinta si unul de masura. Tensiunea de iesire este proportionala cu raportul celor doua

capacitati.

Capacitatea variabila se obtine prin introducerea intre armaturile condensatorului Cv a unui dielectric ce

se misca solidar cu punctul de masura. Pentru un astfel de sistem factorul ce introduce cele mai multe erori

este umiditatea. Variatia umiditatii intre 10 si 85% la 21C poate determina o eroare de 0,35% din capatul de scala.

Traductoare inductive LVDT si RVDT Traductoarele inductibe bazate pe variatia inductantei prin deplasare miezului magnetic. Avem

doua doua tipuri de traductoare inductive si anume:

Traductoare diferentiale inductive liniare LVDT (liniar variable diferential transformer) Traductoare diferentiale inductive rotative RVDT (rotary variable diferential transformer)

Prin deplasarea miezului magnetic inductanta unei bobine creste iar pentru cealalta scade. Cele doua bobine sunt bobinate in sens contrar astfel incat tensiune este zero pentru pozitia de mijloc a

miezului. In functie de deplasarea miezului vom avea o tensiune mai mare pe una sau cealalta

bobina.

Conditionare semnal

Cv

Cr

Vo

d

AC h

c

bC

ln

2

10

r

vref

C

CKVV

SENZORI DE FORTA, CUPLU SI PRESIUNE

Traductoare piezorezistive pentru for i presiune Traductoarele de acest tip au la baz modificarea rezistenei electrice a unui fir metalic cu

deformarea acestuia. Constructiv un traductor piezorezistiv este format dintr-un fir metalic, bobinat

n lungul unui suport izolator. Supus unui deformaii n direcia de bobinare, dimensiunile firului se modific, ceea ce determin modificarea rezistenei sale electrice. Raportul dintre variaia rezistenei electrice i rezistena propriu-zis este proporional cu alungirea bobinei.

unde Se este sensibilitatea iar e este alungirea. Pentru foarte multe metale sensibilitatea este n jur de 2. Pentru platin sensibilitatea este n jur de 6 iar pentru semiconductoare n jur de 100. Traductorul de deformaii unitare piezorezistiv

Este constituit din dou bare metalice, legate la capetele interioare prin cele dou bobine de msur iar la capetele exterioare de dispozitive de prindere la flane. ntregul sistem este protejat printr-un tub din alam, sudat la cele dou capete i ondulat pe o poriune pentru a se realiza elasticitatea pe direcia axial. Sub aciunea deformaiilor axiale ale betonului rezistena unei bobine crete iar a celeilalte scade. Compensarea cu temperatura a acestui tip de traductor se face prin msurarea rezistenelor celor dou bobine. Practic suma lor este dependent de temperatur i independent de mrimea de intrare.

Traductorul de presiune total piezorezistiv Este constituit din dou plci circulare care nchid ntre ele un spaiu de 0,1 mm grosime umplut cu mercur i un tub perpendicular pe acestea. n interiorul tubului se gsesc dou bare metalice ntre care sunt fixate cele dou bobine de msur. Un capt al barei inferioare este nurubat ntr-o membran situat deasupra stratului de mercur, iar captul liber al barei superioare se reazem pe un dispozitiv situat superior n tubul traductorului. Presiunea exercitat asupra plcilor circulare, prin stratul de mercur, acioneaz asupra membranei elastice de care este prins bara metalic ce se deplaseaz proporional cu presiunea mercurului, deplasare sesizat electric prin modificarea rezistenei celor dou bobine Senzori piezoelectrici de forta

Se bazeaza pe modificarea dimensiunii unui cuart folosit ca element de rezonanta intr-un oscilator electronic.

Ecuatia care descrie frecventele naturale de oscilatie ale unui oscilator piezoelectric este urmatoarea:

Unde: n este numarul armonic, l dimensiunea de rezonanta, c constanta elastica si densitatea cristalului

eSR

Re

c

l

nfn

2