TEMA PROIECTULUI
SENZORI
COMANDA DIRECTA
REPEZENTAREA INFORMATIEI
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
2
CUPRINS
ARGUMENT…………………………………………………………………………….4
INTRODUCERE………………………………………………………………………...6
SENZORI INDUCTIVI………………………………………………………………….10
SENZORI CAPACITIVI………………………………………………………………...13
SENZORI REZISTIVI…………………………………………………………………...17
SENZORI PENTRU MASURAREA NIVELULUI LICHIDELOR…………………...24
ALEGEREA SENZORILOR……………………………………………………………...29
APLICATII ALE SENZORILOR…………………………………………………………32
DETECTAREA DEFECTELOR PIESELOR SISISTEMELOR
TEHNICE..............................................................................................................................33
BIBLIOGRAFIE...................................................................................................................35
ANEXE...................................................................................................................................36
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
3
ARGUMENT
Mecatronica s-a impus mai intai in viata reala in industrie, dupa care a fost
“identificata”, definita si introdusa pentru a putea fi studiata si tratata corespunzator.
Elementele electrice şi electronice au început să fie incluse în sistemele mecanice încă din anii
1940. Utilajele din această perioadă ar putea fi numite prima generaţie a mecatronicii.
Se consideră ca primul utilaj complet din punct de vedere al conceptului mecatronic a fost
maşina unealtă comandată numeric (CNC) pentru producţia elicelor de elicopter, construită la
Massachusetts Institute of Technology din SUA, în 1952. Dezvoltarea informaticii la
începutul anilor 1970 a fost marcată de apariţia microprocesorului, caracterizat printr-o înaltă
fiabilitate şi o flexibilitate deosebită, oferind în acelaşi timp gabarit şi preţ scăzut; toate
acestea au permis înlocuirea elementelor electronice analogice şi de decizie clasice, sistemele
electronice devenind astfel mai complexe dar în acelaşi timp mai uşor de utilizat. Această
etapă poate fi numită a doua generaţie a mecatronicii.
Mecatronica a început să se dezvolte în mod dinamic în anii 1980, perioada în care era deja
proaspăt definită, iar conceptul suferea permanent perfecţionări. A fost o perioadă de
dezvoltare în direcţia obţinerii elementelor integrate, menite să asigure pe deplin controlul
utilajelor, maşinilor şi sistemelor complexe. Aceasta a fost începutul celei de-a treia generaţii
a mecatronicii, al cărui obiect de interes sunt sistemele multifuncţionale şi cu o construcţie
complexă.
Utilajele mecatronice sunt ansambluri care integrează elemente componente simple sau
complexe ce îndeplinesc diferite funcţii, acţionând în baza unor reguli impuse. Principala lor
sarcină este funcţionarea mecanică, deci producerea de lucru mecanic util, iar în esenţa lor
este posibilitatea de a reacţiona inteligent, printr-un sistem de senzori, la stimulii exteriori care
acţionează asupra utilajului luând decizii corespunzătoare pentru fiecare situaţie.Creşterea
deosebită a complexităţi sistemelor automatizate de producţie necesită folosirea unor
componente care să fie capabile să primească şi să transmită informaţii referitoare la
procesul de producţie. Informaţiile sunt recepţionate, prelucrate şi transmise mai departe de
către senzori. Se poate spune că fără senzori nu ar exista automatizare, aceştia fiind de
o importanţă deosebită în controlul proceselor tehnologice.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
4
Senzorii furnizează informaţiile unui controler sau unei scheme electrice,sub forma generală
de variabile de proces. Prin variabilă de proces se înţelege o mărime fizică ce
caracterizează procesul tehnologic respectiv: temperatură, presiune, forţă, lungime, unghi
de rotaţie, nivel, debit etc.
Există senzori pentru majoritatea mărimilor fizice, care reacţionează la una din aceste mărimi
şi transmit semnale relevante.
Noţiunea de proximitate se referă la gradul de apropiere dintre două corpuri. În
instalaţiile tehnice se întâlnesc cazuri în care controlul poziţiei unui dispozitiv faţă de altul
face parte din însăşi procesul tehnologic.
Controlul poziţiei dintre dispozitivele aflate în mişcare, dintre care unul reprezintă
sistemul de referinţă, se face cu ajutorul senzorilor de proximitate. Acest control se face
fără existenţa unui contact fizic direct între corpurile aflate în mişcare.
Senzorii de proximitate au o caracteristică tip releu - tot sau nimic – adică semnalul de ieşire
reprezintă prezenţa sau absenţa obiectului controlat.
Senzorii de proximitate au o larga utilizare in toate domeniile industriale datorita avantajelor
pe care le ofera :
siguranta in functionate ;
posibilitate de reglaj(intern sau extern prin modificarea pozitiei) ;
fiabilitate mare ;
gabarit extrem de redus ;
consum energetic redus
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
5
INTRODUCERE
Un senzor este un convertor care transforma o marime fizica (de exemplu :
temperatura,distanta,presiunea) intr-o alta marime mai usor de evaluat, in mod uzual o
marime electrica.
o Un senzor nu trebuie să genereze neapărat un semnal electric. De exemplu o supapă
pneumatică generează un semnal pneumatic la ieşire sub forma unei schimbări de
presiune.
o Senzorii sunt dispozitive care pot să opereze atât prin contact fizic (un comutator,
un senzor de forţă) sau fără contact fizic (barieră de lumină, barieră de aer, senzor
magnetic).
o În anumite condiţii, un simplu contact electric poate fi privit ca un un senzor.
Senzorul este un dispozitiv care poate monitoriza un proces prin semnalizarea
erorilor, analizarea acestora şi transmiterea informaţiilor către alte componente.
Exemple:
o Un senzor de temperatură şi umditate sau de presiune şi temperatură,fiecare făcând
parte din acelaşi dispozitiv.
o combinaţie de câţiva senzori de proximităţi; care sesizează mărimea şi materialul
pieselor de prelucrat.
combinaţie de mai mulţi senzori chimici pentru gaze prin care senzorii au un răspuns treaptă
şi prin intermediul unei evaluări inteligente furnizează mai multe informaţii ca întreg decât ar
furniza fiecare senzor luat individual.
Semanle de iesire tipice ale senzorilor :
Cunoaşterea diferitelor tipuri de semnale electrice de ieşire este importantă pentru utilizarea
corectă a senzorilor.
Semnal tip A – semnal de iesire binar
Astfel de senzori sunt cei de proximitate, de presiune, de nivel, de temperatură (bimetal). De
regulă aceşti senzori pot fi conectaţi direct la automate programabile.
Semnal tip B – semnal pulsatoriu
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
6
Exemplu: senzori de de tip encoder, care numără impulsuri datorate unor deplasări liniare
sau rotative.
Semnal tip C – semnal analogic
Aceşti senzori nu au amplificator integrat şi nu realizează conversia electronică , ele
furnizează semnale de ieşire analogice foarte mici, de ordinul mV, care nu trebuie
evaluate imediat, sau semnale care se evaluează numai prin utilizarea unui circuit auxiliar.
Exemple :
senzori piezorezistivi sau piezoelectrici
celule termoelectrice
senzor magnetic
sonde pentru masurarea pH-ului sau a conductivitatii
potentiometru liniar
Semnale tip D : - semnale analogice care trebuie evaluate imediat
Acest tip de senzor conţine un amplificator integrat şi realizează conversia electronică.
Valorile tipice ale acestor semnale :
0……….10V
-10……….+10mA
1……….5V
-5……….+5V
0……….20mA
4……….20mA
Semnale de tip E :
Aceste semnale digitale sunt furnizare de senzori si de sisteme de senzori care convertesc
marimea analogica intr-o valoare digitala, compatibile cu sistemele informatice de azi. Ele
furnizează valoarea digitatală prin comunicaţie serială sau prin comunicaţie în reţea.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
7
Senzorii pot să transforme variaţia mărimilor fizice în semnale electrice binare sau analogice.
Senzorii care furnizeaza semnale binare sunt :
senzori de temperatura
senzori de proximitate
senzori de presiune
senzori de nivel
supape sau distribuitoare, pneumatice sau hidraulice
Tipuri de senzori
Senzorii de proximitate sunt dispozitive care permit detectarea şi semnalizarea prezenţei
unor obiecte în câmpul lor de acţiune, fără contact fizic cu obiectele respective.
Clasificarea senzorilor de proximitate se face după principiul de funcţionare. Astfel se
poate vorbi despre senzori de proximitate:
Inductivi
Capacitivi
Optici
Magnetici
Cu ultrasunete
Senzorul este elementul sensibil cu rolul de a sesiza mărimea de măsurat aplicată la intrarea
sa, x(t) şi de a o converti într-o altă mărime fizică, de aceeaşi natură sau de natură diferită, Yint
(t), care poate fi uşor măsurată, cel mai frecvent pe cale electrică. Conversia mărimii de
intrare în mărime de ieşire la senzori se bazează pe efecte fizice sau chimice.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
8
Schema functionala a unui traductor
Din multitudinea de senzori se remarcă amploarea considerabilă a utilizării senzorilor
electrici. Luând în considerare principiul de lucru şi respectiv tipul de energie care se
transformă în energie electrică, avem următoarele tipuri de senzori :
Senzori de radiatie : - transformă energia radiantă în energie electrică,respectiv semnalul
radiant în semnal electric. Ca semnale radiante avem: intensitatea luminoasă, lungimea de
undă, polarizarea, faza, reflectanţa, transmitanţa, activitatea radioactivă.
Senzori mecanici : - transformă energia mecanică în energie electrică,respectiv semnalul
mecanic în semnal electric. Ca semnale mecanice putem avea: forţă, presiune, torsiune, nivel
de vid, viteza de curgere, debit,volum, grosime, nivel, poziţie, deplasare, viteză, acceleraţie,
rotaţie, lungime de undă acustică, amplitudine de vibraţie.
Senzori termici : - energia termică în energie electrică, respectiv semnalul termic în cel
electric. Ca semnale termice putem avea: temperatura, căldura, entropia, căldura specifică,
fluxul de căldură.
Senzori magnetici : - transformă energia magnetică în energie electrică respectiv semnalul
magnetic în semnal electric. Ca semnale magnetice putem avea: intensitatea câmpului
magnetic, inducţia câmpului magnetic, permeabilitatea magnetică, magnetizarea.
Senzori chimici : - transforma semnalul chimic in semnal electric. Ca exemple de semnal
chimic putem avea: compoziţia, concentraţia, viteza de reacţie, toxicitatea, potenţialul de
oxidare-reducere, pH-ul.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
9
SENZORI INDUCTIVI
Funcţionarea se bazează pe proprietatea potrivit căreia mărimea de măsurat produce o variaţie
a inductivităţii unei bobine care face parte din circuitul oscilant RL al senzorului.
Inductivitatea proprie sau mutuală a "zonei active a senzorului" este modificată de acele
elemente care influenţează geometria - lungimea întrefierului, aria secţiunii întrefierului sau
permeabilitatea, µ , a circuitului magnetic.
Inductivitatea unei bobine alcătuită din N spire dispuse pe un miez magnetic de permeabilitate
relativă µr, suprafaţa secţiunii transversale A si lungimea l este dată de relaţia :
Ştiind că reluctanţa magnetică este :
Ŕ = l / µ0 µr A , atunci inductivitatea va deveni : L = N2
/ Ŕ.
Cum numărul de spire al bobinei senzorului, o dată realizată, nu poate fi modificat, soluţia
pentu realizarea senzorului cu variaţie a inductivităţii este de a produce modificări ale
reluctanţei magnetice. În acest sens se pot realiza, de exemplu, circuite magnetice cu armatura
mobilă în care mărimea neelectrică determină poziţia armăturii faţă de restul circuitului
magnetic.
Schema bloc este prezentata in fig.1
Fig.1
Schema bloc a unui senzor de proximitate inductiv.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
10
l-Oscilator; 2-Demodulator; 3-Trigger, 4-Afişaj de stare, 5-Circuit de ieşire cu proiecţie, 6-
Tensiune externă, 7-Sursă de alimentare internă, 8-Zona activă (miez de ferită), 9-Semnal de
ieşire senzor.
Câmpul magnetic care este direcţionat spre ieşire, este generat de o bobină cu un miez de
ferită deschis. Când senzorul este alimentat, circuitul oscilant generează un curent. Dacă în
zona activă se introduce un obiect bun conducător de electricitate, apare o variaţie a
inductivităţii care duce la modificarea curentului de ieşire.
Principala caracteristică a senzorilor inductivi este dimensiunea bobinei: cu cât aceasta este
mai mare cu atât distanţa de comutare este mai mare.Traductoarele inductive pot pune în
evidenţă deplasări de sute de milimetri.
Caracteristicile tehnice ale senzorilor inductivi
Material detectat Metale
Tensiunea de alimentare Tipic: 10 V..30 V c.c sau c.a.
Distanţa nominală de sesizare Tipic 0,8... 10 mm; max. 250 mm.
Curentul maxim de ieşire 75 mA...400 mA.
semnal
Temperatura de lucru -25°C..+70°C.
Vibraţii 10...50 Hz, 1 mm amplitudine.
Sensibilitatea la mizerie Insensibil.
Durata de viaţa Foarte lungă.
Frecvenţa de comutare Tipic 10...5000 Hz, max.20kHz.
Design Cilindric.
Variante constructive M8x1, MI2x1,MI8xl;Φ4mm... Φ30mm
25mm x 40mm x 80mm.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
11
Mulţi dintre senzorii de proximitate inductivi au următoarele funcţii de siguranţă incluse :
Protecţie la inversarea polarităţii (împotriva avariilor rezultate din conexiuni inversate);
Proiecţie la scurtcircuit
Proiecţie la supratensiune
Protecţie împotriva efectelor întreruperii firelor (ieşire blocată dacă alimentarea este
deconectată).
Comparativ cu microîntrerupătoarele mecanice, a căror funcţie o înglobează, senzorii
inductivi au în general următoarele avantaje:
Lucrează fără contact mecanic, deci fără uzură;
Asigură un număr nelimitat de comutări ;
Nu generează zgomot de contact;
Pot comuta cu o frecvenţă mult mai mare ;
Sunt închişi ermetic şi pot fi utilizaţi în medii agresive;
Asigură o precizie mai mare.
Senzorii inductivi mai oferă şi alte avantaje:
Semnalizare optică cu LED
Protecţie pentru cazurile când accidental apare un scurtcircuit la ieşire
Protecţie pentru situaţia când din greşeală se alimentează invers
Protecţie la supratensiuni inductive
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
12
SENZORI CAPACITIVI
Principiul de funcţionare : funcţionarea unui capacitiv se bazează pe evaluarea variaţiei
capacităţii electrice a unui condensator dintr-un circuit rezonant RC, datorită apropierii unui
material oarecare.
Senzorii capacitivi se realizează din două tipuri de condensatoare : plan şi cilindric, iar în
analiza schemelor echivalente se presupune că rezistenţa de pierderi este neglijabilă faţă de
reactanţa capacitivă şi unghiul de pierderi este mic.
Orice condensator este caracterizat de o mărime numită capacitate electrică, care în cazul
condensatorului plan se defineşte astfel :
C = ε0 εr A / d , unde
ε0- permitivitatea vidului
εr- permitivitatea relativă a dielectricului
A- suprafaţa de suprapunere a armăturilor
d- distanţa dintre armături, respectiv grosimea dielectricului
Pentru un condensator cilindric formula de calcul a capacităţii depinde de permitivitatea
dielectricului ε0 εr , diametrul electrodului exterior D, diametrul electrodului interior d şi de
înălţimea de suprapunere a celor doi cilindri h.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
13
C = 2π ε0 εr h / ln D/ d
Din analiza formulelor de calcul pentru capacitatea condensatoarelor plan şi cilindric se
observă că senzorii capacitivi pot servi la convertirea în variaţii de capacitate a oricărei
mărimi neelectrice care modifică unul din elementele: distanţa dintre armături, suprafaţa de
suprapunere a armăturilor, permitivitatea electrică a mediului dintre armături
Senzorii capacitivi se pot realiza în trei moduri:
Cu condensatoare plane cu o armătură fixă şi una mobilă,
Cu modificarea suprafeţei de suprapunere a armăturilor,
Cu modificarea dielectricului.
La senzorul capacitiv cu o armătură fixă şi una mobilă se modifică distanţa dintre armături: d
+ ∆d . Capacitatea va deveni:
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
14
Senzorii care funcţionează prin modificarea suprafeţei de suprapunere a
armăturilor unui condensator sunt alcătuiţi dintr-o armătură plană fixă şi una mobilă care se
deplasează paralel faţă de cea fixă.În acest caz se modifică aria de suprapunere a armăturilor,
deci capacitatea va deveni:
C = ε0 εr (A + ∆A)
Capacitatea unui condensator se poate modifica şi prin introducerea de dielectrici cu
permitivităţi diferite între armături sau prin modificarea stării fizice a dielectricului datorită
umidităţii.
Câmpul electrostatic parazit este creat între un electrod activ şi electrodul de masă. În
structura senzorului capacitiv există adesea un electrod de compensare care are rolul de
compensare, a influenţei umidităţii asupra funcţionării senzorului.
1-Oscilator;2-Demodulator;3-Trigger;4-Afisaj;5-Circuit de iesire;6-sursa de alimentare;7-
Zona activa(capacitor);8-Iesire.
Schema bloc a senzorului de proximitate capacitiv
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
15
Dacă în zona activă se introduce un obiect sau un material (metal, plastic, apă, sticlă, lemn),
capacitatea circuitului rezonant se modifică. Schimbarea valorii capacităţii depinde de distanţa
la care se află materialul faţă de suprafaţa activă, de dimensiunile materialului şi de constanta
dieléctrică a acestuia.
Sensibilitatea majorităţii senzorilor de proximitate capacitivi poate fi reglată prin intermediul
unui potenţiometru. În acest mod este posibilă suprimarea detecţiei unui alt mediu, de
exemplu este posibilă determinarea nivelului unei soluţii prin peretele unui recipient.
Distanţa nominală la care comută un senzor este determinată cu ajutorul unei foiţe de metal
legată la pământ.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
16
SENZORI REZISTIVI
Traductoarele rezistive de deplasare sunt constituite dintr-un sensor a cărui rezistenţă se
modifică datorită unui cursor ce se deplasează sub acţiunea mărimii de măsurat, deplasarea
putând fi liniară sau circulară. Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a lungimii l din
senzor, care este inclusă în circuitul de măsurare, ceea ce conduce la relaţia R = f(x);
R – rezistenţa senzorului
x – mărimea neelectrică ce produce deplasarea cursorului
Traductoarele rezistive fac parte din grupa traductoarelor parametrice şi se bazează pe faptul
că mărimea de măsurat produce o variaţie a rezistenţei electrice a traductorului.
Un senzor rezistiv este, din punct de vedere electric, un rezistor a cărui rezistenţă electrică
este exprimată prin relaţia:
R = p 1/A
unde : p – rezistivitatea materialului [Wm]
l – lungimea [m]
A – aria secţiunii transversale [m2]
Variaţia rezistenţei electrice R poate fi produsă prin variaţia unuia din parametrii ce intervin
în ecuaţia de mai sus. De aceea , traductoarele rezistive sunt utilizate pentru măsurarea
mărimilor neelectrice ce produc variaţia unuia dintre cei trei parametrii şi anume :
- traductoarele rezistive la care variaţia rezistenţei se produce prin variaţia
lungimii conductorului : tradctoare potenţiometrice, traductoare rezistive cu contacte,
traductoare tensiometrice
- traductoare rezistive la care variaţia rezistenţei se produce prin variaţia
rezistivităţii : traductoare termorezistive, traductoare fotorezistive, traductoare rezstive de
umiditate, traductoare rezistive de presiune
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
17
- traductoare rezistive la care variaţia rezistenţei se produce prin variaţia
secţiunii unui conductor sau a unui semiconductor.
Orice măsurand este susceptibil de a fi convertit într-o variaţie de rezistenţă electrică, prin
intermediul unui senzor rezistiv capabil să acţioneze asupra :
- mobilităţii purtătorilor de sarcină (temperatură, cămp magnetic)
- densităţii sarcinii ellectrice libere (temperatură, flux luminos)
- dimensiunilor geometrice (forţă, deplasare cursor)
În figura 1 este prezentă o clasificare a senzorilor şi a traductoarelor rezistive :
Fig.1
a. senzori şi traductoare rezistive potenţiometrice
Senzorii potenţiometrici sunt constituiţi dintr-o rezistenţă elecrică dispusă pe un suport
izolant, liniar sau circular (fig 2) şi un cursor a cărui poziţie este determinată de mărimea
neelectrică, introducându-se astfel în circuitul de măsurare o parte din rezistenţa senzorului,
care este proporţională cu deplasarea cursorului.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
18
Fig.2
b. senzori şi traductoare resistive cu contacte
Traductoarele rezistive cu contacte sunt traductoare la care variţia lungimii firului rezistiv se
face în trepte prin deschiderea sau închiderea unor contacte. Cazul cel mai simplu al
traductorului rezistiv îl reprezintă o singură limită şi o pereche de contacte (fig.3a). Astfel
rezistenţa traductorului este divizată în mai multe porţiuni. Pentru controlul dimensiunilor se
folosesc traductoare rezistive cu două perechi de contacte şi două limite (fig.3b), dar se
întălnesc şi traductoare cu mai multe limite pe ambele părţi ale armăturii.
Contactele sunt confecţionate din platină, platina cu iridiu, wolfram, mobilden, iar forţa de
deplasare pe contact să fie cel puţin 0,3 N.
Tensiunea aplicată contactelor trebuie să fie mai mică decât valoarea la care începe
strâpungerea şi depinde de distanţa dintre contacte, de formă şi de materialul contactelor.
Aceşti senzori se utilizează la realizarea traductoarelor destinate controlului dimensiunilor sau
sortării pieselor pe intervale de valori.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
19
Fig.3
a – pentru o limită; b – pentru un interval; c – pentru mai multe intervale; d – pentru
mai multe limite
c. senzori şi traductoare rezistive tensiometrice
Senzorii rezistivi tensiometrici produc variaţia rezistenţei electrice prin variaţia lungimii
conductorului ca efect al alungirii sau a contractiei (fig 4) se poate determina deformaţia
piesei pe baza unor etalonaţi şi apoi se măsoară mărimea ce a produs deformaţia.
Fig.4
d) senzori şi traductoare termorezistive
Senzorii termorezistivi sunt realizaţi din materiale pure şi materiale semiconductoare, astfel
rezistenţa senzorilor depinde de temperatură.
Senzorii termorezistivi realizaţi din materiale semiconductoare se numesc termistoare.
Termistoarele şi termorezistenţele se utilizează în structura termometrelor electrice.
Termorezistenţele sunt rezistente, executate din metale pure care prezintă mari variaţii de
rezistivitate cu temperatura, rezultând o caracteristică de conversii liniare pe intervale largi de
temperatură. Metalele utilizate pentru realizarea rezistenţelor sunt: platina, cupru, nichel.
Traductorul termorezistiv se realizează prin bobinarea bifilară a firului rezistiv pe un suport
izolant şi introducerea lui într-un tub de protecţie. Traductorul se fixează în peretele incintei
cu ajutorul unei planşe filetate. Tubul de protecţie se execută din oţel inoxidabil cu sau fără
cămaşă ceramică în funcţie de mediul unde se efectuează măsurarea.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
20
Termorezistenţele se utilizează la măsurarea temperaturii şi în construcţii speciale, la
măsurarea vitezei gazelor, a debitului volumetric, a concentraţiei gazelor şi a presiunilor
scăzute.
Termistoarele sunt senzori pasivi de temperatură a căror caracteristică esenţială o reprezintă
sensibilitatea. Un termistor este relizat din materiale ceramice ce au suferit un proces de
sinterizare la temperaturi ridicate. Se deosebesc două tipuri de termistoare:
- Cu coeficient de temperatură negativ (NTC), rezistenţa electrică scade odată cu
creşterea temperaturii.
- Cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC)
Termistoarele se obţin prin presare în formă de sferă sau discuri cu două terminale, din
materiale semiconductoare.
Caracteristici metrologice ale termistorului:
- domeniul de utilizare (-50 – 150)°C
- valorile nominale ale rezistenţei termistoarelor (1000 – 200000)Ω
- sensibilitatea NTC este foarte mare în comparaţie cu alţi senzori parametrici
- dimensiunile foarte mici ale termistoarelor
- rezistenţă iniţială mare
- interschimbabilitatea este descrisă prin toleranţele ce le specifică fabricantul
Termistoarele sunt indicate atât pentru măsurări statice cât şi pentru măsurări dinamice ale
temperaturii.
e) senzori şi traducotare piezorezistive
Efectul piezorezistiv constă în modificarea rezistivităţii unui material dacă este supus unei
presiuni exterioare, crescătoare din toate direcţiile. Variaţia rezistivităţii cu presiunea se
datorează deformării reţelei cristaline produsă de presiunea exterioară. (fig 5).
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
21
Fig.5
f) senzori şi traductoare fotorezistive
Senzorii fotorezistivi se bazează pe efectul fotoelectric intern adică traductorul fotorezistiv se
comportă ca o rezistenţă chimică a cărei valoare este comandată prin lumină. La căderea unui
fascicul luminos pe stratul semiconductor, se transmite energie electronilor din banda de
valenţă care trece în banda de conducţie producând micşorarea rezistenţei electrice a
semiconductorului. Traductorul fotorezistiv (fig.6) se realizează prin depunerea pe un suport
izolant a unui strat subţire P de un micometru grosime de material semiconductor (sulfura de
plumb, sulfura de cadmiu).
Fig.6
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
22
La electrozii A şi B este conectată o sursă de tensiune continuă şi un instrument
magnetoelectric. În stare neluminată prin traductor trece un curent de valoare redusă, numit
curent de întuneric, iar când suprafaţa este iluminată, rezistenţa scade aproximativ liniar cu
iluminarea.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
23
SENZORI PENTRU MASURAREA NIVELULUI LICHIDELOR
Masurarea nivelului din recipienti se realizeaza pentru lichide , suspensii , pulberi sau granule
si este importanta atat pentru procesele tehnologice cat si la evaluarea stocurilor existente. In
procesul de masurare a nivelului , pot aparea o serie de probleme speciale cum ar fi:
vase sub presiune sau temperaturi inalte;
prezenta spunei la suprafata exterioara;
coroziunea substantelor folosite.
Masurarea nivelului poate fi:
continua,daca evaluarea masurandului se face neintrerupt;
in puncte,cand se urmareste doar atingerea unor niveluri critice la nivelul lichidului
Metodele de masurare:
directe, in cazul in care se determina lungimea substantei al carei nivel se masoara;
indirecte,cand intervalul se determina prin intermediul unor marimi intermediare
(masa,presiune,radiatie).
Masurarea nivelului nu presupune in mod obligatoriu determinarea volumului sau masei de
substanta,acestea putand fi calculate numsi daca sunt cunoscute unele date suplimentare.In
principiu metodele de masurare a nivelului deriva din metodele de masurare a altor marimi ,
ele doar se adapteaza masurarii nivelului.
Senzorii ce pot fi utilizati la masurarea nivelelor lichidelor pot fi:
senzori rezistivi;
senzori inductivi;
senzori capacitivi;
senzori cu ultrasunete;
cu radiatii nucleare;
cu fibre optice.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
24
Senzorii si traductoarele de nivel se folosesc atat pentru semnalizarea atingerii nivelelor
minim si maxim din rezervoare,cat si pentru comanda de punere in functiune a dispozitivelor
de umplere a rezervoarelor sau oprirea acestora.
Metode de masurare a nivelului lichidului
1.Metode bazate pe proprietatile electrice de material
Deoarece unele materiale dielectrice si altele sunt conductoare sunt necesare metode de
masurare diferite.
a) pentru materialele dielectrice masurarea nivelului se face prin metode
capacitive(fig.1)
Fig.1 Nivelmetru Capacitiv
h=inaltimea vasului; x=inaltimea lichidului
b) Pentru materiale conductoare ce au conductivitatea mai mare de 10¯² se foloseste
metoda din fig.2 (nivelmetru rezistiv) la care rezistorul R este plasat in interiorul
vasului metalic pe toata inaltimea acestuia lichidul conductor sunteaza o portiune
rezistei astfel incat rezistenta toata devine
R(x)= R1+ R2
R(X)=R1 + R2 =Ro • hxrxRo
xxrRo
h
xh
)(
)(
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
25
Fig.2 Nivelmetru rezistiv
2.Metoda bazata pe forta arhimedica
Metodele bazate pe forta arhimedica pot fi folosite doar pentru lichide si se grupeaza in:
metode de masurare cu plutitor;
metode de masurare cu imersor.
In fig.3 este prezentata metoda de masurare cu plutitor.
Fig.3 Nivelmetru cu plutitor
Plutitorul se afla in permanenta la suprafata lichidului si este legat de o contragreutate
printr-un fir ce trece peste un tambur.Metoda este folosita la masurarea nivelului
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
26
pulberilor sau granulelor daca se mentine tensiunea din firul de suspendare la o anumita
valoare.
3.Metode bazata pe masurarea presiunii
Determinarea nivelului cu ajutorul metodelor bazate pe masurarea presiunii consta in
stabilirea presiunii hidrostatice coloanei de lichid cu ajutorul relatiei:
Δp=p g h
Unde : Δp- diferenta dintre presiunea de deasupra lichidului si presiunea de la baza
acestuia
p- densitatea lichidului
g- acceleratia gravitational
h- inaltimea coloanei de lichid
Metoda permite determinarea presiunii si pentru recipientii aflati sub presiune,cu conditia
ca masurarea presiunii sa faca diferential.
Daca pentru masurarea diferentei de presiune se foloseste un traductor cu balanta de
forte,eroarea de masurare poate fi de 1%.
4.Metode bazate pe masurarea masei
Determinarea nivelului se poate realize indirect prin masurarea masei recipientului cu
intregul sau continut.Masa de substanta este egala cu diferenta dintre masa masurata si
masa recipientului.Fiind vorba de o masurare diferentiala daca masa recipientului este
mult mai mare decat masa de substanta pot aparea erori foarte mari.
5.Metode cu radiatii
Determinarea nivelului cu ajutorul radiatiilor este deosebit de avantajoasa deoarece
foloseste metode de masurare fara contact ce pot fi folosite in conditii speciale cum ar fi:
recipiente sub presiune;
recipiente la temperature inalte;
recipiente in medii deosebit de corozive sau periculoase.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
27
Dupa natura radiatiilor folosite nivelmetrele pot fi:
cu ultrasunete;
cu microunde;
cu radiatii nucleare.
Nivelmetrele cu ultrasunet pot functiona:
in unda continua;
in impuls.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
28
ALEGEREA SENZORILOR
Pentru alegerea unui senzor trebuiesc cunoscute principalele caracteristici de funcţionare şi de
alimentare. Cele mai importante dintre acestea sunt prezentate în continuare. Valorile
numerice detaliate se regăsesc în cataloagele firmelor producătoare.
a) Distante de sesizare
- distanţa de comutare nominală, Sn - este o valoare caracteristică senzorului pentru care nu se
iau în considerare abaterile date de temperatura şi tensiunea de alimentare. De asemenea nu se
iau în considerare nici abaterile de măsurare ale senzorului;
- distanţa de comutare reală, Sr - se defineşte pentru temperatura de funcţionare de 20°C şi
pentru o tensiune de alimentare corectă (nominală). Poate avea o abatere de ± 10% faţă de
distanţa de comutare nominală, Sn;
- distanţa de comutare utilă, Su - este distanţa pentru care senzorul va comuta garantat dacă
temperatura şi tensiunea au valori în limitele de funcţionare normală prescrise de fabricant.
Poate fi diferită cu +10% faţă de distanţa de comutare reală, Sr;
- distanţa de comutare sigură, Sa - este distanţa pentru care senzorul va comuta garantat daca
temperatura şi tensiunea au valori în limitele de funcţionare permise, prescrise de fabricant.
b) Limite permise pentru tensiunea de alimentare:
- pentru senzorii ce funcţionează în curent continuu intervalul uzual este între 0.. .30 V
dacă tensiunea nominală este de 24 V;
- pentru senzorii care funcţionează în curent alternativ intervalul poate fi între 20.. .265 V
dacă tensiunea nominală este de 220 V. În plus, frecvenţa reţelei poate oscila între 45...65
Hz.
c) Curentul de ieşire nominal - este curentul maxim care poate trece prin sarcina
conectată la senzor şi pe care senzorul îl poate suporta pentru un regim continuu de
funcţionare. Dacă acest curent este depăşit, senzorii fără protecţie la scurtcircuit se
defectează.
d) Curentul minim de sarcină - este cel mai mic curent necesar pentru ca circuitele
electronice ale senzorului să poată funcţiona. Pentru cazul senzorilor de curent continuu
cu 3 fire curentul minim de sarcină este 0 mA. Pentru senzorii de curent alternativ cu 2
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
29
fire este de 5 mA.
e) Căderea de tensiune pe sensor - este diferenţa dintre tensiunea de alimentare a
circuitului ce include comutatorul senzorului şi tensiunea măsurată la bornele sarcinii (de
exemplu releu). Pe comutatorul închis al senzorilor de curent continuu cu 3 fire căderea de
tensiune este < 3,2 V. Pentru senzorii de curent alternativ cu 2 fire este < 6 V.
f) Curentul residual - este curentul care trece prin comutatorul deschis al senzorului. În
contrast cu un comutator ideal pentru care acest curent trebuie să fie nul, pentru senzorii
de proximitate aceştia nu sunt nuli. Prin comutatorul deschis al senzorilor de curent
continuu cu 3 fire curentul rezidual este neglijabil. Pentru senzorii de curent alternativ cu
2 fire este < 1,5 mA. Acest curent este necesar funcţionării circuitelor interne ale
senzorului, dar este prea mic ca să poată acţiona un releu, de exemplu.
g) Intervalul de temperatură de funcţionare - este domeniul de temperaturi în care
senzorul poate să funcţioneze fără probleme.
h) Gradul de protecţie - defineşte nivelul de protecţie al senzorului împotriva
pătrunderii în el a impurităţilor şi a apei.
i) Tipul de conexiune al senzorului - defineşte modul de conectare a senzorului la
circuitul electric de comandă. Conexiunea senzorilor de curent continuu cu 3 fire poate fi
de două tipuri :
PNP: conectează la ieşirea de semnal potenţialul pozitiv;
NPN: conectează la ieşirea de semnal potenţialul negativ;
Pentru senzorii de curent alternativ cu 2 fire, sarcina poate fi conectată pe oricare din cele 2
fire.
Tipul de comutare - descrie poziţia contactului când în raza de acţiune a senzorului nu este
prezent nici un obiect. Contactul poate fi:
- normal închis: curentul trece prin senzor până când acesta va detecta prezenţa unui
obiect;
- normal deschis: curentul va trece prin senzor doar când acesta va detecta prezenţa unui
obiect;
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
30
- ambivalent: sunt disponibile ambele două tipuri de contacte descrise mai sus, folosirea
unuia din ele fiind stabilită de o funcţie de setare a senzorului, sau prin existenţa a 2
fire de semnal: negru pentru ND şi alb pentru NÎ.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
31
APLICATII ALE SENZORILOR
Senzori inductivi pentru aplicaţii speciale
- senzori inel
- senzori cu fantă
- Q-Pak - senzori compacţi, rectangulari
- senzori imuni la câmpurile magnetice (curenţi de sudură)
- senzori cu ieşire analogică
- senzori cu domenii de temperatură extinse
- senzori pentru presiune mare
- senzori cu caracteristici de detecţie selective
- senzori pentru aplicaţii submersibile
- senzori pentru condiţii de mediu severe
- senzori pentru graifare (cleşti acţionaţi pneumatic)
Senzori inductivi pentru electrovalve
Detectarea poziţiei elementelor de execuţie este foarte importantă în ndustriile chimică şi
petrochimică, cât şi în industria alimentară. Utilizarea senzorilor în carcase de protecţie
este metoda cea mai uzuală la detectarea poziţiei valvelor, deoarece acest tip de
încapsulare protejează senzorul şi elementele în mişcare, de influenţele mediului extern.
Un avantaj îl constituie terminalul dezizolat, dând asfel posibilitatea racordării prin
bornier la comanda electrovalvei.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
32
DETECTAREA DEFECTELOR PIESELOR SISISTEMELOR TEHNICE
Fiabilitatea reprezintă aptitudinea unui material, piese sau sistem tehnic de a nu se defecta în
cursul utilizării sale. Defectarea – pierderea aptitudinii unei componente a unui sistem tehnic
de a-şi îndeplini funcţia cerută în condiţii date.
Defectările pot fi de mai multe feluri:
- defectare bruscă – defectare care nu ar putea fi prevăzută în urma unei verificări
anterioare a caracteristicilor, deoarece modificările acestora decurg foarte rapid;
- defectare catastrofală – defectare care este în acelaşi timp bruscă şi totală;
- defectare dependentă – defectarea unui element cauzată de defectarea altui element, de
care acesta este legat din punct de vedere funcţional;
- defectare de derivă – defectare care este în acelaşi timp progresivă şi parţială;
- defectare independentă – defectarea unui element care apare fără a fi cauzată sau fără a
fi cauza altor defecte cu care interacţionează în cadrul aceluiaşi sistem;
- defectare parţială – defectarea rezultată din modificarea valorii reale a unuia sau mai
multor parametrii, dincolo de limitele date de criteriile de defectare, fără a conduce la
dispariţia totală a funcţiei cerute;
- defectare primară – defectarea unui dispozitiv care atrage după sine alte defectări;
- defectare progresivă – defectare care ar putea fi prevăzută în urma verificării
anterioare a caracteristicilor, deoarece modificările acestora decurg lent( fiind legate
de uzura pieselo, îmbătrânirea materialelor şi dereglare) şi sunt declarate atunci când
parametrii dispozitivului ating valori critice, necorespunzătoare;
- defectarea secundară – defectarea unui dispozitiv provocată de defectarea altui
dispozitiv;
- defectare totală – defectarea rezultată din modificarea valorii reale a unui sau mai
multor parametrii, dincolo de limitele date de criteriile de defectare, având ca efect
dispariţia totală a funcţiei cerute.
În procesul de exploatare, unele sisteme tehnice îşi pierd / înrăutăţesc parametrii funcţionali,
îşi pierd parţial / total capacitatea funcţională, din următoarele cauze:
- ruperea pieselor, fenomenelor de oboseală, scăderea rezistenţei mecanice;
- modificări dimensionale, ale formei, ale paralelismului, ale conexiunilor;
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
33
- schimbarea lanţurilor cinematice a pieselor, datorită uzurii stratului superficial;
- deformarea pieselor şi înţepenirea articulaţiilor în mişcare, sub acţiunea sarcinilor de
vârf;
- ruperea sau deteriorarea pieselor datorită agenţilor corozivi şi îmbătrânirii
materialelor.
Cauzele defectării pot fi grupate în:
- defecte funcţionale – uzurile;
- abateri de la tehnologiile de elaborare a materialelor;
- abateri de la tehnologiile de fabricaţie;
- acţiunea agenţilor externi;
- exploatare necorespunzătoarea sistemelor tehnice.
Tipurile uzurii de oboseală:
- pitting-ul – este o formă a uzurii de oboseală a suprafeţelor cu contacte punctiforme şi se
recunosc sub forma caracteristică de cratere, ciupituri diferite de cele de adeziune care
sunt provocate prin smulgere.
- exfolierea – este caracterizată de desprinderea de mici particule metalice sau de oxizi care
se produc când este depăşită rezistenţa la forfecare, în zonele de contact cu frecări
concentrate.
cavitaţia – este definită ca un proces de distrugere a suprafeţei şi deplasarea de
material sub formă de mici particule, produsă în mediu lichid sau gazos ce este în
contact cu metalul, dar fără prezenţa celei de a doua suprafeţe de frecare, fiind numită
şi eroziune de cavitaţie sau coroziune de cavitaşie.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
34
BIBLIOGRAFIE
1. Acţionări hidraulice şi pneumatice – Editura Universitară, 2005 ;
2. Internet;
3. Mecatronică – Manual pentru clasa a XI-a. Editura Delta 2004;
4. Elemente de mecatronică – Editura EduSoft, 2006;
5. Maşini,aparate,acţionări şi automatizări-Năstase Bichir,Dan Mihoc,Corneliu Boţan,Sabina
Hilahi;
6. Elemente de comandă şi control pentru acţionări şi sisteme de reglare automată-Doiniţa
Ghinea,Sabina Hilahi.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
35
Anexe
Placă metalică | \
Distanţe de sesizare ale unui senzor de proximitate.
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
36
Tipuri de senzori inductivi
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
37
Tipuri de senzori capacitivi
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
38
Indicatoare de nivel
Manometre, termometre
Senzori. Comanda directa. Reprezentarea informatiei.
39