Traductoare pentru marimi geometrice

Notiuni fundamentale

Deplasarea este o marime ce caracterizeaza schimbarile de pozitie ale unui corp sau ale unui punct caracteristic fata de un sistem de referinta.

Distanta reprezinta separarea spatiala (sau planara) dintre doua puncte.

Pozitia reprezinta localizarea spatiala a unui punct sau a unui corp în raport cu sistemul de referinta.

Proximitatea reprezinta situarea la o mica distanta a unui corp (punct) fata de un reper fix.

Traiectoria reprezinta deplasarea simultana (liniara sau circulara) a unui punct pe diferite axe în raport cu un sistem de coordonate. Traiectoriile pot fi - plane sau spatiale.

Unitatea de masura pentru deplasarile liniare este metru [m] cu submultiplii: milimetru [mm] sau micronul [m Pentru deplasari unghiulare se foloseste gradul sexazecimal [^o], cu submultiplii: minutul si secunda. Uneori, se foloseste radia 343c25d nul [rad].

Deplasarile liniare sau unghiulare permit masurarea indirecta a altor marimi a caror variatii se materializeaza prin modificarea pozitiei unui punct (corp sau suprafata) în raport cu un sistem de referinta.

De exemplu, deplasarile mici permit masurarea presiunilor, fortelor, nivelelor, temperaturi etc, deoarece aceste marimi sunt caracterizate prin deplasari mici.

Observatie:

Pentru utilizator este foarte importanta alegerea, sau conceperea celor mai bune solutii de cuplare a traductorului la marimea de masurat astfel încât sa se asigure precizia de masurare dorita, dar si o fiabilitate ridicata. Din acest punct de vedere exista urmatoarele variante de masurare:

a) masurarea directa: - deplasare liniara prin translatie si deplasare unghiulara prin rotatie.

b) masurarea indirecta: când deplasarea unghiulara este folosita pentru caracterizarea unei deplasari liniare.

Traductoare pentru deplasari liniare mici

Acestea sunt destinate conversiei intermediare a unor marimi, a caror variatii se traduc (prin sisteme mecanice) în deplasari liniare mici.

Aceste traductoare acopera un domeniu de masurare de ordinul (10^-2 .10⁺²) mm, si au elemente sensibile de tip parametric: inductive, capacitive sau rezistive.

Elemente sensibile inductive cu miez mobil

Din punct de vedere constructiv, elementele sensibile ale acestor traductoare sunt de doua tipuri:

a) cu modificarea inductantelor proprii sau mutuale (prin deplasarea unui miez mobil) - figura 4.1 - a.

b) cu modificarea întrefierului.

Fig. 4.1.

Semnificatia notatiilor este: M - miez feromagnetic ; B - bobina de lungime l x - marimea de masurat (deplasarea).

Deplasarea lui M provoaca modificarea inductantei proprii L a bobinei B. Caracteristica statica este pronuntat neliniara, datorita câmpului magnetic neomogen creat în bobina.

De asemenea, apar forte parazite de atractie dintre miez si bobina. Aceste dezavantaje se elimina prin utilizarea a doua bobine (B₁ si B₂) legate diferential (figura 4.2 - a) care asigura o caracteristica mult mai liniara, prezentata în figura 4.2 - b, iar sensibilitatea traductorului creste. În pozitia de referinta (x = "0"), miezul feromagnetic este echidistant fata de capetele interioare ale bobinelor B₁ si B₂.

Fig. 4.2

Principiul de functionare al elementelor sensibile inductive se bazeaza pe modificarea reluctantelor circuitelor de închidere a fluxurilor, cât si pe modificarea inductivitatilor proprii ale celor doua bobine, exprimate prin relatiile:

(4.1)

Fig. 4.5- Element sensibil de tip TDLV: a schema constructiva; b schema de conexiuni

Traductoarele cu elemente sensibile de tip TDLV folosesc ca adaptor un redresor sensibil la faza, eventual precedat de un amplificator de curent alternativ. Iesirea din redresorul sensibil la faza se aplica unui amplificator de curent continuu cu impedanta de iesire mica, care este prevazut si cu un circuit de filtrare (trece-jos) pentru eliminarea armonicelor parazite. În figura 4.6 se prezinta adaptorul pentru un element sensibil de tip TDLV.

Fig. 4.6 Adaptor pentru un element sensibil de tip TDLV

Performantele acestui tip de traductor sunt

- lipsa frecarilor la deplasarea miezului si ca urmare se obtine o robustete si o fiabilitate ridicata;

- rezolutie si reproductibilitate foarte bune ;

- insensibilitate la deplasari radiale ale miezului ;

posibilitatea protectiei bobinei de medii corozive cu temperaturi si presiuni ridicate ;

- asigurarea separarii galvanice (între intrare si iesire);
- posibilitatea optimizarii factorului de calitate al bobinelor care formeaza elementul sensibil.

4.1.2 Elemente sensibile inductive cu întrefier variabil

Varianta constructiva simpla a unui element sensibil cu întrefier variabil este prezentata în figura 4.7.

Armatura mobila se deplaseaza în raport cu un miez feromagnetic. Corpul, a carui deplasare se masoara, va fi solidar cu armatura mobila, figura 4.7.

Pe miezul feromagnetic (realizat din tole) se afla plasata o bobina alimentata cu o tensiune alternativa, U_a. Modificând întrefierul δ, prin deplasarea x (a armaturii mobile) se va modifica reluctanta circuitului magnetic si implicit inductanta L (a bobinei), conform relatiei:

; (4.5)

unde:

N este numarul de spire al bobinei; - lungimea circuitelor magnetice (aer - fier) ; - suprafatele de închidere a fluxurilor magnetice ; - permeabilitatile magnetice (ale circuitelor de închidere a fluxurilor).

Aplicând relatia (4.5) elementului sensibil din figura 4.7 se obtine:

;

unde: este întrefierul initial (când x=0); x - deplasarea (cresterea sau descresterea) fata de întrefierul initial, indicii Fe si a se refera la natura circuitului magnetic: fier sau aer.

Din relatia (4.6) se observa ca inductivitatea L variaza neliniar cu deplasarea x.

Pentru ameliorarea liniaritatii si pentru cresterea sensibilitatii se utilizeaza montajul diferential din figura 4.8-a pentru care se observa, în figura 4.8-b, variatiile inductivitatilor L₁ si L₂, cât si variatia diferentei inductivitatilor (L₁-L₂) în raport cu întrefierurile d si d , care, la rândul lor, depind de valoarea deplasarii x.

Fig. 4.8- Element sensibil diferential cu întrefier variabil: a- schema electrica de montaj; b- caracteristicile statice

Considerând si , din figura 4.8-a se obtine tensiunea de dezechilbru a puntii:

; (4.7)

în care:

- este tensiunea de dezechilibru ;

- valoarea efectiva a tensiunii de alimentare (constanta);

w - pulsatia (constanta) a tensiunii ;

Din ultima relatie se observa dependenta liniara între tensiunea de dezechilibru a puntii si DL, deci se obtine variatia liniara între U_d si deplasarea x:

; (4.8)

unde: K= K₂DL,    iar DL=K'Dx;

Întrucât variatia în modul a impedantei este:

; (4.9)

se impune R cât mai mic pentru ca variatia relativa de inductanta sa determine o variatie aproximativ egala de impedanta.

Observatii

a)            Conditiile de liniaritate si sensibilitate nu pot fi satisfacute simultan si ca urmare se adopta o solutie de compromis. Astfel, pentru ΔL / L =(0,1.0,3), se recomanda în [14] o variatie a întrefierului δ astfel încât:

. (4.10)

b) Pentru cresterea sensibilitatii E.S. trebuie ca factorul de calitate Q, (al bobinelor) sa fie cât mai bun (mare), [8].

(4.11)

Elementele sensibile cu modificarea întrefierului se pot construi si ele în variantele de tip transformator. Astfel, în figura 4.9 -a este prezentat montajul pentru varianta simpla, iar în figura 4.9- b este prezentata varianta pentru montajul diferential.

Fig. 4.9- Elemente sensibile de tip transformator cu modificarea întrefierului:

a-      varianta simpla; b- varianta diferentiala

Pentru varianta simpla (figura 4.9-a), tensiunea de iesire, din secundar, va fi de forma:;    (4.12)

unde reprezinta factorul de cuplaj, variabil neliniar cu deplasarea x.

Pentru montajul din figura 4.9- b tensiunea de iesire poate fi exprimata prin relatia:

(4.13)

Din ultima relatie se observa ca pentru montajul diferential tensiunea de la iesirea ES, are o variatie liniara cu deplasarea x. Adaptorul care prelucreaza tensiunea de iesire din ES are în componenta un amplificator si un redresor sensibil la faza.

Principala sursa de erori în cazul acestor tipuri de traductoare o constituie modificarea caracteristicilor magnetice ale miezului, datorita fenomenului de oboseala si/sau îmbatrânire.

Traductoarele capacitive pentru deplasari liniare folosesc ca elemente sensibile, condensatoare plane, la care se pot modifica unul din cei trei parametri ai relatiei ce exprima capacitatea:

_;

a)            Elemente sensibile capacitive cu modificarea distantei dintre armaturi (δ)

În varianta simpla, ES este un condensator plan prevazut cu o armatura fixa (AF) si una mobila (AM), figura 4.10-a. Armatura mobila este sustinuta între doua arcuri si poate fi deplasata cu valoarea x, modificând distanta δ, fata de valoarea de referinta . Varitia capacitatii în functie de parametrul δ este ilustrata în figura 4.10 - b.

Fig. 4.10 - Element sensibil capacitiv cu modificarea distantei dintre armaturi: a- solutie constructiva; b - caracteristica statica

Semnificatia parametrilor din relatia 4.14 este urmatoarea:

- permitivitatea mediului ; S - suprafata activa a armaturilor ; δ - distanta dintre armaturi ; Deoarece capacitatea C este data de (4.14) rezulta ca variatia iesirii (ΔC) raportata la variatia intrarii (Δδ), reprezinta sensibilitatea unui element sensibil capacitiv exprimata prin relatia:

Rezulta ca valoare sensibilitatii elementului sensibil capacitiv (realizat cu un condensator plan) variaza neliniar cu δ.

Se poate exprima sensibilitatea relativa (S_r

(4.16)

Relatia (4.16) indica o variatie neliniara, cu sensibilitate marita, la variatii mici (de ordinul micronilor).Cresterea liniaritatii este posibila daca elementul sensibil este format din doua condensatoare plane în montaj diferential având o armatura mobila comuna, ca în figura 4.11.

Alimentate cu tensiune sinusoidala (U ) capacitatile si se încarca cu tensiunile U₁ si respectiv U₂ (conform teoremei divizorului de tensiune):

c) Elemente sensibile capacitive cu modificarea dielectricului

În varianta de baza, un astfel de element sensibil este realizat din doi electrozi cilindrici ficsi 1 si 2 (figura 4.14) între care se deplaseaza un manson izolator (cu o constanta dielectrica diferita de cea a aerului) alunecând cu frecare minima. Electrodul fix 2 este plasat echidistant fata de peretii electrodului cilindric 1, iar mansonul dielectric( de forma cilindrica) este coaxial electrodului fix 2.

Fig.4.14 - Element sensibil capacitiv cu modificarea dielectricului