Caracteristicile de utilizare a captoarelor

CARACTERISTICILE DE UTILIZARE A CAPTOARELOR

Caracteristicile de utilizare a captoarelor sunt in general aceleasi pentru toate marimile intalnite frecvent in practica cercetarii experimentale:

Marimi mecanice (forte, momente, viteze etc.);

Marimi termice (temperatura);

Marimi hidraulice (presiuni, debit);

Deoarece captorul este un dispozitiv sau un aparat care transforma o variatie a unei marimi, in general, intr-un semnal electric dependent de acesta si are in componenta sa unul sau mai multe traductoare, caracteristicile acestuia corespund caracteristicilor traductoarelor. De altfel, nu intotdeauna se poate face o distinctie neta intre un captor si un traductor, motiv pentru care, in aceste cazuri, insasi notiunile respective au tendinta sa se confunde.

Parametrii de evaluare a caracteristicilor unui captor

Caracteristicile unui captor pot fi evaluate prin mai multi parametri. Studierea parametrilor respectivi pentru un captor dat permite sa se stabileasca in ce masura acesta corespunde masurarii unei marimi in conditiile date.

Principalii parametri de evaluare a caracteristicilor captoarelor (fara sa fie intotdeauna obligatorii toti), semnificaia acestora si indicatiile pe care le dau la alegere sunt:

Sarcina, care este marimea fizica aplicata cuptorului pentru a obtine semnalul electric; sarcina poate fi forta, deplasare, moment etc si defineste destinatia captorului precizata prin insasi denumirea acestuia de captor pentru forte, deplasari etc.;

Sarcina nominala, care este cea mai mare marime fizica ce se poate aplica captorului un timp nelimitat, in conditiile garantarii caracteristicilor acestuia in limitele de precizie prescrise; acest parametru defineste o limita a domeniului de utilizare a captorului in conditii certe;

Scala totala a sarcinii, care reprezinta limitele amplitudinilor maxime ale sarcinii admise la intrarea captorului; depasirea acestor limite poate duce la aparitia unor distorsiuni care influenteaza precizia de masurare sau la schimbarea caracteristicilor captorului;

Scala de frecventa a sarcinii, care reprezinta limitele de frecventa a sarcinii admise la intrarea captorului si permite alegerea captorului corespunzator limitelor de frecventa ale fenomenului studiat;

Scala totala la iesire, care este diferenta intre semnalele de iesire corespunzatoare sarcinii minime si respectiv maxime, fiind dependenta, de obicei si de excitatie; permite alegerea corecta a aparatului de amplificare sau a captorului functie de aparatul de amplificare;

Semnalul de iesire, care este marimea electrica la bornele de iesire a captorului, ce poate fi tensiune, intensitate de curent, rezistenta, sarcina electrica, inductanta etc.; permite atat alegerea corecta a amplificatorului cat si evaluarea unor influente ale conditiilor de masurare  asupra preciziei de masurare, functie de semnalul de iesire (de exemplu la un captor piezoelectric acceptand ca semnal de iesire o tensiune, aceasta va fi puternic influentata de capacitatile introduse in cabluri);

Excitatia, care este forta electromotoare a sursei de alimentare a captorului si influenteaza scala de iesire, dar nu poate depasi anumite valori pentru o functionare corecta a captorului, deoarece influenteaza precizia si stabilitatea punctului zero prin incalzirea circuitelor;

Rezistenta la intrare, care este rezistenta electrica la bornele de intrare (cele de excitatie), limitand marimea excitatiei;

Rezistenta la iesire, care este rezistenta electrica la bornele de iesire, adica la cele la care se leaga instrumentul de masura, marimea acesteia trebuind sa fie in concordanta cu aparatura utilizata;

Curba de etalonare, care este curba de dependenta dintre semnalul de iesire si sarcina etalon aplicata cu valori cunoscute, in general pentru usurinta prelucrarii datelor, aceste curbe sunt drepte in coordonate normale sau logaritmice;

Rezistenta de izolatie, care este rezistenta intre circuitul de masura si masa captorului; pentru micsorarea erorilor de masura aceasta rezistenta trebuie sa aiba valori cat mai mari, de obicei de ordinul zecilor sau sutelor de MW

Sensibilitatea, care este raportul dintre variatia marimii semnalului de iesire si variatia corespunzatoare a marimii de intrare, valoarea sa fiind exprimata si de marimea pantei curbei de etalonare; sensibilitatea captorului trebuie sa se aleaga corespunzator preciziei de masurare dorite si marimii sarcinii;

Prag de sensibilitate, care este cea mai mica variatie a sarcinii ce produce o variatie perceptibila a semnalului de iesire; prin valoarea pragului de sensibilitate se poate alege captorul functie de sarcina minima de masurat;

Precizia, care este definita ca fiind cea mai mica marime a sarcinii care prezinta o probabilitate practic nula de a fi depasita de diferenta sarcinii reale aplicate si valoarea corespunzatoare de pe curba de etalonare; se exprima in procente fata de sarcina nominala; in fig. 41 se prezinta modul de definire a preciziei prin erorile maxime care pot aparea la masurarile individuale, valoarea lui p corespunzand la o probabilitate de 0,0027 de depasire a limitei respective (STAS 2872- );

Fig. 41 - Schema pentru definirea preciziei unui traductor.

Fig. 42 - Schema pentru definirea fidelitatii unui traductor.

Fidelitatea, care reprezinta imprastierea maxima a semnalelor de iesire rezultate la aplicarea sarcinii in aceleasi conditii si se exprima in procente fata de scala de iesire. Acest parametru poate fi definit similar cu precizia ca fiind cea mai mica marime a semnalului de iesire care prezinta o probabilitate practic nula de a fi depasita de diferenta semnalului de iesire real si valoarea corespunzatoare de pe curba de etalonare din fig. 42 (pe cele doua figuri s-au notat: CE este curba de etalonare; p - eroarea maxima care poate apare si nu poate fi depasita cu o probabilitate de 0,0027; S - sarcina; M - semnalul de iesire);

Liniaritatea, care reprezinta diferenta maxima dintre curba de etalonare si dreapta ce trece prin punctele corespunzatoare sarcinii minime si sarcinii nominale si de obicei se exprima in procente fata de scala de iesire, fiind o cauza a erorilor de masurare;

Histerezisul, care este diferenta maxima dintre semnalele de iesire, obtinuta pentru aceeasi sarcina aplicata mai intai crescator pornind de la sarcina minima si apoi descrescator, pornind de la sarcina nominala;

Deriva termica de zero, care reprezinta variatiile semnalului de iesire produse de variatia temperaturii in prezenta sarcinii si se exprima in procente fata de scala de iesire pentru variatia temperaturii cu 1⁰C;

Variatia parametrilor functionali ai captoarelor la diferite conditii de mediu cum ar fi: umiditatea, temperaturile, presiunile hidrostatice mari, campurile electromagnetice, zgomotele etc.;

Dimensiunile de gabarit ale captoarelor, care determina posibilitatile de utilizare a acestora intr-un caz dat, functie de spatiul disponibil la locul de masurare ;

Rigiditatea captorului, care este o caracteristica specifica captorilor, care masoara prin contact sarcini mecanice si reprezinta raportul dintre forta aplicata captorului si deplasarea pe directia fortei; acest parametru trebuie sa aiba o valoare care sa nu duca la modificarea parametrilor sistemului in care se fac masurarile, trebuind sa fie foarte mare sau foarte mica dupa cum acesta este montat in serie in sistem sau in paralel cu elementele sistemului;

Greutatea captorilor, care poate influenta parametrii sistemului supus masurarilor etc.;

La alegerea tipului de captor trebuie sa se aiba in vedere conditiile concrete in care urmeaza sa se faca masurarea, pentru a putea aprecia in ce masura parametrii enumerati care caracterizeaza captorul respectiv, corespund acestor conditii. Totodata trebuie luata in considerare si aparatura cu care captorul formeaza schema de masurare, deoarece o corelare necorespunzatoare a caracteristicilor captorului cu cele ale aparatelor de masurare duce la compromiterea procesului de masurare sau la denaturarea fenomenului ce urmeaza sa se studieze. Trebuie tinut seama, in alegerea captorilor si de faptul ca unii din parametrii aratati sunt in contradictie si nu pot fi satisfacuti simultan la valorile cele mai favorabile, de aceea trebuie gasit un optimum al acestora, in ansamblul lor.

Limitele de utilizare a principalelor tipuri de traductoare si captoare

In general firmele care fabrica captoare precizeaza in prospectele acestora o parte din parametrii enumerati anterior, de obicei cei mai favorabili, insa indicatiile date nu sunt suficiente, lipsind elementul de comparatie. Pentru o utilizare corecta este bine sa se cunoasca si alte elemente in legatura cu captoarele respective, precum si pretul de cost.

Cunoasterea acestor elemente este cu atat mai necesara in cazul realizarii unor captoare speciale impuse de diverse masurari.

Pentru a alege captorul adecvat pentru un caz dat este necesar sa se cunoasca comparativ posibilitatile de utilizare ale tipurilor ce pot fi utilizate in cazul respectiv. Intrucat parametrii unui captor sunt determinati in mare masura de parametrii traductoarelor utilizate, este necesara cunoasterea caracteristicilor functionale ale traductoarelor.

Principalele caracteistici ale unor traductoare utilizate la masurarea unor marimi mecanice, cat si unele limite impuse de acestea la utilizarea traductoarelor sunt prezentate in tabelul 41.

Unele traductoare pot fi utilizate direct la masurarea unor marimi (aici mecanice) precum si la construirea unor captoare.

Limitele de utilizare a captoarelor (folosind traductoarele prezentate) sunt uneori foarte mult diminuate de constructia mecanica a captorului, in special in ce priveste limita de frecventa.

Limita de frecventa care poate fi masurata cu un captor trebuie sa fie departe de frecventa proprie a captorului pentru a nu apare fenomenul de rezonanta, caz in care masuratorile sunt eronate.

Limitele de utilizare ale traductoarelor ca atare nu pot fi extinse si asupra captoarelor.

Pentru masurarea marimilor mecanice in regim dinamic, cu exceptia deplasarilor liniare si unghiulare, cel mai sigur captor este cel piezoelectric, acesta prezentand o frecventa proprie ce depaseste 20kHz, valoare cu mult peste limitele frecventelor care intereseaza la masurari in domeniul mecanic.

Rigiditatea captoarelor care masoara prin contact este uneori o caracteristica determinanta pentru utilizarea sa intr-un sistem de masurare. Captorul trebuie sa aiba o rigiditate care sa nu influenteze intr-o masura importanta comportarea sistemului. Atunci cand captorul este inclus in serie in sistemul supus masurarilor, rigiditatea acestuia trebuie sa fie mult mai mare ca a sistemului in ansamblu. Acesta este cazul curent al masuratorilor unor forte, momente, presiuni. in cazul in care captorul este montat in sistem, in paralel cu elementele acestuia rigiditatea captorului trebuie sa fie neglijabila in comparatie cu cea a sistemului. Acesta este cazul frecvent care apare la masurarea deplasarilor.

Aceste probleme nu sunt prezente la captoarele care masoara fara contact. De asemenea, la acestea nu apar probleme de uzura, atunci cand elementul suspus masurarilor este in miscare.

Caracteristicile principale si limitele de utilizare a traductoarelor de temperatura sunt prezentate in tabelul 42.

In acest tabel inertia termica a fost exprimata prin constanta de timp t, care reprezinta timpul in care indicatia traductorului se modifica cu (1-1/e)=0,632 din diferenta dintre temperatura de masurat si temperatura initiala a traductorului.

Valorile prezentate sunt orientate, acestea depinzand de dimensiunile elementului activ al traductorului si de temperatura care se masoara.

Astfel un termocuplu cu diametrul electrozilor de 0,8 mm prezinta in aer la 130⁰C o constanta t=550, iar pentru diametrul de 3,3 mm o constanta de 3000. La temperatura de 550⁰C in aer termocuplul fara protectie prezinta t

In general, constructorii de traductoare indica in prospecte timpul in care termometrul ajunge la temperatura de masurat a unui mediu.

De retinut ca, traductoarele de la pozitiile 8, 9 si 10 sunt fara contact, au o inertie foarte mica, iar elementul activ poate avea diverse forme.

Traductoarele cu semiconductoare, cu masurare prin contact, au o inertie termica mica, foarte adesea timpul de preluare a temperaturii mediului supus masurarii este sub o secunda, ceea ce in majoritatea masurarilor este satisfacator.

Principalele caracteristici ale traductoarelor cel mai frecvent utilizate

Tabelul 41.

Caracteristicilie si principalele limite de utilizare a traductoarelor de temperatura

Tabelul 42