< Curent continuu

9 Instrumentatie

9.1 Semnale analogice şi digitale

Instrumentaţia este un domeniu bazat pe măsurarea şi controlul proceselor fizice. Aceste procese fizice includ presiunea, temperatura, rata de curgere şi consitenţa chimică printre altele. Un instrument este un dispozitiv ce măsoară şi/sau controlează orice tip de proces fizic. Datorită faptului că valorile şi cantităţile de tensiune, curent şi rezistenţă sunt uşor de măsurat, manipulat şi de transmis pe distanţe mari, acestea sunt adesea folosite pentru reprezentarea acestor tipuri de variabile fizice şi transmiterea lor la distanţă.

Un semnal este orice tip de cantitate fizică ce transmite o informaţie. Vorbitul este cu siguranţă un tip de semnal, întrucât transmite gândurile (informaţii) de la o persoană la alta fizic, prin intermediul sunetului. Gesturile sunt de asemenea informaţii transmise cu ajutorul luminii. Textul este un alt tip de semnal. În acest capitol, cuvântul semnal va fi folosit pentru a reprezenta o cantitate fizică.

Un semnal analog este un semnal cu o variaţie continuă, în contradicţie cu cel digital, ce are o variaţie în trepte. Un exemplu bun de analog vs. digital este în cazul ceasurilor: cele analogice posedă ace indicatoare şi practic nu au o limită de precizie în ceea ce priveşte indicarea exactă a orei; cele digitale în schimb, nu pot indica intervale de timp sub capacitatea lor de afişaj, ceea ce în multe cazuri se reduce la secunde (rezoluţie).

Ambele tipuri de semnale, atât analogice cât şi digitale, îşi găsesc aplicaţia în sistemele electronice moderne, iar distincţia dintre aceste două tipuri de informaţie va fi reluată în capitolele viitoare. Acum însă, ne vom concentra atenţia în special pe semnalele analogice, întrucât sistemele ce utilizează aceste tipuri de semnale au de obicei un design mai simplu.

Marea majoritate a cantităţilor fizice de măsurat (temperatură, umiditate, viteză, etc.) posedă o variabilitate analogică. Dacă o asfel de cantitate fizică este utilizată pe post de canal de comunicaţie, reprezentarea informaţiei va avea practic o rezoluţie nelimitată.

La începutul instrumentaţiei industriale, aerul comprimat era folosit în scopul transmiterii informaţiei de la aparatele de măsură şi controlul acestora. Nivelul presiunii aerului se regăsea în valoarea variabilei de măsurat, oricare era aceea. Aerul curat şi uscat la o presiune de

bar era furnizat de un compresor de aer prin intermediul unor tuburi spre instrumentul de măsura, ce modifica la rândul său valoarea presiunii în funcţie de cantitatea de măsurat producând asfel un semnal de ieşire. De exemplu, un dispozitiv pneumatic destinat măsurării înălţimii coloanei de apă dintr-un bazin (variabila procesului) va furniza o presiune scăzută a aerului atunci când bazinul este gol, una medie când bazinul este parţial plin şi o presiune ridicată atunci când bazinul este plin.

Indicatorul nivelului de apă este de fapt un aparat de măsură a presiunii din tubul de aer. Această presiune a aerului, fiind un semnal, reprezintă nivelul apei din bazin. Orice variaţie a nivelului apei este reprezentată printr-o variaţie a presiunii semnalului măsurat. Acest semnal pneumatic are, cel puţin teoretic, o rezoluţie infinită, putând reprezenta orice variaţie cât de mică a nivelului din bazin, şi este prin urmare un semnal analog în adevăratul sens al cuvântului.

Orcât de primitiv ar părea, acest tip de sisteme pneumatice a stat la baza multor sisteme industriale de măsură şi control peste tot în lume, şi mai sunt şi acum folosite datorită simplicităţii, siguranţei şi fiabilităţii lor. Semnalele folosind aerul comprimat sunt uşoar de transmis prin tuburi ieftine, uşor de măsurat şi uşor de manipulat cu ajutorul dispozitivelor mecanice. Pe lângă asta, acest tip de semnal poate fi folosit nu doar pentru măsurarea proceselor fizice, dar şi pentru controlul lor. Cun ajutorul unui piston suficient de mare, un semnal slab poate fi folosit pentru generarea unei forţe mecanice suficient de mari pentru acţionarea unei valve sau controlul unui dispozitiv. Au fost create chiar şi sisteme automate complete de control folosind presiunea aerului ca şi canal de comunicaţie. Sunt simple şi relativ uşor de înţeles. Totuşi, limitele practice pentru precizia semnalului comprimat nu sunt suficiente în unele cazuri, mai ales atunci când aerul comprimat nu este curat şi uscat, sau atunci când există posibilitatea apariţiei spărturilor în ţevi.

Odată cu avansul amplificatoarelor din domeniul electronicii semiconductorilor, folosirea mărimilor de curent şi tensiune în instrumentaţie a devenit practică. În locul utilizării presiunii aerului pentru măsurarea gradului de umplere al unui bazin cu apă, s-a început folosire semnalele electrice pentru furnizarea aceleiaşi informaţii prin intermediul firelor conductoare (în loc de tuburi) fără a mai fi necesară utilizarea unui echipament scump. precum compresoarele de aer, pentru utilizare:

Deşi semnalele electronice analogice încep să fie înlocuite de cele digitale, este bine să avem o bună înţelegere a principiilor de bază din spatele acestui mod de transmitere a informaţiei.

Un concept important aplicat în instrumentaţia semnalelor analogice este cel de „zero real”, un principiu standard de utilizare a semnalelor asfel încât valoarea zero (bazin de apă gol) sa nu fie confundată cu defectul sistemului în cauză. De exemplu, în cazul sistemului pneumatic de mai sus, dacă scala valorilor pentru presiune este între 1 şi 2 bar (1, 1,1, 1,2…2), cu 1 bar (presiunea aerului din mediul înconjurător) reprezentând 0% din valoarea mărimii de măsurat şi 2 bar reprezentând 100% din aceeiaşi valoare, dacă indicatorul va afişa 1 bar, acest lucru ar putea să însemne că bazinul de apă este într-adevăr gol, sau ar putea la fel de bine indica faptul că sistemul nu funcţinează (copresorul de aer este oprit, ţeava este spartă, traductorul este stricat, etc.).

În schimb, dacă am calibra (seta) instrumentele (traductorul şi indicatorul) pentru scara de 1.1 - 2 bar (1,1, 1,2, 1,3…2), asfel încât 1.1 bar să reprezinte 0% iar 2 bar 100%, orice tip de defect sau nefuncţionare a sistemului va rezulta într-o presiune de 1 bar, şi orice tip de măsurători efectuate se vor realiza doar pentru intervalul 1.1 - 2 bar.

9.2 Sisteme cu semnale de tensiune

Utilizarea tensiunii variabile pentru semnalele de instrumentaţie pare o soluţie bună în acest caz. Să vedem aşadar cum am putea folosi un semnal de tensiune pentru a măsura cantiatea de apă dintr-un bazin:

Traductorul din diagrama de mai sus conţine propria sursă de tensiune, iar potenţiometrul este acţionat de un plutitor ce se află în interiorul bazinului, poziţia acestuia depinzând de nivelul apei. Indicatorul nu este nimic altceva decât un voltmetru cu o scală calibrată (modificată) pentru citirea unei anumite înălţimi a apei (cm, m, etc.) în loc de volţi.

Pe măsură ce nivelul apei suferă modificări, plutitorul se va mişca şi el. Această mişcare a plutitorului va modifica poziţia periei potenţiometrului, modificând asfel căderea de tensiune dintre cele două puncte la care este conectat voltmetrul. Prin urmare, tensiunea măsurată de voltmetru va depinde de nivelul apei din bazin.

Acest sistem elementar traductor/indicator este fiabil şi uşor de înţeles, însă are unele neajunsuri. Probabil că cel mai mare dintre ele este influenţa pe care o poate avea rezistenţa cablurilor electrice asupra mărimii de măsurat. Voltmetrele reale folosesc („trag”) valori foarte mici ale curentului datorită rezistenţei lor interne, deşi, ideal ar fi să nu folosească deloc. În acest caz, va exista o cantitate mică de curent prin cele două cabluri conductoare. Cablul având la rândul lui o valoare a rezistenţei diferita de zero, va prezenta şi o cădere de tensiune în lungul lui, ca şi în cazul unui rezistor; căderea de tensiune la bornele voltmetrului va fi asfel mai mică decât tensiunea totală generată de traductor prin intermediul potenţiometrului. Această pierdere de tensiune, oricât de mică, constituie o eroare de măsură:

În figura de mai sus au fost adăugate simbolurile rezistorului pentru cablurile electrice pentru a indica ceea ce se întâmplă de fapt într-un sistem real. Valorile acestor rezistenţe pot fi reduse folosind cabluri electrice mai groase (şi mai scumpe) şi/sau putem evite efectele lor cu ajutorul unui voltmetru cu o rezistenţă internă foarte mică (complexitate sporită).

În ciuda acestui dezavantaj, semnalele de tensiune sunt încă folosite în multe aplicaţii datorită design-ului lor extrem de simplu. Un standard des folosit este de de 0-10 volţi, unde 0 volţi reprezintă 0% din valoarea de măsurat, 10 volţi 100%, 5 volţi 50%, etc. Un alt domeniu folosit este cel de 1-5 V, ce utilizează conceptul de „zero real” pentru detectarea cazurilor de defect.

9.3 Sisteme cu semnale de curent

Folosind amplificatoare electronice putem construi circuite a căror ieşire să fie o cantitate constantă de curent în loc de o cantitate constantă de tensiune, precum în cazul bateriei de exemplu. Aceste componente folosite împreună poartă denumirea de sursă de curent, iar simbolul este acesta:

O sursă de curent generează o valoare a tensiunii suficient de mică sau de mare asfel încâ să producă o cantitate constantă de curent la bornele sale. Acest lucru este exact opusul unei surse de tensiune (o baterie ideală), ce va furniza o cantitate mai mică sau mai mare de curent în funcţie de cerinţele circuitului la care este legată. Întrucât folosim notaţia reală de deplasare a electronilor prin circuit, săgeata simbolului va fi orientată contrar direcţiei de curgere.

Sursele de curent pot fi construite ca şi dispozitive variabile, la fel ca şi sursele de tensiune, producând valori foarte precise de curent electric. Dacă am construi un traductor cu o sursă de curent variabilă în loc de o sursă de tensiune, am putea realiza un sistem de instrumentaţie bazat pe curent în loc de tensiune:

Momentan nu ne interesează construcţia internă a sursei de curent din interiorul traductorului, ci doar faptul că ieşirea acestuia variază în funcţie de poziţia plutitorului, la fel ca în cazul potenţiometrului din sistemul de instrumentaţie bazat pe tensiune.

Indicatorul utilizat în acest caz nu mai este un voltmetru, ci un ampermetru a cărui scară a fost modificată pentru afişarea valorilor în centrimetri, metri sau orice altă mărime utilizată pentru reprezentarea înălţimii apei din rezervor. Datorită faptului că sistemul este un circuit serie (punând la socoteală şi rezistenţa conductorilor), curentul va fi exact acelaşi prin toate componentele. Cu sau fără rezistenţa conductorilor, curentul prin indicator este acelaşi ca şi curentul prin traductor şi prin urmare nu avem de a face cu nicio eroare de măsură precum în cazul tensiunii. Acesta este un mare avantaj faţă de sistemul precedent.

Cel mai folosit standard pentru semnalul de curent este de 4 - 20 miliamperi, unde 4 mA reprezintă 0% din cantitatea de măsurat şi 20 mA reprezintă 100% (12 mA, 50%, etc.). Un avantaj pentru utilizarea acestor valori o constituie uşurinţa folosirii instrumentelor de măsură pentru valorile de 1-5 V. Un simplu rezistor de precizie de 250 ohm conectat în serie cu acest circuit va produce o cădere de tensiune de 1 V la 4 mA şi 5 V la 20 mA:

----------------------------------------
| Procentajul |  Semnal de | Semnal de |
| măsurătorii |   4-20 mA  |   1-5 V   |
----------------------------------------
|      0      |   4.0 mA   |   1.0 V   |
----------------------------------------
|     10      |   5.6 mA   |   1.4 V   |
----------------------------------------
|     20      |   7.2 mA   |   1.8 V   |
----------------------------------------
|     25      |   8.0 mA   |   2.0 V   |
----------------------------------------
|     30      |   8.8 mA   |   2.2 V   |
----------------------------------------
|     40      |  10.4 mA   |   2.6 V   |
----------------------------------------
|     50      |  12.0 mA   |   3.0 V   |
----------------------------------------
|     60      |  13.6 mA   |   3.4 V   |
----------------------------------------
|     70      |  15.2 mA   |   3.8 V   |
----------------------------------------
|     75      |  16.0 mA   |   4.0 V   |
---------------------------------------
|     80      |  16.8 mA   |   4.2 V   |
----------------------------------------
|     90      |  18.4 mA   |   4.6 V   |
----------------------------------------
|    100      |  20.0 mA   |   5.0 V   |
----------------------------------------
            

9.4 Tahogeneratorul

Un generator electromecanic este un dispozitiv capabil să genereze putere electrică folosind energie mecanică, de obicei prin intermediul unui ax. Atunci când nu sunt conectate la o sarcină (rezistenţă), generatoarele vor produce o tensiune electrică aproximativ proporţională cu viteza axului. Cu un design şi construcţie precisă, aceste dispizitive pot fi construite asfel încât să genereze tensiuni exacte pentru anumite viteze ale axului; din această cauză pot fi folosite ca şi instrumente de măsură în cadrul echipamentelor mecanice. Un generator special construit pentru această utilizare se numeşte tahometru sau tahogenerator.

Măsurând tensiunea produsă de un tahogenerator putem determina vieteza de rotaţia a dispozitivului conectat la bornele acestuia.

Tahogeneratoarele pot fi folosite şi pentru a indica direcţie de rotaţie prin intermediul polarităţii („+” sau „-”) tensiunii de ieşire. În sisteme de măsură şi control unde direcţie de rotaţie este importantă, tahogeneratorul este o metodă uşoară de determinare a acestui lucru. Tehogeneratoarele sunt frecvent utulizate pentru determinarea vitezei motoarelor electrice

9.5 Termocupla

Un fenomen interesant utilizat în domeniul instrumentaţiei este „efectul Seebeck” (notă: wikipedia), ce constă în producerea unei căderi de tensiune între două fire datorată diferenţei de temperatură dintre acestea. Acest efect este cel mai uşor de observat şi de aplicat cu ajutorul unui contact dintre două metale diferite, fiecare metal producând un potenţial electric diferit de-a lungul său, ceea ce se traduce printr-o tensiune electrică diferită între capetele libere ale celor două fire. Aproape orice pereche de metale diferite produc o cantitate de tensiune măsurabilă atunci când contactul lor este încălzit, unele combinaţii producând o cantitate mai mare decât altele:

Efectul Seebeck este destul de liniar, însemnând că tensiunea produsă de contactul încălzit dintre două fire este direct proporţională cu temperatura. Acest lucru înseamnă ca putem determina temperatura contactului măsurând tensiunea produsă. Prin urmare, efectul Seebeck constituie o metodă electrică de determinare a temperaturii.

Când o combinaţie de materiale diferite sunt conectate împreună pentru a măsura temperatura, dispozitivul format poartă numele de termocuplă. Termocuplele folosite pentru instrumentaţie folosesc metale de o puritate superioare pentru a păstra relaţia temperatură/tensiune cât mai liniară şi previzibilă cu putinţă.

Tensiunile Seedbeck sunt destul de mici, de ordinul milivolţilor (mV) pentru majoritatea temperaturilor. Din acest motiv sunt destul de greu de folosit pentru măsurători precise. De asemenea, faptul că orice contact dintre oricare două metale diferite produce o cădere de tensiune variabilă cu temperatură constituie o problemă la conectarea unui voltmetru la termocuplă pentru închiderea circuitului:

Contactul secundar fier - cupru format prin conexiunea dintre termocuplă şi aparatul de măsură din firul de sus va produce o diferenţă de potenţial dependentă de temperatură de polaritate diferită faţă de tensiunea produsă de punctul de contact iniţial (de măsură). Acest lucru înseamnă că tensiunea de la bornele voltmetrului va depinde de diferenţa de temperatură dintre cele două contacte, şi nu doar de temperatura de la contactul de măsură. Chiar şi în cazul termocuplelor ce nu folosesc cuprul pentru contact, combinaţia celor două contacte metalice adiţionale (trei cu cea de măsură) , combinaţia celor două metale cu conductoarele de cupru ale aparatului de măsură formează un contact echivalent contactului de măsură:

Acest contact secundar se numeşte contact de referinţă sau contact rece, pentru a face distincţia între acesta şi contactul de măsură. Nu putem evita un asfel de contact într-un circuit ce utilizează termocupla. În unele aplicaţii, este necesară măsurarea diferenţei de temperatură dinte două puncte, caz în care efectul de mai sus poate fi exploatat prin construirea unui sistem foarte simplu de măsură.

Totuşi, în marea parte a aplicaţiilor scopul este măsurarea temperaturii doar într-un singur punct, caz în care cel de al doilea contact devine un rău necesar în funcţionarea termocuplei.

Compensarea pentru tensiunea generată de contactul rece se poate realiza cu un circuit construit special pentru măsurarea temperaturii în acel punct care să producă o tensiune proporţională şi inversă pentru anularea efectelor contactului. Sigur, ne putem întreba, „Dacă trebuie să folosim o altă formă de măsurare a temperaturii pentru contracararea efectelor nedorite ale termocuplei, de ce nu am folosi acest mod de măsurare în primul rând în locul contactului termocuplei?”. Raspunsul este acesta: pentru că celelalte forme de măsurare a temperaturii disponibile nu sunt le fel de robuste şi universale precum aceasta dar pot face foarte bine măsurători la temperatura camerei. De exemplu, contactul termocuplei poate fi introdus într-un furnal la temperaturi de 1.000 ^{o}C, pe când contactul rece poate sta la câţiva zeci de metri distanţă într-un loc special amenajat, la temperatura camerei, temperatura acestuia fiind măsurată de un dispozitiv ce nu ar putea niciodată supravieţui căldurii excesive sau mediului coroziv existent într-un furnal.

Tensiunea produsă de contactul termocuplei este stric dependtă de temperatură. Orice curent existent în circuitul termocuplei este o funcţie a rezistenţei din circuit opusă acestei tensiuni (I=E/R). Cu alte cuvinte, relaţia dintre temperatură şi tensiunea Seebeck este fixă, pe când relaţia dintre temperatură şi curent este variabilă, depinzând de rezistenţa totală din circuit. În cazul în care conductorii termocuplei sunt suficient de groşi (rezistenţă mică), putem genera curenţi de sute de amperi dintr-un singur contact!

Pentru creşterea preciziei măsurătorilor, voltmetrul folosit într-un circuit cu termocuplă este construit cu o rezistenţă foarte mare pentru evitarea căderilor de tensiune de-a lungul firelor termocuplei. Problema căderilor de tensiune de-al lungul firelor este şi mai gravă în acest caz faţă de semnalele de curent continuu discutate mai sus, pentru că în acest caz, contactul termocuplei produce o tensiune de doar câţive milivolţi. Nu ne putem permite să avem nici măcar o cădere de tensiune de un singur milivol pe conductori fără a induce erori serioase de măsurare a temperaturii.

În mod ideal, prin urmare, curentul printr-un circuit al termocuplei ar trebui să fie zero. Instrumentele moderne folosesc amplificatoare cu semiconductori pentru a permite semnalul de tensiune al termocuplei să acţioneze asupra aparatului de măsură cu foarte puţin curent tras în circuit sau chiar deloc.

Termopila

Termocuplele pot fi confecţionate din conductori foarte groşi pentru rezistenţă scăzută şi conectate în aşa fel încât să genereze curenţi mari pentru alt scop decât măsurarea temperaturii. O asfel de aplicaţie este generarea puterii electrice. Conectând multe termocuple în serie, alternând temperaturile cald/rece cu fiecare contact, putem construi un dispozitiv numit termopilă cu scopul producerii unor cantităţi mari de tensiune şi curent:

Dacă setul contactelor din stânga şi setul contactelor din dreapta sunt menţinute la aceeiaşi temperatură, tensiunea generată de fiecare contact va fi aceeiaşi dar de semn contrar asfel încât căderea de tensiune per ansamblu va fi egală cu zero. Dacă în schimb, încălzim contactele din stânga şi le răcim pe cele din dreapta, căderea de tensiune pe fiecare contact din stânga va fi mai mare decât căderea de tensiunea pe fiecare contact din dreapta, rezultând o cădere de tensiune per ansamblu ce se traduce prin suma tuturor diferenţelor căderilor de tensiune dintre contacte. Acest lucru este aplicat în cazul unei termopile. În acest caz aplicăm o sursă de căldură (combustie, substanţe radioactive, căldură solară, etc.) unui set de contacte iar celălalt set este ţinut la temperatură cât mai joasă (răcit cu aer sau apă). Şi mai interesant este faptul că, în timp ce electroni se deplasează printr-un circuit electric extern conectat termopilei, există un transfer de energie sub formă de căldură dinspre contactele calde spre cele reci, demonstrând un alt efect termo-electric, efectul Peltier, şi anume, transfelul căldurii prin intermediul curentului electric.

O altă aplicaţie a termocuplelor este măsurarea temperaturii medii între mai multe locatii. Cel mai uşor mod de realizare a acestei măsurători este prin conectarea câtorva termocuple în paralel, asfel încât se va face o medie a tuturor semnalelor de ordinul milivolţilor la punctul de contact dintre termocuple.

Din păcate, media ditre aceste tensiuni Seebeck este precisă doar dacă rezistenţa firelor fiecărei termocuple este egală. Dacă termocuplele sunt amplasate în locatii diferite iar firele lor conectate în paralele se întâlnesc într-o singură locaţie, este puţin probabil ca lungimile acestora să fie egale. Termocupla cu cea mai mare lungime a firelor din punctul de măsura la conexiunea paralel va tinde să aibă şi cea mai mare rezistenţă şi prin urmar cel mai mic efect asupra mediei finale a tensiunii produse.

Pentru compensarea acestui fenomen, se pot adăuga rezistenţe suplimentare fiecărei termocuple din conexiunea paralel pentru a aduce rezistenţele tuturor cât mai apropiate ca valoare. Dacă nu este posibilă instalarea unor rezistori diferiţi, specifici fiecărei ramuri (pentru ca toate rezistenţele termocuplelor să fie egale), se pot instala totuşi rezistori cu valori egale, dar mult peste cele ale termocuplei asfel încât impactul rezistenţei firelor asupra măsurătorii să fie cât mai mic posibil.