Masurarea marimilor neelectrice - traductoare

MASURAREA MARIMILOR NEELECTRICE - TRADUCTOARE

1 Traductoare. Definitie

Conducerea unui proces presupune informatii cat mai corecte si cat mai complete asupra parametrilor marimilor fizice care caracterizeaza acel proces.

In cazul unui proces neautomatizat, condus manual de un operator, marimile fizice care nu sunt accesibile simturilor umane sunt masurate, dupa cum s-a vazut, cu aparate de masurat. Pe baza indicatiilor lor, operatorul uman supravegheaza procesul si ia decizii corespunzatoare.

In cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face fara interventia omului, pe baza informatiilor culese din proces cu ajutorul traductoarelor. Privite din acest punct de vedere, traductoarele pot fi definite ca dispozitive care stabilesc o corespondenta intre marimea fizica de masurat si o marime electrica cu un domeniu de variatie calibrat, apta de a fi receptionata si prelucrata de echipamentele de conducere a procesului (regulatoare, calculatoare de proces etc.). Traductoarele sunt elemente tipice inglobate in sistemele de automatizare.

Ele pot aparea si in alte domenii - cercetare, analize de laborator - fiind incluse in lanturi de masurare complexe, care sunt conduse automat.

Traductoarele pot fi definite deci ca dispozitive care realizeaza conversia unor marimi fizice (temperatura, deplasare, presiune, forta etc.) in alte marimi fizice, cel mai adesea electrice, sau a unor marimi electrice in alte marimi electrice, in scopul masurarii parametrilor acelor marimi si informarii, respectiv luarii unor decizii in consecinta.

1.1 Pozitia traductoarelor in sistemele automate. Semnale furnizate

Schema de principiu a unui sistem de reglare conventional contine urmatoarele elemente (fig.1):
- regulator;
- element de executie;
- proces;
- traductor;
- element de comparare.

Marimile care intervin sunt:
y_REF - marime de referinta;
y - valoare momentana;
 - eroare;
u - marime de comanda;
w - marime de executie;
x - marime din proces reprezentand parametrul reglat;
v - perturbatie din exteriorul procesului.

Daca procesul este condus cu un calculator de proces, schema bloc arata ca in fig. 2, in care:
CP - calculator de proces;
CP - consola operator;
PG - periferice generale;
CU - calculator universal;
SIE - sistemul de interfata al iesirilor;
SII - sistemul de interfata al intrarilor;
SIA - sistem de interfata pentru intrari analogice;
SIN - sistem de interfata pentru semnale numerice;
P - proces; - EE - element de executie; - T - traductor.

Se observa ca in ambele scheme traductoarele sunt situate pe calea informationala avand sensul de transmisie de la proces catre sistemul de conducere, cuplate cu:

intrarile - la instalatiile tehnologice in care are loc procesul, conectarea fiind functie de natura fenomenelor analizate: mecanica, electrica, etc.;

iesirile - la dispozitivele de automatizare, depinzand de caracteristicile constructive ale acestora.

semnalele de iesire ale traductoarelor sunt de natura:
electrica (tensiuni, curenti) - marea majoritate a echipamentelor de conducere fiind electrice sau electronice;

pneumatice (aer sub presiune) - in medii cu pericol de explozie sau incendiu, in care elementele electrice sunt interzise datorita riscului potential de producere de scantei prin arc electric.

Semnalele de iesire ale traductoarelor variaza, indiferent de domeniul de valori al marimii de intrare intr-o gama fixata. Aceste domenii de variatie ale semnalelor se numesc semnal unificat, regulatorul putand fi astfel adaptat la un traductor de orice natura avand aceasta gama de semnal.

Tinand cont de diversitatea marimilor care intervin in procese, traductoarele raman elementele cu cea mai mare diversitate din sistemele de automatizare.

2 Structura generala a unui traductor

Se da in fig. 3. Elementele componente sunt:

a) Elementul sensibil ES (detector, captor, senzor) este elementul specific pentru detectarea marimii fizice care intereseaza. El are capacitatea de a elimina sau reduce la minim influentele exercitate de alte marimi decat cea care se masoara si care actioneaza simultan asupra traductorului. Sub actiunea marimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil care contine informatia necesara determinarii valorii acelei marimi. Modificarea presupune un consum energetic care poate fi luat:

- din proces, in raport cu fenomenul fizic, cu puterea marimii de intrare, cu cota din aceasta care poate fi cedata fara a-i afecta valoarea;

- de la o sursa auxiliara de energie, cand modificarea de stare are ca efect variatii ale unor parametri de material, a caror evidentiere necesita o sursa auxiliara.

In oricare din situatii, informatia asupra modificarii de stare nu poate fi folosita ca atare, ci necesita prelucrari ulterioare.

b) Adaptorul A are rolul de a adapta informatia de la iesirea elementului sensibil la cerintele impuse de aparatura de automatizare utilizata. Functii realizate de adaptor:
- adaptare

- de nivel;

- de putere (impedanta);

- comparatia cu unitatea de masura adoptata, prin conversia variatiilor de stare ale elementelor sensibile in semnale calibrate reprezentand valoarea marimii de intrare.

Comparatia poate fi:

- simultana, cand marimea etalon exercita o actiune permanenta;

- succesiva, cand marimea etalon este aplicata din exterior, initial, in cadrul operatiei de calibrare, anumite elemente constructive memorand efectele sale si utilizandu-le ulterior in procesul de masurare;

- operatii asupra marimii: in functie de legile fizice pe care se bazeaza detectia, ele pot fi:

- liniare (atenuare, amplificare, sumare, integrare, diferentiere);
- neliniare (produs, ridicare al putere, logaritmare);

- realizarea unor functii neliniare particulare intentionat introduse pentru compensarea neliniaritatilor inerente si asigurarea unei dependente globale intrare - iesire liniare in cadrul traductorului.

Adaptoarele pot fi:

- electrice (electronice) - furnizeaza la iesire semnal electric;

- pneumatice - furnizeaza semnal pneumatic.

Dupa forma de variatie a semnalului, se impart in:

- analogice, care presupun o variatie continua a unui parametru caracteristic, in semnal unificat, cum ar fi:

- c.c.: 0,5 5 mA; 210 mA; 420 mA;

- tensiune continua: 010 V; 020 V; -10+10 V;

- presiune (aer): 2010 kN/m²;

- numerice - cand sunt prevazute cu CAN (convertoare analog - numerice). S-au impus prin folosirea pe scara tot mai larga a echipamentelor de reglare numerica si a calculatoarelor de proces. Codurile numerice de iesire trebuie sa fie compatibile cu echipamentele (interfetele calculatoarelor), impunand o standardizare si a semnalelor numerice furnizate de traductoare. Cele mai folosite coduri sunt:

- binar natural pe 8, 10, 12, 16 biti;

- binar codificat zecimal (BCD) pe 2, 3, 4 decade.

c) Elemente de transmisie - sunt elemente auxiliare care realizeaza conexiuni electrice, mecanice, optice sau de alta natura in situatiile in care tehnologiile de realizare a traductorului o impun.

d) Sursa de energie , necesara in cele mai frecvente cazuri, pentru a menaja energia semnalului util.

3 Caracteristici si performante

Caracteristicile functionale reflecta modul in care este realizata relatia de dependenta intrare - iesire, tinand cont de structura interna a traductorului. Ele sunt concepute ideal, dar practic rezulta diferit, reale.

Performantele traductorului sunt indicatori care permit aprecierea gradului in care caracteristicile reale se apropie de cele ideale.

3.1 Caracteristici si performante de regim stationar. Caracteristici statice

Caracteristicile si performantele de regim stationar se refera la situatia in care marimile de intrare si de iesire din traductor nu variaza. Acest regim se caracterizeaza cu ajutorul caracteristicilor statice.

Caracteristica statica idealizata a unui traductor este reprezentata de relatia intrare - iesire:

(1)
in care y si x indeplinesc cerintele unei masurari statice. Relatia de dependenta poate fi exprimata analitic sau poate fi data grafic printr-o curba trasata pe baza perechilor de valori (x,y).

Caracteristica reala a unui traductor reflecta insa si influenta unor marimi perturbatoare, externe (temperatura, presiune umiditate, etc.), cat si interne (zgomot de rezistoare, frecari in lagare, imbatranire, etc.):

(2)

Admitand ca influentele marimilor perturbatoare nu depasesc eroarea tolerata si in ipoteza liniaritatii traductorului, forma uzuala pentru caracteristica statica a traductoarelor analogice este:

(3)
in care x₀ si y₀ pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero.

Pentru traductoare sunt tipice caracteristicile statice liniare; numai in cazuri particulare, impuse de sistemul automat, apar caracteristici neliniare.
- liniara unidirectionala:

- proportionala bidirectionala:

- liniara pe portiuni, cu zona de insensibilitate si saturatie:

- liniara pe portiuni, cu zona de insensibilitate, saturatie si histerezis:

Pentru traductoarele numerice caracteristica este cvasiliniara. Cu exceptia discontinuitatilor introduse de cuantificare, care pot fi reduse la valori tolerate micsorand cuanta  x, caracteristica statica a unui traductor cu iesire numerica poate fi considerata liniara (fig. 4).

3.1.1 Erori de neliniaritate si de histerezis

Eroarea de neliniaritate (abaterea de la liniaritate) este o masura pentru evaluarea aproximarii liniaritatii caracteristicii. Liniarizarea se realizeaza in modul urmator: se considera domeniul (x_min ,x_max) in care se face liniarizarea; intre punctele A si B corespunzatoare de pe caracteristica se traseaza dreapta reprezentand curba liniarizata. Cea mai mare din diferentele  y,  y se numeste abaterea absoluta de le liniaritate:

(4)

O abatere similara se poate calcula in oricare din punctele domeniului, inlocuind diferenta de la numarator in relatia (4) cu abaterea din punctul respectiv.

Fenomenul de histerezis se manifesta prin aceea ca se obtin doua nivele diferite ale semnalelor de iesire pentru aceeasi valoare a semnalului de intrare, in functie de sensul crescator sau descrescator al variatiei acestuia la atingerea valorii respective. Eroarea de histerezis este data de diferenta dintre cele doua nivele ale semnalului de iesire.

3.1.2 Domeniul de masurare

Se exprima prin intervalul x_minx_max in cadrul caruia traductorul permite efectuarea corecta a masurarii. El se situeaza de regula in zona liniara a caracteristicii.
La traductoarele cu semnal unificat, limitele de iesire y_min y_max se mentin aceleasi, indiferent de limitele x_min x_max.

3.1.3 Sensibilitatea

Admitand caracteristica ideala y = f(x) , sensibilitatea este data de derivata functiei f(x):

(5)

sau  (6)

relatii valabile pentru o caracteristica liniara.

Pentru o caracteristica neliniara:

(7)
x, y sunt variatiile reduse in jurul punctului (x,y). Sensibilitatea astfel definita se numeste sensibilitate diferentiala.

Unitatile de masura depind de unitatile de masura ale marimilor de intrare si de iesire.

Daca marimile sunt de aceeasi natura si raportul este supraunitar, el se numeste factor de amplificare, daca este subunitar se numeste factor de atenuare.

Cand domeniul este foarte extins pentru marimea de intrare, se prefera exprimarea prin logaritmul raportului marimilor de iesire si de intrare:
(8)

Sensibilitatea relativa se defineste ca raport intre variatia relativa a marimii de iesire si variatia relativa a marimii de intrare:

(9)
fiind intotdeauna adimensionala. Este utila cand se compara traductoare cu domenii diferite.

3.1 Caracteristici si performante de regim stationar. Caracteristici statice

Caracteristicile si performantele de regim stationar se refera la situatia in care marimile de intrare si de iesire din traductor nu variaza. Acest regim se caracterizeaza cu ajutorul caracteristicilor statice.

Caracteristica statica idealizata a unui traductor este reprezentata de relatia intrare - iesire:

(1)
in care y si x indeplinesc cerintele unei masurari statice. Relatia de dependenta poate fi exprimata analitic sau poate fi data grafic printr-o curba trasata pe baza perechilor de valori (x,y).

Caracteristica reala a unui traductor reflecta insa si influenta unor marimi perturbatoare, externe (temperatura, presiune umiditate, etc.), cat si interne (zgomot de rezistoare, frecari in lagare, imbatranire, etc.):

(2)

Admitand ca influentele marimilor perturbatoare nu depasesc eroarea tolerata si in ipoteza liniaritatii traductorului, forma uzuala pentru caracteristica statica a traductoarelor analogice este:

(3)
in care x₀ si y₀ pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero.

Pentru traductoare sunt tipice caracteristicile statice liniare; numai in cazuri particulare, impuse de sistemul automat, apar caracteristici neliniare.

• liniara unidirectionala:  

• proportionala bidirectionala:

• liniara pe portiuni, cu zona de insensibilitate si saturatie:

• liniara pe portiuni, cu zona de insensibilitate, saturatie si histerezis:

Pentru traductoarele numerice caracteristica este cvasiliniara. Cu exceptia discontinuitatilor introduse de cuantificare, care pot fi reduse la valori tolerate micsorand cuanta  x, caracteristica statica a unui traductor cu iesire numerica poate fi considerata liniara (fig. 4).

3.1.1 Erori de neliniaritate si de histerezis

Eroarea de neliniaritate (abaterea de la liniaritate) este o masura pentru evaluarea aproximarii liniaritatii caracteristicii. Liniarizarea se realizeaza in modul urmator: se considera domeniul (x_min ,x_max) in care se face liniarizarea; intre punctele A si B corespunzatoare de pe caracteristica se traseaza dreapta reprezentand curba liniarizata. Cea mai mare din diferentele  y,  y se numeste abaterea absoluta de le liniaritate:

(4)

O abatere similara se poate calcula in oricare din punctele domeniului, inlocuind diferenta de la numarator in relatia (4) cu abaterea din punctul respectiv.

Fenomenul de histerezis se manifesta prin aceea ca se obtin doua nivele diferite ale semnalelor de iesire pentru aceeasi valoare a semnalului de intrare, in functie de sensul crescator sau descrescator al variatiei acestuia la atingerea valorii respective. Eroarea de histerezis este data de diferenta dintre cele doua nivele ale semnalului de iesire.

3.1.2 Domeniul de masurare

Se exprima prin intervalul x_minx_max in cadrul caruia traductorul permite efectuarea corecta a masurarii. El se situeaza de regula in zona liniara a caracteristicii.
La traductoarele cu semnal unificat, limitele de iesire y_min y_max se mentin aceleasi, indiferent de limitele x_min x_max.

3.1.3 Sensibilitatea

Admitand caracteristica ideala y = f(x) , sensibilitatea este data de derivata functiei f(x):

(5)

sau  (6)
relatii valabile pentru o caracteristica liniara.

Pentru o caracteristica neliniara:

(7)
x, y sunt variatiile reduse in jurul punctului (x,y). Sensibilitatea astfel definita se numeste sensibilitate diferentiala.

Unitatile de masura depind de unitatile de masura ale marimilor de intrare si de iesire.

Daca marimile sunt de aceeasi natura si raportul este supraunitar, el se numeste factor de amplificare, daca este subunitar se numeste factor de atenuare.

Cand domeniul este foarte extins pentru marimea de intrare, se prefera exprimarea prin logaritmul raportului marimilor de iesire si de intrare:

(8)

Sensibilitatea relativa se defineste ca raport intre variatia relativa a marimii de iesire si variatia relativa a marimii de intrare:

(9)
fiind intotdeauna adimensionala. Este utila cand se compara traductoare cu domenii diferite.

3.1.4 Rezolutia

Intervalul maxim de variatie al marimii de intrare necesar pentru producerea unui salt la semnalul de iesire se numeste rezolutie.

Este utilizata indeosebi in cazul traductoarelor numerice, fiind exprimat prin numarul de biti. De exemplu, pentru un semnal de iesire in cod binar natural de 10 biti se deduce ca domeniul de masurat x_maxx_min este cuantificat in 2¹⁰ = 1024 nivele posibile (inclusiv zero), ceea ce conduce la o rezolutie de cca. 0,1 % din valoarea domeniului.

Rezolutia este un indicator de performanta si pentru traductoare considerate analogice (ex. traductoare de deplasare liniara sau unghiulara bobinate la care variatiile de rezistenta prezinta un salt la trecerea cursorului de pe o spira pe alta).

Rezolutia poate sa nu fie aceeasi pe intreg domeniul de masurare, luandu-se in considerare fie valoarea maxima, fie o valoare medie (cand diferentele nu sunt prea mari), exprimate in procente din domeniu.

3.1.5 Pragul de sensibilitate

Se defineste ca fiind cea mai mica variatie a marimii de intrare care poate determina o variatie sesizabila (masurabila) a semnalului de iesire.

Pragul de sensibilitate depinde de urmatorii factori principali perturbatori:
zgomotul din circuitele electrice;

frecari statice;

jocuri in angrenajele mecanice.

Pragul de sensibilitate nu poate fi coborat sub o anumita limita minima impusa de zgomotul de agitatie termica. Pentru aparatele reale se defineste factorul de zgomot:

(10)
unde:

- P_zi este puterea de zgomot instrumental;

- P_zp este putere de zgomot propriu.

Ca o concluzie:

rezolutia trebuie privita ca o caracteristica de iesire;

sensibilitatea ca o caracteristica de transfer;

pragul de sensibilitate ca o caracteristica de intrare.

Calitatea traductoarelor este cu atat mai buna cu cat sensibilitatea este mai mare si cu cat rezolutia si pragul de sensibilitate au valori mai reduse.

3.1.6 Precizia

Analogia cu aparatele de masura continua si in privinta erorilor comise la masurarile cu traductoare. Teoria erorilor este valabila si in cazul acestora.

Indicatorul esential de precizie este eroarea admisibila (tolerata), obtinuta prin insumarea unor componente elementare de eroare.

Pentru unificarea reprezentarii cantitative a preciziei traductoarelor, similar cu situatia aparatelor de masurat, se utilizeaza indicatorul clasa de precizie. Se da in procente, valorile sale, numite la fel, indice al clasei de precizie, fiind: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5.

Eroarea totala de aparat, sub forma absoluta, prin care se poate exprima corect precizia masurarii, in conditii reale de functionare, este:
(11)
unde:

-  X_b este eroarea tolerata intrinseca (determinata in principal de clasa de precizie);

-  X_s este eroarea suplimentara (determinata de variatia marimilor de influenta (de mediu, exterioare)).

In cazul traductoarelor numerice, avand in vedere conversia analog - numerica, cele expuse pentru traductoarele analogice pot fi extinse si pentru ele. Mai apare in plus:

- eroarea de cuantificare - eroarea inerenta de metoda egala cu 1/2 din intervalul de cuantificare  x (bitul cel mai putin semnificativ) si care se poate micsora prin reducerea intervalului  x.

3.2 Caracteristici si performane de regim dinamic

Regimul dinamic al unui traductor corespunde funcionarii acestuia in situaia in care marimea de masurat, deci semnalul lui de iesire, variaza in timp. Studierea acestui regim este importanta prin faptul ca traductoarele, fiind incluse uzual in sisteme automate, se afla in mod obisnuit intr-un astfel de regim.

3.2.1 Modalitati de caracterizare a regimului dinamic

Considerand traductorul ca un element liniar cu o intrare si o iesire, funcionarea in regim dinamic este caracterizata de o ecuaie difereniala de forma:
(12)
unde x^(q)(t) si y^(k)(t) sunt derivatele in raport cu timpul de ordinul q si k ale marimii de intrare x(t), respectiv de iesire y(t), cu coeficienii a_k si b_q constanti.

Forma generala a soluiei ecuaiei este:

(13)
unde:
- y_tl(t) este componenta tranzitorie libera, care nu depinde de intrare, fiind determinata numai de dinamica traductorului si de condiiile iniiale nenule de la iesire;
- y_tf(t) este componenta tranzitorie forata, care depinde atat de dinamica traductorului cat si de intrare;
- y_sf(t) este componenta forata de regim stabilizat sau permanent, in care, datorita liniaritaii, se regaseste forma de variaie a intrarii.

Relatia (9.13) evideniaza faptul ca regimul dinamic comporta o parte tranzitorie si una permanenta (stabilizata).

Traductorul ideal din punctul de vedere al comportarii dinamice ar fi acela la care componentele tranzitorii nu ar exista si deci, variaiile intrarii s-ar regasi intotdeauna la iesire, amplificate sau atenuate, conform caracteristicilor statice. Practic acest lucru nu este posibil, componentele tranzitorii exista, valorile si durata lor depinzand de caracteristicile dinamice.

Pentru rezolvarea ecuaiei difereniale (9.12) se adopta ca ipoteze simplificatoare condiii iniiale nule si, aplicand transformata Laplace, se obine:
(14)
Prin definiie raportul: (15)

poarta numele de funcie de transfer. Ea permite o exprimare algebrica si deducerea raspunsului la orice intrare:

(16)

Functia de transfer permite o corelare intre analiza teoretica a regimului dinamic si determinarile experimentale. Exista astfel doua metodologii de interpretare a caracteristicilor experimentale prin prisma semnificaiei funciei de transfer:
- in domeniul timp, pe baza raspunsului la funcia impuls sau treapta, inand seama de interpretarea funciei de transfer ca transformata Laplace a raspunsului la impuls Dirac;
- in domeniul frecvena, pe baza raspunsului permanent armonic (la marime de intrare sinusoidala).

Prin prima metodologie se poate lucra cu marime de intrare tip impuls Dirac si, trecand prin funcia pondere, sa se deduca prin transformata Laplace funcia de transfer. Mai accesibila este insa aplicarea la intrare a unui semnal treapta, raspunsul sistemului purtand numele in acest caz de funcia indiciala.

A doua metodologie presupune aplicarea la intrare a unui semnal sinusoidal de forma x = Xsin t.

Marimea de iesire in regim stabilizat va avea amplitudinea si faza dependenta de frecventa:

(17)
sau, sub forma complexa:

(18)

Prin legatura intre transformata Laplace si transformata Fourier, din relaiile (16) si (18) se deduce:

(19)

cu X() constant.

Valorile modulului H( ), pentru  reprezinta caracteristica amplitudine - pulsatie, iar  caracteristica faza - pulsatie, a caror ridicare experimentala permit, prin relatiile (19) si (15), deducerea functiei de transfer.

3.2.2 Indicatori de performane dinamice dedusi din caracteristici experimentale in domeniul timpului

Principala caracteristica experimentala utilizata este funcia indiciala (raspunsul la semnal treapta).

S-a reprezentat in fig.6 funcia indiciala a unui element de intarziere de ordinul II oscilatoriu amortizat, pe care se definesc:

- eroarea sau abaterea dinamica _D ca diferena dintre valoarea curenta y(t) si valoarea stabilizata:

(20)

Ea este reprezentata de componenta tranzitorie forata, scazand cu timpul si tinzand sa se anuleze;

- timpul tranzitoriu (timpul de raspuns) t_t - este durata in care eroarea dinamica devine mai mica decat banda de proporionalitate:
(21)

- banda de proporionalitate - nu este unanim definita. In cazul traductoarelor se adopta 1-2 % din y_s.

Timpul t_t este o masura a vitezei de lucru a traductorului. Uneori se foloseste si:
- timpul de crestere t_c - durata in care iesirea evolueaza de la 0,1 y_s la 0,9 y_s (10 %90% din y_s);

- pulsatia oscilaiilor  se defineste prin durata dintre doua maxime succesive;
- supracresterea  (reprezinta primul maxim al iesirii si depinde numai de factorul de amortizare  . Evalueaza efectele variaiilor bruste ale marimii de intrare.

3.2.3 Indicatori rezultai din caracteristica de frecventa

Cunoscand ca de regula traductoarele au caracteristici de filtru trece - jos, adica lasa sa treaca si eventual amplifica frecvenele joase, atenuand pe cele inalte, apare necesitatea stabilirii unui domeniu de frecvena:

- largimea de banda de trecere se defineste pentru elementele cu caracteristica trece - jos prin valoarea pulsaiei _B pentru care modulul H( ) nu scade la o valoare mai mica de din cea corespunzatoare pulsatiei  =0:

(22)

sau, sub forma logaritmica:

(23)
Largimea de banda trebuie aleasa suficient de mare in raport cu frecvena maxima de masurat, dar o crestere exagerata a ei permite transmiterea si amplificarea zgomotelor de frecvente ridicate;

- pulsatia de rezonanta _r este pulsatia la care amplitudinea are valoare maxima:
(24)
unde _n este pulsatia naturala a elementului.

3.2.4 Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice

Pentru traductoare numerice care opereaza cu marimi esantionate, caracteristicile dinamice sunt descrise cu ajutorul ecuaiilor cu diferene finite sau al funciilor de transfer in variabila complexa , unde T este perioada de esantionare.

In cazul unor traductoare analogice cuplate cu CAN problema este mai usoara. Se defineste:

- timpul de stabilire total ca suma dintre timpul tranzitoriu al traductorului analogic si timpul de conversie t_N al CAN (durata necesara generarii codului numeric dupa aplicarea semnalului analogic la intrare). Acest al doilea timp depinde de:

- tehnica de conversie (cu numarare, aproximari succesive, cu dubla panta, etc.);

- numarul de bii al codului furnizat;

- viteza de operare a circuitelor electronice.

Prin analogie, rata de conversie este numarul de conversii posibile in unitatea de timp.

Cunoscand timpul de conversie se pot face evaluari asupra vitezei de variaie si a benzii de frecvena a semnalului care poate fi convertit, stabilind corelaiile cu performanele dinamice cerute de sistemul automat.

Trebuie observat ca timpii de conversie ai unui CAN electronic sunt mult mai mici decat timpii de stabilire ai unor elemente sensibile de natura numerica.

3.3 Caracteristici energetice

Puterea consumata in procesul de masurare poate fi luata partial sau total de al marimile de masurat, ele putand fi clasificate din acest punct de vedere in marimi:

- active, care pot asigura aceasta putere;

- pasive, care necesita o sursa de energie auxiliara.

Oricarei marimi X supuse masurarii i se poate asocia o marime J astfel incat produsul XJ sa reprezinte o putere. Raportul lor este in acest caz de natura unei impedante - impedanta generalizata (metrologica):

(25)
unde:

- Z_s este impedanta sursei;

- Z_m este impedanta mijlocului de masura.

Este de dorit ca Z_m sa fie cat mai mare pentru ca puterea solicitata de aparat sa fie cat mai mica.

Obtinerea unei impedante cat mai mari este o preocupare permanenta si la realizarea traductoarelor.

Se pune si problema adaptarii impedantei Z_m in raport cu cea a sursei Z_s, astfel incat consumul energetic si deci eroarea sa se mentina in limite stranse.

Adaptarea de nivel (amplitudine) presupune:

- micsorarea amplitudinii marimii de masurat X (transformatoarele de masurare de curent si de tensiune, parghiile pentru forte si deplasari, pistoane cu sectiuni diferite pentru presiuni);

- folosirea de amplificatoare de masurare, cand marimea de intrare e deja redusa, ceea ce presupune deja o sursa auxiliara. Se realizeaza in acest fel si adaptarea de putere.

Pentru marimile pasive, folosirea unei surse auxiliare devine obligatorie.

Pentru caracterizarea puterii cerute de la marimea de masurat, la un traductor se precizeaza impedanta de intrare, iar pentru sursa auxiliara natura sa (c.c. sau c.a.), valoarea parametrului (tensiune, curent) si limitele admise de variatie.

Pentru cuplarea cu aparatul de masura receptor, se precizeaza parametrii semnalului de iesire al traductoarelor, cea ce impune impedanta de intrare a acestuia.

3.4 Caracteristici constructive

Indicatorii acestor caracteristice vizeaza modul in care traductoarele isi pastreaza caracteristicile functionale sub actiunea marimilor de influenta.

Principalele caracteristici constructive sunt:

robustetea - consta in limitarea la maxim a restrictiilor impuse traductoarelor privind conditiile de socuri, vibratii, variatii mari de temperatura, umiditate, presiune, agenti nocivi chimici sau biologici, ale parametrilor sursei de alimentare;

capacitatea de supraincarcare defineste proprietatea unui traductor de a suporta valori ale marimii de masurat care depasesc limita superioara a domeniului, fara ca prin aceasta sa rezulte modificari ale performantelor functionale (liniaritate, sensibilitate, precizie) sau deteriorari constructive. i se asociaza un timp, efectele distructive depinzand si de durata. Pe timp scurt se numeste soc, pe timp mai lung, suprasarcina;

protectia climatica este constituita din ansamblul de masuri care se iau in cadrul calculelor de dimensionare si alegere a materialelor, pieselor si componentelor in proiectarea formei si detaliilor constructive, in special ale carcasei, in stabilirea acoperirii suprafetelor si a tehnologiei de executie pentru a se asigura ca actiunea complexa a factorilor climatici pe o anumita durata sa nu influenteze nefavorabil asupra proprietatilor functionale;

protectia contra exploziilor cuprinde masurile specifice aplicate in constructia si montarea traductoarelor - electrice si electronice in special - in scopul de a evita aprinderea atmosferei explozive exterioare de catre acestea in diverse regimuri de functionare;

protectia anticoroziva consta in evitarea corodarii suprafetelor de contact ale traductoarelor la venirea in contact cu diverse tipuri de fluide (acizi, baze, saruri) cu actiune coroziva;

gradele normale de protectie sunt masuri stabilite prin normative standardizate prin care se asigura o serie de protectii specifice utilajelor electrice, precum: protectia persoanelor contra atingerii partilor interioare aflate sub tensiune, protectia contra patrunderii corpurilor straine solide, a apei, contra deteriorarilor mecanice. Sunt simbolizate prin literele IP urmate de doua sau trei cifre. Pentru traductoarele electrice protejate suplimentar contra intemperiilor se intercaleaza litera W intre IP si cifrele care urmeaza.

3.4.1 Efectele socurilor si vibratiilor mecanice. Asigurarea impotriva lor

Jocurile si vibratiile au efecte in special asupra rigiditatii structurilor mecanice, mecanismelor de cuplare si organelor de fixare. Pot fi influentate si contactele electrice si se pot produce ruperi ale conductoarelor. Daca vibratiile au frecventa variabila, exista pericolul atingerii frecventei proprii de rezonanta a structurilor mecanice. Jocurile pot produce deteriorari mecanice, degradari ale partilor electronice (smulgeri, deplasari ale plachetelor, circuitelor etc.).

Masurile care se iau pentru asigurarea traductoarelor impotriva acestor efecte constau in rigidizarea corespunzatoare a pieselor componente si subansamblurilor, alegerea unor jocuri optime pentru piesele mobile, reducerea momentelor de inertie si calibrarea corecta a pieselor aflate in rotatie, prevederea de elemente amortizoare, miniaturizarea. Se prevad probe de incercare la socuri si vibratii, cu anumite frecvente, pe diferite durate.

Pentru fiecare tip de traductor se specifica gama de vibratii - ca frecventa si amplitudine - la care rezista.

3.4.2 Fiabilitatea traductoarelor

Proprietatea ca traductoarele sa functioneze in limitele parametrilor lor, fara defectare, un timp cat mai indelungat, defineste in sens larg fiabilitatea.

Posibilitatea de prevenire, depistare si inlaturare a defectiunilor asigura proprietatea de reparabilitate. Proprietatea ca dupa reparatii traductorul sa-si reia capacitatea de functionare se numeste restabilire.

Drept masura a fiabilitatii - cantitativ - se considera probabilitatea functionarii fara defectiuni in decursul unui intervale timp, in conditii date.

Intervalul de timp T in care un traductor functioneaza fara defecte se numeste timp de buna functionare.

Alti indicatori de fiabilitate:

- frecventa de aparitie a defectelor - estimata prin numarul de defectiuni  N care apar intr-un interval de timp  t la lotul de aparate N₀:

(26)

- rata defectarii  (t) este densitatea de reaparitie a defectarii la momentul t, conditionata de faptul ca aparatul respectiv a functionat fara defectiuni pana la momentul considerat.

Functia de fiabilitate:

(27)

Daca  (t) =  este constanta:

(28)

Media timpului de buna functionare:

(29)
si deci:

(30)

Probabilitatea ca timpul e functionare sa fie T₀ este R(T₀) = e^-1 = 0,37.

4 Componente principale ale traductoarelor

4.1 Elemente sensibile

Constituie partea cea mai diversificata a traductoarelor, ele fiind acelea care permit detectarea marimii de masurat din ansamblul de marimi care actioneaza in mediul inconjurator.

Elementele sensibile impun si clasificarea traductoarelor, doua din clasificari fiind mai importante:

dupa principiul conversiei marimii fizice aplicate la intrare elementele sensibile se impart in:

o      parametrice

o      - generatoare;

dupa natura marimii fizice de masurat, ele se clasifica in tipuri care poarta denumirea domeniului de aplicatie: elemente sensibile pentru deplasare, viteza, forta, etc.

Aceasta clasificare este legata mai mult de aspectele concrete de utilizare, de adaptarea cat mai corecta a unui traductor pentru o aplicatie data.

4.1.1. Elemente sensibile de tip parametric

Elementele sensibile parametrice sau modulatoare sunt utilizate cand marimea de masurat este pasiva, adica nu are asociata o putere suficienta sau fenomenul fizic pe care se bazeaza conversia nu permite obtinerea directa a unui semnal electric. Denumirea de elemente parametrice provine din faptul ca marimea de intrare (neelectrica) determina variatia proprietatilor de material care sunt de natura unui parametru electric de circuit rezistivitate, inductivitate, capacitate sau combinatii.

Pentru evidentierea acestor variatii e necesara prevederea unor surse auxiliare de energie. Aceasta sursa genereaza de regula o tensiune sau un curent electric constant, modulate de variatia parametrului respectiv, obtinandu-se un semnal electric ale carui variatii le reproduc pe cele ale marimii de masurat.

Conversia unor marimi neelectrice - mecanice, calorice, procese chimice, radiatii - se bazeaza pe dependenta parametrilor respectivi la unele materiale conductoare, semiconductoare sau dielectrice de aceste marimi. Exemple:
(31)

Se observa usor posibilitatea influentarii acestor parametri prin modificari geometrice; prin asocierea cu alte elemente de natura mecanica pot deveni sensibile la forte, vibratii, sau, prin actiunea unor marimi externe: temperaturi, umiditate, concentratii, campuri magnetice.

4.1.2 Elemente sensibile de tip generator

Sunt utilizate in cazul marimilor active care au asociata o putere ce poate fi utilizata pentru conversie fara a afecta valoare marimii masurate. Nu mai sunt necesare surse auxiliare, elementul sensibil fiind de asa natura, incat sub actiunea marimii de intrare furnizeaza la iesire un curent, o tensiune sau o sarcina electrica.

Cu toate acestea, pentru a influenta cat mai putin marimile de masurat, pentru a asigura o adaptare de impedanta cu circuitele receptoare, pentru adaptoare sunt necesare surse de energie si in cazul elementelor generatoare.

Exista o mare diversitate de fenomene fizice pe care se bazeaza realizarea de elemente sensibile de tip generator: inductia electromagnetica, termoelectricitatea, piezoelectricitatea, magnetostrictiunea etc.

Elementele sensibile de tip generator prezinta in principiu avantajul unei cuplari mai usoare si a unei structuri mai simple a adaptorului, intrucat nu mai necesita conversia parametrului de circuit intr-un semnal electric.

In activitatea de proiectare si conceptie primeaza clasificarea elementelor sensibile generatoare dupa fenomenul fizic pe care se bazeaza conversia, pe cand din punctul de vedere al utilizatorului primeaza clasificarea lor in functie de marimea fizica pe care o pot detecta.

Adesea aceleasi tipuri de elemente sensibile pot fi aplicate pentru detectarea unor marimi fizice foarte diferite, si invers, aceeasi marime fizica poate fi masurata cu mai multe tipuri de elemente sensibile, selectarea celei optime facandu-se in functie de conditiile concrete ale fiecarei aplicatii.

4.2 Adaptoare electronice

Au rolul de a converti marimea generata de elementul sensibil in semnal electric de iesire al traductorului. Intrucat aceasta operatie presupune circuite si blocuri electronice, se utilizeaza denumirea de adaptoare electronice.

Standardizarea echipamentelor a impus standardizarea semnalelor de iesire in semnale unificate. Pentru acelasi tip de semnal unificat, etajele de iesire ale adaptoarelor sunt similare, diferente importante aparand pe partea de intrare, in functie de elementul sensibil folosit.

4.2.1 Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric

Se caracterizeaza prin aceea ca au la intrare scheme specifice marimilor de circuit R,L,C.

Cel mai frecvent sunt realizate scheme cu punti de c.c. sau c.a. functionand in regim dezechilibrat. Semnalul de dezechilibru este amplificat, aplicat etajului de iesire care il converteste in semnal unificat. Pentru reducerea influentei perturbatiilor se prevede de regula o reactie negativa care sa cuprinda cat mai multe din blocurile componente.

In cazul unor elemente cu neliniaritati importante se prevad blocuri de liniarizare, sub forma unor generatoare de functii situate fie pe calea directa, fie pe calea de reactie. De asemenea, uneori sunt necesare blocuri de calcul, multiplicatoare, extractoare de radical, ridicare la patrat, mediere, filtrare.

Exemplu: schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil de tip rezistiv (fig.7), unde:

SM - schema de masura tip punte Wheatstone;

BC - bloc de comparare;

A - amplificator de c.c.;

CTC - convertor curent - tensiune,

BL - bloc liniarizare;

BRL - bloc reactie si liniarizare.

Schemele in punte sunt preferate unor montaje de tip divizor pentru ca permit compensarea unor factori externi.

Amplificatorul de c.c. poate fi, in functie de tensiunea de dezechilibru, cu cuplaj direct sau cu modulare - demodulare, gama din care se pot alege scheme fiind suficient de larga.

Convertorul tensiune - curent este realizat de regula cu tranzistoare de medie putere, de obicei in conexiune Darlington, pentru a asigura puterea necesara.

Blocul de liniarizare este un generator de functii realizat cu diode, diode Zener, tranzistoare, pentru introducerea de neliniaritati de sens opus cu cele ale elementului sensibil.

Pentru elemente inductive si capacitive structura este similara, deosebirile aparand in tipurile de circuite folosite. Puntile sunt de c.a., amplificatoarele de c.a. de tip selectiv, acordate pe frecventa semnalului de masurare.

4.2.2 Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

Elementele sensibile de tip generator furnizeaza la iesiri tensiuni continue sau alternative, structura adaptorului fiind in principiu aceeasi, lipsind insa schema de masurare, tensiunea data de elementul sensibil fiind similara cu cea data de puntea de c.c. Ea se aplica direct la intrarea amplificatorului, semnalul avand cel mai ades caracteristici precum:

tensiuni continue de nivel foarte redus;

tensiuni alternative de frecventa variabila in limite largi;

tensiuni continue sau alternative obtinute de la surse cu impedanta proprie de valoare foarte mare.

Aceste amplificatoare trebuie sa posede si o mare stabilitate a parametrilor, mai ales ca in unele cazuri nu se pot prevedea reactii globale.

In unele amplificatoare de c.c. cu componente discrete derivele se reduc prin sortari si ajustari de componente, prin adoptarea unor scheme adecvate (cu modulare - demodulare, diferentiale cu compensare statica). Mai indicate, fiind si mai ieftine, sunt amplificatoarele integrate de masurare cu performante ridicate, cum sunt cele cu cuplaj direct si compensare statica a derivei cu temperatura, care asigura derive de ordinul 0,25  V/C sau chiar 0,1  V/C.

Amplificatoarele de banda larga (1 Hz10³ Hz) sunt necesare fie in cazul unor traductoare electromagnetice (tahogeneratoare, traductoare de debit cu turbina), fie pentru traductoare care genereaza semnale variabile in timp (piezoelectrice, magnetostrictive). Sunt de tip cu cuplaj RC si cu o puternica reactie negativa.

Probleme deosebite pun elementele sensibile cu sursa de semnal de impedanta interna foarte mare (10⁸10⁹  ) - traductoare de PH, piezoelectrice - cazuri in care masurarea trebuie sa se faca fara consum de putere de la sursa de semnal. Aceasta presupune amplificatoare cu impedante de intrare mult mai mari (10¹²10¹⁴  ) electrometrice, dezvoltate din doua directii:
- amplificatoare cu modulator cu diode varicap;

- amplificatoare cu tranzistoare cu efect de camp, existente atat cu componente discrete, cat si integrate.

4.2.3 Adaptoare cu scheme de masurare cu compensare automata

4.2.3.1 Compensatoare automate

Masurarea precisa a tensiunilor sau curentilor de nivel scazut dati de elementele sensibile generatoare impune ca una din solutiile posibile folosirea unor scheme de masurare tip compensator, in care se realizeaza compararea semnalelor respective cu marimi similare a caror valoare poate fi modificata automat si cunoscuta cu precizie, deci fara consum de putere de la elementul sensibil (deci si fara erori sistematice de metoda).

Schema din fig.8 reprezinta un sistem automat in circuit inchis(cu urmarire), avand ca intrare marimea U_X si ca iesire deplasarea unghiulara a axului servomotorului SM.

Se observa ca tensiunea U_X este comparata cu tensiunea U_C, diferenta lor amplificata comanda servomotorul SM in sensul actionarii - prin reductorul R1 - potentiometrului P1 pentru anularea  U (deci U_X=U_C). Simultan este actionat dispozitivul de indicare sau inregistrare a marimii masurate. Totodata, prin reductorul R2 si folosind sursa E_C2 , se furnizeaza semnalul unificat U_e prin actionarea lui P2.

Servomotorul SM avand o caracteristica de element integrator, la variatii-treapta a marimii de intrare eroarea stationara este nula.

4.2.3.2. Punti cu echilibrare automata

Variatiile  R ale elementului sensibil conduc la dezechilibrarea puntii si la aparitia tensiunii de dezechilibrare U_d, care, amplificata, determina actionarea potentiometrului P1 de catre servomotorul SM prin reductorul R1 in sensul anularii diferentei U_d. Simultan au loc indicarea sau inregistrarea si livrarea tensiunii de iesire U_e in semnal unificat. Se elimina astfel erorile datorate variatiilor sursei E_C1 care intervin la functionarea in regim dezechilibrat.

Complexitatea acestor scheme este justificata de preciziile superioare obtinute, cat si de functiunile multiple realizate :

- precizie 0,250,5%;

- deriva de temperatura 0,02% /  C;

- eroarea cu variatia tensiunii de alimentare 1% / 10%.

Performantele de regim dinamic sunt insa mai reduse din cauza pieselor mobile, aplicatiile posibile fiind cele din domeniul proceselor lente (banda de frecventa f  1Hz).

4.2.3.3 Convertoare pentru traductoare numerice

Necesitatea traductoarelor cu iesire numerica a crescut odata cu extinderea tratarii proceselor cu calculatoare de proces.

Modalitatea cea mai simpla de obtinere a iesirilor numerice consta in conversia analog-numerica a semnalului unificat, dupa schema din fig.10, adica se ataseaza traductorului analogic un convertor analog-numeric (CAN).

Tipurile cele mai utilizate de CAN sunt :
- CAN cu compensare :
- cu trepte egale de tensiune;
- cu aproximari succesive;
- CAN cu conversie directa :
- cu conversie in durata;
- cu conversie in frecventa.

CAN fiind circuite complexe, cu componente de complexitate apreciabila, solutia este mai economica daca se aplica mai multe semnale analogice multiplexate analogic.

Un avantaj il prezinta elementele sensibile care furnizeaza semnale periodice sinusoidale sau impulsuri a caror frecventa depinde liniar de marimea de masurat (tahogeneratoarele, traductoarele de debit cu turbina, elemente sensibile inductive sau capacitive incluse in oscilatoare comandate), rezultand conversia directa in frecventa a marimilor aplicate la intrare.

Conversia duratei sau frecventei in cod numeric se poate realiza cu scheme de complexitate mai redusa, ca in figura 11. Marimea data de elementul sensibil ES este convertita in frecventa (sau durata de impulsuri) in CF(CD). Un generator GS furnizeaza un semnal de referinta calibrat (interval de timp la conversia in frecventa, frecventa la conversia in durata) care actionand circuitul poarta CP lasa sa treaca un numar de impulsuri proportional cu x, numarate de numaratorul N, eventual retinute in memoria tampon MT si transferate la iesire sub forma numerica prin semnalul y_n in codul necesar dat de decodificatorul D. Blocul de comanda BC asigura functionarea celorlalte blocuri in succesiunea logica necesara si in modurile adecvate.

4.3 Traductoare integrate

Progresul cel mai semnificativ in domeniul traductoarelor il reprezinta realizarea lor sub forma integrata, prin inglobarea intr-o unitate constructiva miniaturizata, similara circuitelor integrate pe scara larga, atat a elementului sensibil, cat si a adaptorului, inclusiv elemente de calcul, liniarizare, compensare termica, etc. Cuplarea intre elementul sensibil si adaptor, care la traductoarele uzuale ridica probleme, in acest caz a disparut. Actualmente se fabrica in mod curent traductoare integrate de presiune, forte, acceleratie, de temperatura, cu performante ridicate si la dimensiuni si greutati reduse considerabil fata de traductoarele clasice.

5 Principii generale de alegere a traductoarelor

Este o problema tehnico-economica. Principalii factori care definesc eficienta economica a utilizarii traductorului sunt:

- eficacitatea operationala - masura a modului in care acesta satisface cerintele impuse de aplicatia careia ii este destinat, se refera la o perioada de utilizare fixata, din punctul de vedere a:

- destinatiei traductorului (natura si domeniul intrarii);

- caracteristici functionale, statice, dinamice etc.;

- conditiilor de instalare si ale mediului;

- realizarii constructive;

- duratei de functionare;

- conditiilor de verificare si atestare a performantelor.

Componenta eficacitatii care vizeaza registrul de performante initiale, capabile sa asigure cantitativ si calitativ desfasurarea optima a procesului tehnologic poarta numele de capabilitate.

Componenta care are in vedere aspectul dinamic, evolutia in timp a capabilitatii in conditiile prevazute poarta numele de disponibilitate.

Costurile totale de utilizare insumeaza cheltuielile de:

- achizitie;

- verificare si instalare;

- intretinere pentru mentinerea eficacitatii operationale.

6 Traductoare pentru deplasari

Data fiind varietatea elementelor sensibile, traductoarele de deplasare se grupeaza in urmatoarele categorii:

- pentru deplasari liniare mici (max. sute de mm)

- pentru deplasari unghiulare;

- pentru deplasari liniare mari (metri, zeci de metri);

- de proximitate.

1 Traductoare pentru deplasari mici

Domeniul acoperit este de ordinul 10^-210² mm (rareori peste). Cele mai raspandite sunt cele de tip parametric: inductive, capacitive, rezistive.

1.1 Traductoare inductive

1. Elementele sensibile pot fi:

- cu modificarea inductantelor mutuale;

- cu modificarea intrefierului.

Elemente sensibile inductive cu miez mobil:

Varianta de baza (fig.12) este constituita dintr-o bobina B, de lungime L, in interiorul careia se deplaseaza miezul M, sub actiunea marimii de masurat x, deplasare care provoaca modificarea inductantei proprii L, ca in figura. Curba este pronuntat neliniara, datorita campului magnetic neomogen din bobina. De aceea se prefera :

a) Varianta diferentiala (fig. 13), la care se utilizeaza doua bobine atasate in prelungire, la pozitia 0 miezul este introdus egal in fiecare din ele. De asemenea se imbunatateste si sensibilitatea. Cele doua inductante sunt:

(32)

(33)

unde:
- N₁,N₂ - nr. de spire;
- G₁, G₂ - reluctantele bobinelor, care de fapt variaza neliniar cu x.

La o deplasare a miezului, de exemplu intrand mai mult in L₁, valoarea inductantei L₁ creste, iar L₂ scade. Raportul de divizare se abate de la 1:2. Punerea in evidenta a variatiei  z de impedanta se poate face prin conectarea bobinelor in bratele adiacente ale unei punti de impedante (fig. 14), alimentata in c.a. de la o sursa de tensiune efectiva U_ef si pulsatie  cunoscute si constante. Miezul mobil se continua cu o tija din material neferomagnetic si se fixeaza de piesa in miscare sau intr-un sistem mecanic cu palpator, presat pe suprafata de masura printr-o forta elastica. De obicei miezul are lungimea 0,20,8 din lungimea bobinei, deplasarea maxima de masurat fiind aprox. 0,1 din lungimea miezului. Tensiunea alternativa de alimentare are frecventa ₀ de la sute de Hz la 10..20 kHz (tipic 5 kHz).
b) Transformatorul diferential liniar variabil (TDLV) - fig. 15 - este o varianta la care bobinele din montajul diferential constituie secundarul unui transformator. Caracteristica de raspuns se poate observa in figura 1 Bobina primara este alimentata in c.a., in bobinele secundare se induc tensiuni in opozitie de faza, ele fiind legate in sens contrar. Diferenta de tensiuni este nula in pozitia de mijloc a miezului. Performante ale acestei variante:

• lipsa frecarilor la deplasarea miezului - rezulta durata de viata marita, moment de inertie redus, fiabilitate, robustete;
• rezolutie si reproductibilitate foarte bune;

• insensibilitate la deplasari radiale ale miezului;
• posibilitatea protejarii bobinei de mediile corozive;
• asigurarea separarii galvanice.
  O schema de adaptor pentru un astfel de traductor se da in fig.17.

2) Elemente sensibile cu intrefier variabil. Variante:
a) varianta de baza -fig.18: cu modificarea grosimii intrefierului prin deplasarea armaturii mobile in dreptul unui miez feromagnetic, uzual din tole bobinate. In alte variante miezurile sunt din ferite, cu armatura feromagnetica. Inductanta elementului este:
(34)
unde:
N - nr. de spire;

l_k - lungimea circuitelor magnetice;

S_k - suprafetele de inchidere a fluxului magnetic;

_k - permeabilitati magnetice.

La o variatie x a distantei dintre armatura mobila si cea fixa, inductanta devine:
(35)
b) varianta diferentiala, fig.19, care amelioreaza dependenta neliniara din relatia anterioara fata de x a inductantei. Tensiunea de dezechilibru este:
(36)
(37)

Rezulta ca r trebuie sa fie mic pentru ca variatia de inductanta sa determine o variatie aproximativ egala de impedanta. Conditiile de liniaritate si de sensibilitate nu pot fi indeplinite simultan, optimul fiind pentru , cu o variatie a intrefierului .

Varianta transformator o intalnim sub forma:
- simpla (fig.20): - diferentiala (fig.21):

(38)

(39)

Adaptorul pentru transformatorul diferential cu modificarea intrefierului este realizat din etaje de tip amplificator / redresor si mai frecvent, montaje de tip oscilator cu cuplaj magnetic, deci cu amplificator si un cuadripol de reactie de tip circuit oscilant cu reactie.

Aceste elemente sensibile se caracterizeaza prin:

- gabarit redus;

- rezolutie foarte buna;

- robustete;

- domenii mici (zeci de  m).

1.2 Traductoare capacitive

Se folosesc condensatoare plane, la care se pot modifica:

a) distanta dintre armaturi.
(40)
avand sensibilitatea:
(41)
si sensibilitatea relativa:
(42)

Sensibilitatea este sporita la variatii mici ale deplasarii ( m):
La montajul diferential (fig.22):

(43)

(44)

(45)
care depinde liniar de x.

Conversia in semnal util se face cu o punte Sauty, alimentata la 5005000 Hz, in celelalte brate avand condensatoarele C₃ si C₄, tensiunea de dezechilibru fiind preluata de un amplificator si un redresor sensibil la faza (fig.23).

b) suprafata armaturilor (fig.24).

Sensibilitatea este constanta:

(46)
unde:
- a,b sunt dimensiunile condensatorului plan;

- x este deplasarea relativa a fetelor una fata de alta.

Aceste elemente sensibile se folosesc mai mult pentru masurarea deplasarilor unghiulare.
c) permitivitatea dielectricului.

In varianta de baza se realizeaza din doi cilindri ficsi, intre care se deplaseaza un manson izolator cu o constanta dielectrica diferita de a aerului, alunecand cu frecare cat mai redusa. Se folosesc la masurarea nivelului unui lichid dielectric sau pulberi dielectrice. Daca se foloseste un condensator plan, a carui caracteristica este neliniara, elementul sensibil poate servila masurarea grosimii unor materiale dielectrice.

Aceste elemente necesita etaje de amplificare cu impedanta mare de intrare, deoarece la modificari de capacitati mici (20200 pf), chiar la frecvente ridicate (220 kHz) impedantele de iesire sunt mari, impunand amplificatoare cu Z_{i min} = 20 M . Acest fapt constituie o limitare in folosirea acestor traductoare.

1.3 Traductoare rezistive

Desi sunt cele mai simple constructiv, au o folosire mai redusa datorita preciziei si rezolutiei relativ scazute.

Se bazeaza pe variatia rezistentei electrice R a unui conductor cu:

- lungimea l;
- rezistivitatea  ;
- aria sectiunii S;
(47)
Schemele de conversie folosite sunt:
- in montaj reostatic, cu iesire in curent - fig.25:
(48)
deci cu dependenta liniara
- montaj potentiometric cu iesirea in tensiune - fig.26:

(49)

(50)

Caracteristica statica este liniara doar pentru , m = 0. Neliniaritatea este cu atat mai mare cu cat R_S este mai mica.

Alta eroare de neliniaritate apare datorita pasului de bobinare, cand cursorul calca pe doua spire.

Rezolutia uzuala este de 10^-310^-4 din marimea masurata (0,01 la 100  m). Elementele sensibile se protejeaza de impuritati prin capsulare.
Exista:
- elemente sensibile realizate prin bobinarea cu pas uniform a unui fir conductor pe un sport izolant; firul este din material cu coeficient de variatie al rezistivitatii cat mai mic: manganina, constantan, nicrom. Pentru cursor se realizeaza perii din fire de Ag cu grafit; pentru carcasa materiale ceramice cu buna izolatie si stabilizate cu temperatura.
- elemente sensibile realizate din materiale conductive, capabile sa reziste la un numar mare de curse ale cursoarelor (plastic conductiv), permitand obtinerea de traductoare liniare suficient de lungi (sute de mm).

2 Traductoare pentru deplasari unghiulare

Se folosesc in cazul:

unor masurari unghiulare propriu - zise in domeniul 0 360 ;

masurarea indirecta a unor deplasari liniare convertite in deplasare unghiulara.

2.1 Traductoare rezistive

Cuprind elemente sensibile care functioneaza ca si cele liniare, de regula in montaj potentiometric, motiv pentru care se mai numesc si servopotentiometre . Relatia de functionare este:

(51)

Au aceleasi dezavantaje in ce priveste neliniaritatea si erorile de temperatura.

Ele pot fi:

- uniturn, cand executa o singura rotatie de la 0 la _max (unghi limitat de zona in care se afla contactele);

- multiturn, care se pot utiliza in domenii peste 360 , deoarece au rezistenta bobinata pe un suport elicoidal. Variantele standard au 3 sau 10 rotatii. Pot fi folosite si pentru masurarea unor deplasari liniare (5..10 mm) actionate corespunzator prin reductoare mecanice.

2.2 Traductoare capacitive

Singura varianta este cea cu modificarea suprafetei elementului sensibil, intalnita sub forma de:

- varianta simpla asemanatoare cu condensatoarele de acord din tehnica radio;

- varianta diferentiala (fig.27).

2.3 Traductoare inductive

Principial se aseamana cu cele pentru deplasari liniare mici, cu adaptarea elementelor sensibile la deplasarea unghiulara. Intalnim:

- elemente sensibile inductive cu miez feromagnetic mobil. Cel mai utilizat este transformatorul diferential variabil TRDV (fig.28). Consta dintr-o bobina primara si doua secundare dispuse pe miez feromagnetic (tole E) la care inductanta de cuplaj se modifica datorita deplasarii unui rotor feromagnetic inchizand astfel diferit fluxul magnetic in cele doua bobine secundare. Din cauza neliniaritatii se folosesc intr-un domeniu restrans: 40 60 . Singura modificare fata de varianta liniara, ca performante, este aparitia unor frecari suplimentare la rotor, dar cuplul fiind mic, acestea pot fi neglijate. Necesita ecranari fata de campuri magnetice externe. Frecventa de alimentare se alege in gama 400 Hz2 kHz.
- elemente sensibile inductive de tip selsin.

Principiul de functionare este urmatorul (fig. 29): statorul inductor este parcurs de o tensiune e₁ = E₁ sin t, care induce in rotor tensiunea e₂ = E₂ cos sin t.  este unghiul dintre axele electrice ale celor doua infasurari. La o variatie a lui  intre 0 si 360 se obtine o tensiune sinusoidala de valoare maxima E₂, care la fiecare trecere prin zero isi schimba faza. Se pune deci in evidenta fiecare semirotatie (prin schimbarea fazei), iar in cadrul unei semirotatii (0180) amplitudinea tensiunii induse este functie de unghi.

Se realizeaza in variantele rezolver si inductosin.
Rezolverul (inductosinul bifazat) - fig.30 - contine doua infasurari statorice, decalate electric cu 90 . Rotorul este monofazat. In functie de modul de alimentare, inductorul poate fi rotorul sau statorul. Daca rotorul este alimentat cu tensiunea:
(52)
in stator se induc tensiunile:

(53)
(54)
Considerand raportul de transformare intre infasurari 1:

(55)
deci:
(56)
In cazul alimentarii pe stator rezulta doua variante de utilizare:

cu modulatie de amplitudine. Infasurarile se alimenteaza cu tensiunile:

(57)
(58)
In rotor se induce o tensiune:

(59)
unde  este pozitia de referinta fata de care se masoara pozitia relativa a axului.

Semnul  este determinat de sensul de parcurgere a infasurarilor s₁, s₂. Se obtine o tensiune cu amplitudinea modulata cu sin(cos) de .

- cu modulatie de faza. Statorul se alimenteaza cu doua tensiuni, de aceeasi frecventa si amplitudine, decalate cu 90 electrice:

(60)

(61)

Tensiunea indusa in rotor va fi:

(62)

Faza tensiunii induse este proportionala cu unghiul relativ dintre rotor si stator.

Adaptoare pentru rezolvere. Problema esentiala este asigurarea tensiunilor de alimentare statorice. O solutie consta in utilizarea unui alt rezolver alimentat pe rotor (generare analogica); o alta solutie presupune generarea tensiunilor de alimentare sub forma discreta, prin utilizarea de tensiuni dreptunghiulare dependente de unghiul de referinta  , in scopul folosirii acestui gen de traductoare in echipamente numerice de masurare a pozitiei.

Selsinele pot fi executate si in varianta multipolara, cu acelasi mod de functionare, insa corelarea dintre unghiul de rotire si variatia fazei sau amplitudinii. Daca la un selsin bipolar la o rotatie completa (360 mecanice) corespund 360 electrice, la un selsin cu 10 poli la o rotatie de 360 mecanice corespunde 5 x 360 electrice, sau, pentru a obtine o deplasare de 360 electrice selsinul trebuie sa se roteasca cu 72 mecanice.

Inductosinul circular. Poate fi echivalat cu un selsin multipolar desfasurat in plan, cu un numar foarte mare de poli. Constructiv, el consta din doua discuri plane, separate intre ele printr-un interstitiu de aer de 0,10,3 mm. Unul din discuri este mobil (rotorul), cuplat solidar cu obiectul in miscare, iar celalalt fix, asociat cu sistemul de referinta (statorul). Pe discul fix, de regula inductor, sunt dispuse doua infasurari multipolare plane, realizate in tehnica cablajelor imprimate (fig.31). Ele sunt decalate intre ele cu 90 electrice ( din latimea unei spire). Rotorul, uzual indus, contine o infasurare cu acelasi pas. Se constata ca pentru p = 100 se obtine o deplasare de 360 electrice la 0,36 mecanice. De regula pasul de divizare este  = 2 si prin divizare electronica se pot obtine precizii de 5', chiar 1'. Precizia ridicata presupune dificultati constructive: interstitiul paralel perfect dintre stator si rotor, cuplaj inductiv armonic, uniformitatea pasului infasurarilor, omogenitatea materialului suport. Cu toate acestea, el este unul din cele mai utilizate traductoare in asociere cu echipamentele de comanda numerica.

2.3.2 Traductoare numerice

Elementul sensibil propriu-zis il constituie un disc codat, iar prelucrarea informatiei este specifica modului de codare. Deosebim:

- discuri codate absolut, la care se obtine in orice moment informatia de pozitie in raport cu un punct de referinta;

- discuri incrementale, care ofera o succesiune de impulsuri in raport cu ultima pozitie atinsa, fiecare impuls constituind un increment de deplasare.

1. Traductoare numerice absolute. La acestea se imparte domeniul de masurare intr-un numar de cuante elementare, a caror marime determina rezolutia, se alege codul de exprimare a valorilor cuantificate, se inscrie pe disc respectivul cod, care va permite citirea pozitiei unui cursor fata de disc. Exista:

a) Discuri absolute cu contact - fig.32. Pistele concentrice sunt codificate si formeaza zone conductoare sau izolate. Suprafetele conductoare sunt legate electric printr-o perie fixata la un inel colector, prin care se alimenteaza colectorul. Pistele sunt parcurse prin contact de un set de perii, pozitionate la distante radiale corespunzatoare, fiecare fiind conectata printr-un conductor separat. La rotirea discului periile vor sesiza o zona conductoare (1 logic) sau izolata (0 logic). Tranzitiile de pe o pista pe alta trebuie sa se faca lin, uzura trebuie sa fie aceeasi la disc ca si la perii. Un disc cu 10 piste are o rezolutie de 1:2¹⁰ (1:1024), dar se pot realiza sisteme cu mai multe discuri cuplate prin reductoare adecvate. Codurile cele mai folosite:

- cod binar natural;

- cod BCD - binar codificat zecimal - folosit cand traductorul este cuplat cu echipamente lucrand in acelasi cod;

- cod Gray, care are avantajul ca doua combinatii succesive difera printr-un singur bit (cod monostropic).

b) Discuri absolute magnetice. Sunt discuri acoperite cu material magnetic folosite in tehnica inregistrarilor magnetice. O zona magnetizata reprezinta un 0 logic, iar una nemagnetizata un 1 logic. Ele sunt mai complexe decat cele cu contact dar au o durata de viata mult sporita. Nu pot fi folosite in medii industriale, datorita campurilor magnetice perturbatoare.

c) Discuri absolute optice. Stau la baza majoritatii traductoarelor numerice actuale. Discul optic este realizat din sticla speciala pe care sunt trasate spatii transparente si opace, corespunzatoare zonelor conductoare si izolate de la varianta cu contact. La disc se asociaza o sursa de lumina cuplata cu un sistem optic si o matrice de fotoelemente dispuse radial. La realizarea discurilor se folosesc tehnici foto de inalta precizie (linii radiale distantate la 0,067 sec, deci rezolutie de 1:10⁸). Coduri folosite: Gray, binar natural, binar codificat zecimal, coduri care simuleaza functii sin, cos, log. Ca sursa de lumina pot fi folosite diode Ga As cu durata mare de viata (mai mare de 10⁵ ore). Receptorul este realizat din fotoelemente, eventual celule fotovoltaice, fiind asociate cu amplificatoare si formatoare adecvate.

Ca si traductoarele selsin, discurile codate se pot folosi la masurarea indirecta a deplasarilor liniare, prin cuplarea de dispozitive mecanice de transformare a miscarii de rotatie in miscare liniara.

2. Traductoare numerice incre-mentale - genereaza un numar fix de impulsuri la fiecare unitate de rotatie unghiulara a discului codat. Procedeul de sesizare a incrementelor de miscare poate fi magnetic sau optic, cel optic fiind in prezent cel mai raspandit, datorita unei simplitati relative constructive si a unor facilitati in prelucrarea semnalelor.

Circuitele asociate discului trebuie sa contina un numarator care sa ofere o iesire numerica, intr-un anume cod, in functie de incrementii generati de disc. De asemenea este necesar sa indice sensul de rotatie, care nu apare in informatia data la numarator. Discurile codate pot fi realizate fie prin transparenta (procedeu diascopic) fie prin reflexie (procedeu episcopic).

Indiferent de procedeul de iluminare, circuitele de prelucrare realizeaza aceleasi functii. Cel mai raspandit mod este obtinerea prin grila de scanare a patru semnale sinusoidale decalate fiecare cu 90 . Cele patru fotoelemente sunt astfel asociate perechi, in montaj diferential, incat se obtine cate o sinusoida, decalate intre ele cu 90 (fig. 34). Se genereaza si un semnal de zero 1N, pentru reproducerea unei pozitii de referinta. Semnalele astfel obtinute sunt prelucrate, amplificate si adaptate pentru tipul de logica in care se va lucra. Datorita robustetii, simplitatii constructive, costului scazut, rezolutiei ridicate (pana la 360.000 imp / rotatie) traductoarele incrementale rotative sunt din cele mai utilizate si in masurarea indirecta a deplasarii liniare, cu precautiile corespunzatoare pentru compensarea jocurilor mecanice.