TRADUCTOR DE TEMPERATURA - REALIZAREA UNUI TRADUCTOR DE TEMPERATURA CU SISTEM DE AVERTIZARE LUMINOASA SI SONORA

TRADUCTOR DE TEMPERATURA

REALIZAREA UNUI TRADUCTOR DE TEMPERATURA CU SISTEM DE AVERTIZARE LUMINOASA SI SONORA

CUPRINS

CAPITOLUL 1  DEFINIREA PROBLEMEI

CAPITOLUL 2  ANALIZA PROBLEMEI

CAPITOLUL 3  PROIECTARE

DE BAZA

INTRODUCERE

UTILIZARE

SCHEMA BLOC

DE DETALIU

SCHEMA ELECTRICA

SURSA DE ALIMENTARE

SENZORUL DE TEMPERATURA

CIRCUITUL ADAPTOR

CIRCUITUL BASCULANT

CIRCUITUL DE AVERTIZARE OPTICA

CIRCUITUL DE AVERTIZARE SONORA

CAPITOLUL 4  REALIZARE

LISTA CU COMPONENTE

SCHITA CABLAJULUI

BIBLIOGRAFIE

CAPITOLUL 1 DEFINIREA PROBLEMEI

CERINTE FUNCTIONALE

Dispozitivul realizat trebuie sa avertizeze optic si sonor asupra depasirii unei temperaturi maxime stabilite pentru o incinta.

Prin avertizarea depasirii unei temperaturi se intelege:

masurarea permanenta a temperaturii dintr-o incinta cu ajutorul unui senzor;

compararea valorii marimii electrice de la iesirea senzorului cu o valoare de referinta;

avertizarea optica, in cazul depasirii valorii de referinta, cu ajutorul unei diode electroluminescente;

avertizare sonora, in cazul depasirii valorii de referinta, cu frecventa de 1 kHz si la interval de 1 secunda.

Dispozitivul trebuie sa functioneze in gama de temperaturi cuprinse intre 0 si 100 ^oC.

Dispozitivul proiectat trebuie sa functioneze in parametrii cu erori minime (max. 1%).

Dispozitivul trebuie sa poata fi exploatat in conditiile de lucru normale stabilite prin tema de cercetare-proiectare (24 ore/zi).

CAPITOLUL 2 ANALIZA PROBLEMEI

Dispozitivul realizat trebuie sa se alimenteze direct de la reteaua de 220 V ac.

Dispozitivul trebuie sa cuprinda urmatoarele blocuri functionale:

sursa alimentare 12 Vcc;

senzor de temperatura tip LM35;

circuit adaptor a senzorului cu circuitul basculant;

circuit basculant tip trigger Schmitt;

circuit avertizare optica cu LED, care cuprinde:

oscilator pe frecventa 1 Hz;

circuit avertizare sonora, care cuprinde:

oscilator pe frecventa 1 kHz;

amplificator audio;

traductor electromagnetic (difuzor). 

CAPITOLUL 3  PROIECTARE

PROIECTARE DE BAZA

INTRODUCERE

Temperatura este marimea neelectrica cea mai des masurata. Senzorii de temperatura folositi in automatizari au o mare varietate, datorita gamei largi de temperatura care se masoara, precum si preciziei cu care se masoara intr-un anumit domeniu.

In sistemul international de unitati de masura, pentru masurarea temperaturii corpurilor, se utilizeaza scara de temperatura termodinamica stabilita pe baza a sase temperaturi fixe reproductibile definite de starile de echilibru ale unor materiale la presiunea normala de 101325 Pa. In cadrul acestei scari, unitatea de temperatura termodinamica este Kelvinul (K) definit ca fractiunea 1/273,16 din temperatura termodinamica a punctului triplu al apei.

Eroarea de masura se datoreaza in primul rand, efectelor de schimb de caldura dintre senzor si mediu. Evaluarea erorii de masurare se face prin calculul raspunsului senzorului, aceasta eroare fiind cu atat mai mica cu cat conductanta termica senzor-corp este mai mare. O alta sursa de eroare poate fi incalzirea senzorului datorita curentului propriu care trece prin senzor (mai ales in cazul traductoarelor parametrice).

Marea varietate a traductoarelor se mai datoreaza si caracteristicilor constructive ale lor, care sunt determinate de mediile in care ele trebuie sa functioneze.

Fenomenele care stau la baza functionarii senzorilor de temperatura prezinta la fel o mare diversificare. Conversia temperatura-marime electrica, facuta de senzor, se realizeaza pe baza efectelor produse de campul termic asupra diferitelor materiale conductoare sau semiconductoare.

Efectele produse de temperatura asupra diferitelor corpuri cu care vin in contact direct sau indirect sunt: dilatarea, modificarea dimensiunilor solidelor sau modificarea volumului lichidelor, variatia conductivitatii electrice la materiale conductoare sau semiconductoare, modificarea proprietatilor magnetice in cazul unor materiale magnetizabile, aparitia si variatia unei tensiuni electromotoare (pentru senzori activi), variatia intensitatii si a spectrului radiatiei emise de corp, precum si modificarea frecventei de rezonanta proprie a materialului.

Traductoarele de temperatura, pe langa realizarea conversiei temperatura-marime electrica, trebuie sa aiba si alte proprietati, cum sunt: sensibilitate, reproductibilitate, timp de raspuns mic, liniaritate pe un domeniu cat mai mare, montare si interschimbabilitate rapida si usoara. Ele trebuie sa fie protejate impotriva unor eventuale actiuni distructive mecanice sau chimice. Aceste protectii, care se adauga in timpul realizarii traductoarelor, duc la scaderea performantelor acestora.

UTILIZARE

Pentru a face o alegere corecta a senzorului de temperatura, trebuie analizate prima data cerintele legate de intervalul de temperatura in care functioneaza, timpul de raspuns, sensibilitatea, precizia cu care se stabileste temperatura, temperatura maxima la care va fi supus senzorul, timpul de utilizare, daca sesizarea se face cu sau fara contact si, nu in ultimul rand, costurile, care sunt direct proportionale cu precizia senzorului si cu modul de montare al acestuia.

Foarte des sunt utilizati : termorezistentele, termistoarele, diferite tipuri de termocupluri, care acopera o gama larga de temperatura.

In general, aparatele care servesc pentru masurarea temperaturilor sub 660^oC - se numesc termometre, iar peste 660^oC,- pirometre. Domeniul de utilizare a principalelor aparate folosite pentru masurarea temperaturii sunt prezentate in tabelul 1.1.

Tabelul 1.1 Domeniile de utilizare ale unor aparate de masurat temperatura

SCHEMA BLOC

Schema bloc a traductorului de temperatura

3.2. PROIECTAREA DE DETALIU

SCHEMA ELECTRICA

Retea 220Vac

CN

+12Vcc

GND

S2

TR

SURSA DE ALIMENTARE

Sursa simpla de alimentare genereaza o singura tensiune de iesire. Schema unei astfel de surse este urmatoarea:

Retea 220Vac

LS7812

C2

C1

D3

D1

D2

GND

S2

TR

Schema sursei de alimentare

Se utilizeaza un transformator pentru reducerea tensiunii retelei de alimentare la o valoare convenabila. Pentru dimensionarea transformatorului este necesar calculul tensiunii si curentului pe care acesta trebuie sa o furnizeze in secundar. Tensiunea la iesirea transformatorului (din secundarul transformatorului) este o tensiune alternativa sinusoidala cu frecventa egala cu cea a retelei de alimentare (50HZ). Valoarea acestei tensiuni este specifica fiecarui transformator si este influentata de curentul consumat. In general, pentru transformatoare, tensiunea secundarului (din datele de catalog sau cea inscrisa pe acesta) corespunde unui curent consumat egal cu cel la care se obtine puterea nominala a transformatorului.

Redresorul utilizat pentru transformarea tensiunii alternative generata de transformator intr-o tensiune continuua este unul clasic de tip 'punte'. El poate fi realizat fie din 4 diode conectate conform schemei, fie se poate utiliza o punte redresoare integrata.

Condensatorul conectat la iesirea redresorului are rolul de a 'netezi' tensiunea obtinuta din redresor. El reduce variatia tensiunii care se aplica stabilizatorului la valori reduse de ordinul a 0.52 V. Acest condensator mai poarta denumirea de condensator de filtrare sau mai simplu filtru.

Stabilizatorul de tensiune are rolul de a asigura o valoare constanta a tensiunii furnizate de sursa indiferent de variatiile tensiunii retelei de alimentare sau ale consumului. Stabilizatorul se poate realiza cu componente discrete sau se poate utiliza un stabilizator integrat. Se recomanda utilizarea stabilizatoarelor integrate datorita simplificarii pe care o aduc, a pretului scazut si nu in ultimul rind a performantelor foarte bune pe care acestea le au. Cele mai cunoscute si utilizate stabilizatoare de tensiune integrate sint cele din familia 78XX. In tabelul urmator sunt prezentate caracteristicile circuitului stabilizator ales pentru acest proiect, respectiv LS7812:

Tip circuit	Tensiune iesire	Domeniu tensiuni intrare	Curent maxim	Capsula
LS7812	12 V	14.5..35 V	1 A	TO220

SENZORUL DE TEMPERATURA

Pentru acest proiect s-a ales ca senzor de temperatura, modelul LM35.

Senzorul integrat LM35 este un senzor de temperatura de precizie, cu iesire analogica de tensiune proportionala liniar cu temperatura masurata in grade Celsius. Iesirea are impedanta scazuta, este liniara si precizia implicita de calibrare simplifica interfata de citire a iesirii.

 Caracteristici generale: ­

calibrat direct in °C;

factor de scala liniar +10 mV/ °C;

masurarea temperaturii in intervalul ­0 °C ¸ +100 °C;

tensiune de alimentare intre 4¸30 V - 20 V si un curent de 60 µA;

impedanta de iesire 0,1 Ω pentru un curent de incarcare de 1 mA;

propria incalzire introdusa este de 0,08 °C in aer.

LM 35

+6Vcc de la circuitul adaptor

Iesire catre circuitul adaptor

Schema senzorului integrat LM35

Nu necesita calibrare externa si furnizeaza o precizie de ±0.25 °C la temperatura de 25 °C si ±0,75 °C pe tot domeniul de temperatura.

LM35 poate fi aplicat in mod usor in interiorul altor senzori integrati de temperatura. Prin lipire sau cimentare pe o suprafata temperatura citita poate fi diferita cu 0,01 °C de temperatura suprafetei.

Aceasta presupune ca temperatura aerului inconjurator este aproape identica cu temperatura suprafetei; daca temperatura aerului este mult mai mare sau mai mica decat temperatura suprafetei, temperatura indicata de senzorul integrat LM35 va fi una intermediara intre cea a suprafetei si cea a mediului. Este valabil in special pentru capsula de plastic TO­92, unde terminale din cupru reprezinta calea principala de evacuare a caldurii din circuit.

Problema poate fi rezolvata prin mentinerea traseului firelor de legatura ale circuitului LM35 la aceeasi temperatura cu cea a suprafetei masurate; firele pot fi mentinute la aceeasi temperatura cu suprafata prin lipirea lor de suprafata cu rasina epoxidica.

CIRCUITUL ADAPTOR

Circuitul adaptor realizeaza legatura/conectarea senzorului de temperatura cu circuitul basculant, deoarece senzorul nu livreaza la iesire tensiunea necesara bascularii circuitului comparator.

Concret montajul este un divizor de tensiune, iar senzorul ales livreaza la iesire o tensiune de 10 mV/grad C fata de masa, iar circuitul basculant are pragul de comutare fixat la 5,1 V. Prin insumarea tensiunii partii inferioare a divizorului cu tensiunea livrata de senzor, va rezulta o tensiune apropiata de valoarea de intrare a circuitului basculant.

Circuitul adaptor este format din:

2 diode Zenner;

1 dioda redresoare;

1 rezistenta.

Dioda DZ1 asigura alimentarea senzorului de temperatura, fiind conectata in paralel cu acesta.

Dioda DZ2 stabileste pragul minim de tensiune pentru etajul basculant.

Dioda redresoare D5 stabileste pragul de tensiune, care este proportional cu temperatura critica de avertizare aleasa prin tema de proiectare (stabilita la 30 ^oC).

Rezistenta R1 limiteaza curentul care trece prin acest circuit la o valoare de functionare optima diodelor Zenner.

Semnal de la iesirea LM35

+12Vcc

+6Vcc catre LM35

Gnd catre LM35

R1

DZ1

DZ2

D5

Catre intrarea circuitului basculant

Schema circuitului adaptor

CIRCUITUL BASCULANT

Circuitul folosit este de tip trigger Schmitt, fiind un circuit basculant cu o comportare mai mult catre clasa circuitelor monostabile.

Acesta compara tensiunea de la intrare cu un nivel luat ca referinta, peste care triggerul isi comuta starea iesirii in "1" logic (tensiunea de alimentare).

Circuitul este compus in principiu din 3 tranzistori:

primul, T1, este limitator de histerezis;

T2 si T3 intra in structura circuitului basculant propriu-zis (denumit si circuit basculant cu cuplaj pe emitor).

Pragcomutatie in 1 logic

Pragcomutatie in 0 logic

Uiesire

Uintrare

Proprietatea de histerezis consta prin deosebirea dintre valorile de tensiuni de intrare pentru care basculeaza circuitul, fata de starea la care triggerul ramane la valoarea initiala.

Schema curbei de histerezis

Aceasta diferenta de potential este de 1 - 1,2 V si este de dorit ca potentialul de comutatie sa fie acelasi cu cel de revenire, adica sa eliminam proprietatea de histerezis. Acest fenomen il eliminam cu tranzistorul T1, care are o amplificare foarte mare si care aduce repede la saturatie primul tranzistor din circuitul basculant.

DZ3

R2

DZ4

R3

R5

R4

R6

R7

R8

R9

T1

T2

T3

+ 12 Vcc

Intrare de la circuitul adaptor

Iesire catre circuitul de avertizare optica

C4

Schema circuitului basculant

CIRCUITUL DE AVERTIZARE OPTICA

Dispozitivele optoelectronice au proprietatea de a transforma un semnal luminos intr-unul electric (dispozitive fotosensibile) sau de a emite lumina atunci cand sunt parcurse de un curent electric (dispozitive emisive).

Circuitul de avertizare optica cu intermitenta din acest proiect este compus dintr-un oscilator pe frecventa de 1Hz, iar ca element de atentionare o dioda electroluminiscenta (LED).

Circuitul de avertizare este conectat la circuitul basculant (tip trigger Schmitt) cu ajutorul unui element optocuplor (releu fotoelectric), pentru a nu afecta parametrii functionali ai acestuia. Optocuplorul este un ansamblu format dintr-un dispozitiv emisiv (LED) si unul fotosensibil (fototranzistor), aflate la o distanta foarte mica unul fata de celalalt (in capsula comuna), care izoleaza galvanic partea de intrare fata de cea de iesire, informatia transmisa nefiind afectata.

In tehnica de calcul, automatica si radioelectronica, paralel cu oscilatiile sinusoidale (armonice), se folosesc pe larg si semnale periodice dreptunghiulare. Aceste semnale pot fi produse cu ajutorul unor circuite basculante care se pot afla in doua stari: de blocaj si de conductie. Trecerea dintr-o stare in alta se face cu aplicarea sau fara aplicarea din exterior a unor impulsuri de comanda. Un model de oscilator este circuitul basculant astabil, care nu are nici o stare stabila corespunzatoare conductiei, respectiv blocarii unei ramuri. Trecerea dintr-o stare in cealalta se face fara a fi necesar vreun impuls de comanda din exterior. Cea mai simpla metoda de obtinere a semnalelor electrice periodice dreptunghiulare, folosita si in prezentul proiect, la care se adauga optoculplorul si LED-ul, este reprezentata in figura urmatoare:

D6

OC

T4

T5

R10

R11

R12

R13

C6

C7

+12Vcc

Intrare de la circuitul basculant

Iesire catre circuitul de avertizare sonora

C5

Schema circuitului de avertizare optica

CIRCUITUL DE AVERTIZARE SONORA

Circuitul de avertizare sonora este un generator de semnal acustic, in banda frecventelor percepute de urechea umana si cu o valoare mare a intensitatii sunetului.

Generatorul de semnal acustic este un oscilator, iar valoarea intensitatii sunetului este obtinuta cu ajutorul unui amplificator si a unui traductor electroacustic. Oscilatorul (descris la subcapitolul 3.2.6) din blocul de avertizare sonora, este reprezentat de un circuit basculant astabil pe frecventa de 1 kHz, respectiv amplificatorul de semnal foloseste un circuit darlington, cu doua tranzistoare si are puterea de iesire de 0,2 W.

In proiectul de fata, circuitul de avertizare sonora este conectat la circuitul de avertizare optica, pentru a fi sincronizat cu acesta. In acest scop conexiunea intre cele doua circuite nu se va face direct, ci cu ajutorul unui montaj de separare. Montajul de separare, compus din tranzistor si dioda are rolul de a nu permite afectarea functionarii oscilatoarelor pe frecventele de lucru.

T7

R16

R18

R19

C8

+12Vcc

Intrare de la circuitul de avertizare optica

C9

T6

T8

T9

T10

DIF

R14

R15

R17

R20

D7

C10

Schema circuitului de avertizare sonora

REALIZARE

LISTA CU COMPONENTE

Pentru realizarea practica a temei acestui proiect, s-au utilizat urmatoarele componente:

Nr. crt.	Indicativ	Denumire	Model	Obs.
	CI1	Circuit integrat	LS7812
	CI2	Circuit integrat	LM35
	T1	Tranzistor npn	BC337
	T2	Tranzistor npn	BC337
	T3	Tranzistor npn	BC337
	T4	Tranzistor npn	BC337
	T5	Tranzistor npn	BC337
	T6	Tranzistor npn	BC337
	T7	Tranzistor npn	BC337
	T8	Tranzistor npn	BC337
	T9	Tranzistor npn	BC337
	T10	Tranzistor npn	BD441
	DZ1	Dioda Zenner	ZP6V2
	DZ2	Dioda Zenner	BZX5V6
	DZ3	Dioda Zenner	BZX5V1
	DZ4	Dioda Zenner	BZX5V1
	D1	Dioda redresoare	1N4007
	D2	Dioda redresoare	1N4007
	D3	Dioda redresoare	1N4007
	D4	Dioda redresoare	1N4007
	D5	Dioda redresoare	1N4148
	D6	Dioda electroluminiscenta	LED
	D7	Dioda redresoare	1N4148
	OC	Optocuplor	PC-1711
	R1	Rezistenta 0,25W		Bobinata
	R2	Rezistenta 0,15W	3,6kΩ	Oxid
	R3	Rezistenta 0,15W	1kΩ	Oxid
	R4	Rezistenta 0,25W		Bobinata
	R5	Rezistenta 0,15W	2kΩ	Oxid
	R6	Rezistenta 0,15W	20kΩ	Oxid
	R7	Rezistenta 0,15W	2,2kΩ	Carbon
	R8	Rezistenta 0,15W	56kΩ	Oxid
	R9	Rezistenta 0,15W		Carbon
	R10	Rezistenta 0,15W	1kΩ	Carbon
	R11	Rezistenta 0,15W	100kΩ	Carbon
	R12	Rezistenta 0,15W	100kΩ	Carbon
	R13	Rezistenta 0,15W	1kΩ	Oxid
	R14	Rezistenta 0,15W	120kΩ	Oxid
	R15	Rezistenta 0,15W	1kΩ	Oxid
	R16	Rezistenta 0,15W	1kΩ	Carbon
	R17	Rezistenta 0,15W	100kΩ	Carbon
	R18	Rezistenta 0,15W	100kΩ	Carbon
	R19	Rezistenta 0,15W	1kΩ	Carbon
	R20	Rezistenta 0,15W	20kΩ	Oxid
	C1	Condensator electrolitic	2200μF
	C2	Condensator electrolitic	470μF
	C3	Condensator electrolitic	100μF
	C4	Condensator electrolitic	100μF
	C5	Condensator electrolitic	100μF
	C6	Condensator electrolitic	10μF
	C7	Condensator electrolitic	10μF
	C8	Condensator electrolitic	15nF	Stiroflex
	C9	Condensator nepolarizat	15nF	Stiroflex
	C10	Condensator nepolarizat	100μF
	TR	Transformator monofazat	220Vca - 14Vca	7W
	DIF	Difuzor	0,2W / 8Ω
	CBL	Cablaj imprimat	100 x 50 mm	Sticlotextolit
	CN	Conector	2 pini
	CRC	Carcasa	165 x 75 x 60 mm	Plastic
	CBA	Cablu alimentare	2 x 1,5 mm2	Bifilar

SCHITA CABLAJULUI

BIBLIOGRAFIE

A. ALEXIU  - CURS CIRCUITE INTEGRATE DIGITALE, anul III

A. BITOIU, G. BALUTA si altii  - PRACTICA ELECTRONISTULUI AMATOR

J. CARR, J. BROWN - TERMINOLOGIA SENZORILOR

A. IGNEA - MASURAREA ELECTRICA A MARIMILOR NEELECTRICE