Grup Şcolar Lază r Edeleanu Lucrare pentru obţinerea certifică rii profesionale Nivel 3 ruta directă Specializarea : Tehnician în instalaţ iiii electrice
Îndrumător:
Elevul:
Profesor inginer: Bănescu Doina
Năstase Ciprian Clasa a XII-a C
An absolvire: 2012
1
2
2
Argument…………………………………………………………….. pag.4 1.Senzori……………………………………………………………… pag.5 1.1.Ce este senzorul?....................................................................pag 5 1.2.Clasificări…………………………………………………………. pag. 7 1.3.Clasificare-Soluţii de montare………………………………….. pag.10 2.Senzori de poziţie/deplasare analogici………………………… .. pag.12 2.1.Principiul măsurării analogice a deplasărilor…………………. pag.1 2 Traductoare capacitive 3.Traductoare de deplasare…………… ........................................ pag.13 3.1.Traductoare 3.1.Traductoare rezistive............................................. .................. pag.13 3.2.Traductoare 3.2.Traductoare inductive...................................................... ........ pag.14 3.3.Traductoare 3.3.Traductoare capacitive…………………………………………...pag.1 7 3.4.Traductoare piezoelectrice……………………………………… pag.19
4.Traductori pentru aparatură medicală…………………………… pag. 19 4.1.Traductori si sisteme de măsurare…………………………… măsurare……………………………...pag.20 ...pag.20 4.2.Caracteristici .2.Caracteristici statice …………………………………………… ……………………………………………..pag.22 4.2.1.Sensibilitatea, .2.1.Sensibilitatea, rezolutia si reproductibilitatea ……………… .pag.22 4.2.2.Elementele 4.2.2.Elementele sensibile ale traductoarelor (ES) ………………..pag. 24 4.2.3.Domeniul de masura………………………………………… ...pag.24 4.2.4.Liniaritate si neliniaritate …………………………………….. ..pag.25 4.3.Caracteristicile .3.Caracteristicile şi performanţele traductoarelor ………………..pag. ………………..pag. 26 4.3.1. Caracteristici ionar …………… Caracterist ici şi performanţe în regim staţ ionar ……………..pag.26 Măsuri de protecţie a muncii la utilizarea instalaţiilor şi
echipamentelor electrice………………………………………………pag.2 9 Bibliografie……………………………………………………………… pag.32
3
Dicţ ionarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvântul " senzor". Acesta a apărut odată cu dezvoltarea microelectronicii, împreun ă cu alte noţ iuni de mare impact, cum ar fi cele de „microprocesor”, „microcontroller”, „transputer”, „actuator” etc., adăugând o noţ iune nouă unei terminologii tehnice având o anumit ă redundanţă. Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt încadrate în categoria de traductor. Un traductor este un dispozitiv care converte şte efecte fizice în semnale
electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de m ăsurat sau calculatoare. În unele domenii, în special în sfera dispozitivelor electro-optice, se utilizează termenul de detector (detector în infraroşu, fotodetector etc.). Traductoarele introduse într-un fluid sunt denumite, uneori, probe. O categorie largă o constituie sistemele terminate în "- metru": de exemplu, "accelerometru" pentru măsurarea acceleraţ iei, "tahometru" pentru măsurarea vitezei unghiulare. Disciplina de Senzori şi Traductoare oferă studenţilor, de la profilurile
electrice, cunoştinţele necesare înţelegerii principiilor de funcţionare şi modului de realizare constructivă pentru cele mai utilizate traductoare în cadrul sistemelor de reglare (sau conducere) a proceselor industriale. Uşurinţa asimilării conţinutului acestui curs, completat cu lucrările practice de
laborator, este condiţionată de pregătirea anterioară a studenţilor la disciplinele : Fizică, Bazele Electrotehnicii, Măsurări Electrice şi Electronică. Întrucât această disciplină (Senzori şi Traductoare) este precedată şi logic
conectată de Măsurările Electrice, în cele ce urmează se vor reaminti câteva noţiuni generale referitoare la: • Procesul de măsurare • Importanţa măsurărilor în tehnică • Unităţile de măsură. 4
1.Senzorul
1.1.Consideraţii generale; ce este senzorul? Ce este senzorul? Trebuie spus c ă nu există o definiţ ie unitar ă şi necontestată a
„senzorului”, motiv care lasă mult spaţ iu pentru interpretări, ambiguităţ i şi confuzii. Mulţ i autori prefer ă să folosească sintagma „senzori şi traductoare” , în cadrul căreia, fie pun pe picior de egalitate senzorul şi traductorul, utilizând, alternativ sau preferenţ ial, unul dintre termeni, fie consider ă că unul reprezintă o categorie ierarhic ă superioar ă, incluzându-l pe celălalt. De multe ori se mai utilizeaz ă şi noţ iunea de „captor” , care amplifică semnele de întrebare, întrucât în limba francez ă, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care în aceast ă carte au fost numite „senzor”.Denumirea senzorului provine din cuvântul latin „sensus” , care însemnă simţ şi înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost şi este utilizat pentru a desemna capacit ăţ ile organelor de sim ţ ale oamenilor şi ale organismelor vii, de a culege şi prelucra informaţ ii din mediul înconjur ător şi a le transmite creierului. În acest proces m ărimile fizice,neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua şi interpreta şi pe baza cărora coordonează acţ iunile muşchilor. Modelul din biologie îl întâlnim, în mare m ăsur ă, la sistemele mecatronice, astfel că nu este inutil ă o scurtă trecere în revistă a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribu ţ ia acestora în supervizarea proceselor de producţ ie de către om: Cea mai solicitată şi importantă funcţ ie senzorială este cea vizual ă, care asigur ă cantitatea preponderent ă de informaţ ie, având şi cea mai mare viteză de transfer (cc.3.106 biţ i/s).Vederea facilitează omului cvasi-totalitatea ac ţ iunilor de investigare a mediului -identificarea obiectelor şi a configuraţ iei, poziţ iei şi orientării lor, aprecierea distanţ elor.Extraordinara perfecţ ionare a simţ ului vizual explică, poate, absen ţ a altor senzori de investigare la om, cum ar fi cei ultrasonici, cu care sunt dotate specii de animale, ca lilieci, delfini, balene ş.a. Funcţ ia ochiului nu se rezum ă la simpla preluare a unei imagini pe retin ă şi transmiterea ei către creier, ci presupune şi o serie de reglări inteligente, prin intermediul mu şchilor optici, ale cristalinului şi irisului, precum şi o prelucrare şi compresie a datelor transmise.Sim ţ ul auzului permite omului recepţ ionarea undelor sonore din domeniul "audio", având f recvenţ e cuprinse 5
între aproximativ 16 Hz şi 16 kHz. Rata de transfer a informa ţ iei auditive este de circa 2.104 biţ i/s. Acest simţ stă la baza comunica ţ iei dintre oameni; asigur ă şi funcţ ii de investigare a mediului, prin receptarea unor sunete, precum şi funcţ ii de supraveghere a procesului de produc ţ ie, în baza unor semnale sonore provenite de la sisteme de avertizare, a unor zgomote anormale.Foarte important ă, inclusiv în procesele de produc ţ ie, este sensibilitatea cutanat ă a omului, asigurată de multipli receptori implantaţ i în piele. Au fost identificate urm ătoarele forme de sensibilitate cutanată: sensibilitatea tactilă, sensibilitatea termică şi sensibilitatea dureroas ă. Cele trei feluri de sensibilitate cutanat ă nu sunt r ăspândite uniform pe suprafa ţ a pielii. Sensibilitatea tactilă este dezvoltat ă, în special, pe pielea de pe fa ţ a volar ă a vârfurilor degetelor, iar sensibilitatea termic ă este mai accentuat ă pe faţ a dorsală a mânii, unde exist ă şi o sensibilitate dureroas ă accentuată. Receptorii cutana ţ i sunt specializaţ i. Simţ ul mirosului (olfactiv) (102 bi ţ i/s) şi cel gustativ (10 biţ i/s) sunt extrem de utile omului în via ţ a de zi cu zi, dar utilizate de om într-un număr restrâns de procese de produc ţ ie, din industria alimentar ă, cea cosmetică etc.
Fig.1.1 Structuri ale sistemelor senzoriale
Nivelul de dezvoltare a capacit ăţ ilor senzoriale ale unui sistem mecatronic se determină, în general, după modul în care acesta reu şeşte să realizeze funcţ ii de recunoaştere similare cu cele ale omului. Între sistemele de recunoa ştere ale omului si ale unui sistem mecatronic exist ă însă două mari deosebiri:
omul are posibilit ăţ i multiple de recunoaştere, fiind dotat cu organe de sim ţ complexe, care îi asigur ă capacităţ ile de vedere, auz, miros, gust şi percepţ ie tactilă; la un system mecatronic acest lucru nu este nici necesar şi nici posibil, 6
tinzându-se spre limitarea func ţ iilor senzoriale la cele strict necesare impuse de utilizările concrete ale acestuia;
un sistem mecatronic poate fi dotat cu facilit ăţ i senzoriale pe care nu le întâlnim la om, asigurate, de exemplu, de senzorii de proximitate inductivi, capacitivi, fluidici, sau cei de investigare, bazaţ i pe radiaţ ii ultrasonice sau radiaţ ii laser şi funcţ ionând pe principiul radarului.
1.2.Clasificări Există astăzi senzori pentru mai mult de 100 de m ărimi fizice, iar dacă se iau în considerare şi senzorii pentru diferite substan ţ e chimice, numărul lor este de ordinul sutelor. Se pot pune în evidenţă circa 2000 de tipuri distincte de senzori, oferite în 100.000 de variante, pe plan mondial [ROD03]. Datorită marii diversităţ i a principiilor de conversie a m ărimilor fizice în mărimi electrice, precum şi a soluţ iilor de implementare a acestor principii, există şi o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate câteva dintre cele mai importante: Senzorii pot fi clasificaţ i în funcţ ie de tehnologiile utilizate pentru realizarea lor:
Tehnologii ale materialelor feromagnetice;
Tehnologii ale materialelor piezo-ceramice;
Tehnologii ale microeelectronicii şi microsistemelor;
Tehnologii ale staturilor sub ţ iri;
Tehnologii ale staturilor groase;
Tehnologii pentru materiale sinterizate;
Tehnologii ale foliilor etc.
În funcţ ie de tipul mărimii fizice de intrare senzorii pot fi clasifica ţ i în:
absoluţi, când semnalul electric de ieş ire poate reprezenta toate valorile
posibile ale mărimii fizice de intrare, raportate la o origine (referin ţă) aleasă;
incrementali , când nu poate fi stabilit ă o origine pentru toate punctele din
cadrul domeniului de m ăsurare, ci fiecare valoare m ăsurată reprezintă originea pentru cea urm ătoare. Foarte importantă este clasificarea în func ţ ie de tipul mărimii de ieşire, în:
senzori analogici , pentru care semnalul de ie şire este în permanenţă
propor ţ ional cu mărimea fizică de intrare; 7
senzori numerici (digitali), la care semnalul de ie şire poate lua numai un
număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare. Privind problema semnalului de ie şire din punctul de vedere al num ărului de valori posibile, pot fi puse în eviden ţă alte două clase distincte:
senzori binari , care prezint ă la ieşire numai dou ă valori distincte;
senzori cu un număr mare de valori , pentru măsurarea unei m ărimi într-o
anumită plajă; pot fi analogici sau numerici. Un alt criteriu de clasificare ţ ine cont de numărul elementelor traductoare şi de numărul de dimensiuni atribuite valorilor m ăsurate şi clasifică senzorii în scalari (un traductor, o dimensiune), vectoriali (m ăsur ări după trei direcţ ii ortogonale) şi matriciali (un anumit număr de traductoare dispuse dup ă o matrice mono-, bi- sau tridimensională). Combinarea ultimelor două criterii de clasificare permit clasificări mai complexe, de tipul celei prezentate în figura 1.2.
Fig.1.2 Clasificarea senzorilor după două criterii combinate
Senzorii pot fi clasificaţ i şi în funcţ ie de domeniul în care sunt utiliza ţ i:
În industrie
- Robotică (vezi exemplele din capitolul 2), fabrica ţ ie flexibilă, controlul calităţ ii, activităţ i de birou etc.
În protecţ ia mediului
În transporturi
În automatizarea cl ădirilor şi locuinţ elor
Dacă analiza se extinde la nivelul diferitelor domenii de utilizare, pot fi utile şi pertinente noi criterii de clasificare. De exemplu, în cazul senzorilor utiliza ţ i în 8
robotică, una dintre principalele clasific ări are al bază sistematizarea proprietăţ ilor şi parametrilor robotului şi mediului din figura 1.3
Fig.1.3 Variantă de clasificare a senzorilor din dotarea roboţ ilor
Cele două ramificaţ ii principale permit gruparea senzorilor în dou ă categorii mari:
Senzorii interni (denumiţi de unii autori şi intero-receptori), care servesc la
obţ inerea unor informaţ ii legate de funcţ ionarea robotului, cum ar fi pozi ţ ia relativă a elementelor cuplelor cinematice, vitezele şi acceleraţ iile liniare şi unghiulare, deformaţ iile elementelor lan ţ ului cinematic ş.a.
Senzori externi (denumiţi de unii autori şi extero-receptori), utilizaţ i pentru
culegerea unor informa ţ ii asupra mediului înconjur ător şi asupra interacţ iunii robot/mediu; servesc la identificarea prezen ţ ei şi stabilirea tipului, pozi ţ iei, orientării, culorii sau a altor propriet ăţ i ale obiectelor din mediu, la identificarea
lor de interacţ iune robot/mediu. unor obstacole, la determinarea for ţe Un criteriu care poate permite clasificarea senzorilor externi este cel referitor la contactul cu obiectele din mediu (fig.1.4). Un senzor care m ăsoar ă poziţ iile/deplasările în cuplele cinematice este un senzor intern, un senzor de investigare, care baleiază mediul înconjur ător pe principiul radarului, este un senzor extern f ăr ă contact, un senzor tactil este un senzor extern cu contact direct, iar un senzor de for ţă/moment este un senzor extern cu contact indirect, întrucât for ţ ele de
9
interacţ iune cu mediul nu sunt exercitate direct asupra senzorului, ci sunt resim ţ ite de acesta prin propagarea lor de-a lungul unor elemente intermediare.
Fig.1.4 Clasificarea senzorilor externi
1.3.Clasificare; Soluţii de montare Clasificarea acestor senzori se poate face dup ă mai multe criterii, astfel: După modul de exprimare a mărimii deplasării:
senzori de poziţie (absoluţi) care furnizează valoarea absolută a deplasării, ce corespunde pozi ţ iei curente a elementului mobil al cuplei cinematice considerată faţă de originea unui sistem de coordonate ata şat cuplei;
senzori de deplasare (relativi) care dau mărimea relativă a deplasării,
rezultată ca o diferenţă a valorilor corespunz ătoare coordonatelor finale şi iniţ iale ale elementului mobil. După natura semnalului furnizat de senzor:
senzori numerici incrementali care transformă deplasarea real ă, care este o
mărime continuă, într-o succesiune de impulsuri;
senzori numerici absoluţi la care deplasarea real ă este exprimată cu ajutorul unui grup de semnale binare ce corespund unui num ăr codificat în binar;
senzori analogici la care deplasarea real ă este transformată într-o mărime
continuă, modulată în amplitudine sau în fază. 10
După natura mărimii de intrare:
senzori liniari pentru măsurarea deplas ărilor rectilinii;
senzori rotativi care măsoar ă deplasările unghiulare.
O schemă a principalelor tipuri de senzori de poziţ ie/deplasare este redat ă în figura 1.5 a iar în figura 1.5 b sunt prezentate formele semnalelor de ie şire aferente.
Fig.1.5 Clasificarea senzorilor de pozi ţ ie/deplasare.
11
2.Senzori de poziţie/deplasare analogici 2.1 Principiul măsurării analogice a deplasărilor Principiul măsur ării analogice a deplasării este prezentat în figura 2.1.
a)
b)
Fig. 2.1.Principiul măsur ării analogice a deplas ărilor; a) semnale liniare; b) semnale sinusoidale Senzorul emite un semnal electric dependent de deplasare, materializat printr -o tensiune electrică, având o varia ţ ie liniar ă (fig.2.1, a) sau sinusoidal ă (fig.2.1, b). Dacă se consider ă amplitudinea semnalului pornind din punctul d0 (fig.2.1, a) şi până în punctul df , se constată că există o coresponden ţă biunivocă între deplasare şi mărimea tensiunii la ieşirea senzorului; în mod similar se petrec lucrurile şi în cazul sinusoidei din fig.2.1, b, în condi ţ iile în care se lucrează cu arcele de sinusoid ă corespunzătoare domeniului -T/4 - T/4, sau T/4 - 3T/4. În fiecare asemenea domeniu, unei anumite mărimi a tensiunii îi corespunde un singur punct pe axa deplas ărilor şi numai unul (metoda analogic-absolut ă). Ca urmare senzorul func ţ ionează ca senzor de poziţ ie. În cazul în care m ărimea deplasării ce trebuie m ăsurată o depăşeşte pe cea corespunzătoare perioadei T, semnalul la ie şirea senzorului va repeta dreapta sau sinusoida din figura 2.1 de mai multe ori, pân ă la acoperirea distanţ ei de măsurat. Astfel tensiunea U1 determin ă poziţ ia punctului d1i numai dac ă se cunoaşte numărul, i, de perioade pe care le-a furnizat senzorul pân ă în acel moment (metoda ciclic absolută). În aceste condiţ ii senzorul funcţ ionează ca senzor de deplasare.
12
3.Traductoare de deplasare Pentru masurarea deplasarilor se utilizeaza o serie de traductoare cum ar fi: traductoarele rezistive (potentiometrice), inductive, capacitive, selsinele, traductoare piezoelectrice, cu radiatii, numerice, de proximitate, s.a. 3.1.Traductoare rezistive
Dupa cum se cunoaste, variatia rezistentei e data de:
(3.3) unde: r - rezistivitatea electrica; l- lungimea conductorului; S - sectiunea conductorului. Modificând lungimea conductorului, practic se va modifica rezistenta electrica R. Pentru masurarea deplasarilor liniare se utilizeaza cu precadere potentiometrul liniar, figura 2.4. care se realizeaza prin bobinarea pe un suport izolant a unui fir rezistiv pe care se deplaseaza un cursor ce e sustinut de o pista decontact. Rezistenta de iesire a potentiometrului se modifica proportional cu deplasarea cursorului.
(2.4.) U
unde: R - rezistenta electrica a potentiometrului; l - lungimea potentiometrului, x deplasarea cursorului. Deoarece masurarea rezistentei este greoaie, se alimenteaza potentiometrul cu o tensiune continua stabilizata U tensiunea de iesire a acestuia U x depinzând numai de x, U si l fiind constante. Numai în cazul în care tensiunea de alimentare este stabilizata si valoarea curentului ce strabate potentiometrul este redusa, traductorul reproduce corect caracteristicile.
13
Pentru deplasari unghiulare se utilizeaza un potentiometru de forma circulara, obtinut prin bobinarea pe un suport izolant circular a unui fir rezistiv peste care aluneca un cursor, conform figura 3.5. Rezistenta la iesirea potentiometrului si tensiunea de iesire când acesta este alimentat la o tensiune continua stabilizata, depind numai de unghiul α dupa relatia:
si
(3.6)
3.2.Traductoare inductive Functionarea traductoarelor inductive are la
baza
variatia
geometriei
circuitului
(cuplajului)
magnetic în functie de masurând, care se traduce într-o
variatie
de
inductivitate
proprie
sau
mutualaPentru cazul deplasarilor liniare mici (< 2 mm), uzual se folosesc traductoare inductive cu întrefier variabil (cu armatura mobila). Una din aceste variante este prezentata în figura 3.6. Circuitul magnetic se realizeaza dintr-o oala de permaloy 1 si armatura mobila 2. Bobina 4 se fixeaza în piesa 1, tija 3 fiind fixata în armatura mobila 2 . Prin l 1 si l 2 sau notat lungimile medii ale liniilor de câmp magnetic, iar d este distanta dintre armatura mobila 2 si miezul magnetic 1. La modificarea distantei d sub actiunea unei deplasari, practic se va modifica inductanta L a bobinei ce depinzde de d. Deoarece, ca si în cazul traductoarelor rezistive este dificil a se masura variatiile de inductanta, practic se masoara caderea de tensiune pe rezistenta R . În cazul în care sectiunile circuitului magnetic se aleg într-un anumit mod, caderea de tensiune pe rezistenta R este aproximativ egala cu marimea de iesire e si este data de relatia:
(3.7) 14
unde: U - tensiune de alimentare alternativa stabilizata; RL- rezistenta electrica a bobinei; m, mrp - permeabilitatea magnetica absoluta si relativa a permaloyului; N - numar de spire; S - sectiunea circuitului magnetic. Pentru cazul deplasarilor mai mari de 2 mm în mod obisnuit se utilizeaza traductoare inductive diferentiale cunoscute si sub denumirea de transformatoare diferentiale. În cazul unor deplasari de pâna la 4 mm se utilizeaza traductorul inductiv diferential cu întrefier variabil, iar pentru deplasari de ordinul centimetrilor se utilizeaza traductoare inductive diferentiale, cu miez magnetic mobil. Acestea se realizeaza constructiv prin bobinarea a doua înfasurari primare si doua secundare identice pe cele doua carcase izolante ce se monteaza pe un tub din material nemagnetic ( plastic, textolit, alama, s.a.) în interiorul c aruia se poate deplasa liber un miez magnetic ce se executa obisnuit din fier moale. Practic reprezinta doua transformatoare identice montate pe aceeasi carcasa ce arata constructiv ca în figura 3.7., unde: 1 - bobine primare; 2 - bobine secundare; 3 - miez magnetic; 4 - tija; 5 distantier; 6 - capace. Pentru reducerea perturbatiilor de natura electromagnetica, întreg ansamblul se ecraneaza. Functionarea traductorului prezentat se bazeaza pe principiul variatiei cuplajului magnetic între primarul si secundarul celor doua transformatoare identice la deplasarea miezului magnetic. Se recomanda ca pentru o buna reproductibilitate tensiunea de alimentare primara sa fie alternativa stabilizata, iar tensiunea secundara sa fie redresata si stabilizata.
15
Înfasurarile primare ale celor doua transformatoare se leaga în serie aditional, iar cele secundare în opozitie, astfel ca, în pozitia centrala a miezului magnetic
tensiunea de iesire este nula. Schema electrica a legaturilor arata ca în figura 3.8.a. Conform acestei legaturi, caracteristica statica arata ca în figura 3.8.b. Aceasta varianta are dezavantajul ca indiferent de pozitia miezului magnetic, fata depozitiacentrala (la dreapta sau stânga), conform caracteristici statice, valoarea marimii de iesire este aceeasi. De aceea, în practica este convenabil sa se realizeze circuitul de masura din figura 3.9.a., caracteristica statica în acest caz fiind prezentata în figura 3.9.b. Comparativ cu traductoarele inductive cu armatura mobila, din cauza circuitului magnetic redus acestea au un factor de calitate scazut, de ordinul unitatilor. Cu toate acestea, traductoarele inductive cu miez mobil sunt preferate deoarece prezinta o serie de avantaje ca: - &nb 20520r1714u sp; &nb 20520r1714u sp; domeniul de masurare poate fi de ordinul centimetrilor; - &nb 20520r1714u sp; &nb 20520r1714u sp; prezinta o reproductibilitate si rezolutie ridicata; - &nb 20520r1714u sp; &nb 20520r1714u sp; sunt insensibile la deplasarile radiale si au frecari reduse; - &nb 20520r1714u sp; &nb 20520r1714u sp; prezinta posibilitatea protectiei la medii corozive, presiuni si temperaturi ridicate, s.a. Facem mentiunea ca în afara traductoarelor inductive prezentate, în practica se mai pot utiliza traductoare de tip: transformator, inductosin liniar si circular [23].
3.3.Traductoare capacitive 16
Functioneaza pe principiul modificarii capacitatii unui condensator atunci când variaza fie distanta dintre armaturile lui, fie dimensiunile armaturilor, fie constanta dielectrica a mediului dintre ele conform relatiei:
(3.8)
Pentru deplasari mici, se utilizeaza traductoare capacitive la care se modifica distanta dintre armaturi (figura 3.10), armatura 1 fiind suspendata elastic si se poate deplasa paralel cu ea însasi sub actiunea fortei F (deplasarii). Armatura 2 este fixa si izolata electric fata de suport. Între capacitatea traductorului si deplasarea (x) a armaturii mobile exista o relatie de forma:
(3.9) unde:
εr - permitivitatea relativa a dielectricului dintre armaturi; Ss - suprafata de suprapunere a celor doua armaturi;
δ - distanta dintre armaturi; x - deplasarea de masurat.
Sensibilitatea traductoarelor e data de: Pentru masurarea unor unghiuri se utilizeaza traductorul capacitiv reprezentat schematic în figura 3.11, la care se modifica practic suprafata de suprapunere a armaturilor, una fiind fixa - 1 , cealalta - 2 putându-se roti prin fixarea acesteia pe axul 3. În functie de unghiul de rotire α a armaturii mobile se va modifica suprafata de suprapunere dintre cele doua armaturi, valoarea capacitatii fiind data de:
(3.10)
notatiile fiind cele anterioare, rezulta: 17
Pentru cazul unor deplasari liniare se utilizeaza: traductoare cu armaturi dreptunghiulare si cilindrice. Pentru traductorul cu armaturi dreptunghiulare (1-fixa, 2 - mobila) din figura 3.12.,capacitatea este data de:
, iar
(3.11)
Pentru traductorul cu armaturi cilindrice din figura 3.15 (1 - fixa, 2 mobila) capacitatea depinde de deplasarea axiala a cilindrului interior, fiind:
,
iar
(3.12)
unde
r 1, r 2 sunt razele cilindrului interior, respectiv exterior. Cu mentiunea ca exista si variante de traductoare capacitive la care se modifica dielectricul (acesta nu în sensul ca se modifica pozitia dielectricului fata de cele doua armaturi), precizam ca toate traductoarele capacitive functioneaza în curent alternativ la frecventa de cel putin 1 kHz.
Traductoarele capacitive prezinta o foarte buna sensibilitate fiind utilizate frecvent pentru masurari de deplasari rapide. metoda compensarii. Datorita faptului ca în mare masura capacitatea traductorului depinde de dimensiunile geometrice ale armaturilor care pot varia cu temperatura mediului, ducând la erori importante, pentru înlaturarea acestui inconvenient armaturile se confectioneaza dintr-un material special numit invar. De asemenea se utilizeaza si prin montarea în punte a doua traductoare identice, numai unul dintre acestia fiind actionat de marimea neelectrica masurata sau controlata.
3.4.Traductoare piezoelectrice
Sunt traductoarele generatoare ce functioneaza pe principiul piezoelectric (magnetostrictiv). Acest fenomen consta în aparitia de sarcini electrice pe fetele unui cristal special în momentul în care asupra acestuia se exercita forte (presiuni) mecanice, fenomen descoperit de fratii curie la sfârsitul secolului trecut. Initial, fenomenul a fost observat la cristalele de cuart (SiO 2) dar, proprietatile pizoelectrice mai prezinta si alte cristale ca: turmalina, oxidul de zinc, niobatul de l itiu, titanul de bariu, plumb si zirconiu, s.a. 18
În ultima perioada se utilizeaza cu precadere titanatul de bariu care este un material ceramic cu aspectul portelanului, rezistent la solicitari mecanice si termice care are un randament ridicat în functionare.
Traductorul este alcatuit din unul din cristalele amintite, prelucrat în mod special (figura 3.14), pe fetele caruia se depune un strat subtire de argint coloidal cu scopul de a culege sarcinile electrice formate când elementul piezoelectric se supune unor deformatii mecanice. Au avantajul unei inertii reduse, sunt fiabile, nu necesita surse de alimentare, în schimb necesita amplificatoare deoarece tensiunea generata este foarte mica. Au dezavantajul unui pret relativ ridicat.
4.Traductori pentru aparatură medicală. In cercetarea medicala, ca si in medicina clinica, este importanta achizitia datelor fiziologice din corpul uman pentru cresterea nivelului de intelegere al mecanismelor fiziologice de baza si pentru inlesnirea procedurilor de diagnosticare. Calitatea unor astfel de masurari depinde de performanta senzorilor, traductorilor si instrumentelor din sistemul de masura. Corpul uman este un obiect “greu” de masurat; masurarile de precizie ale semnalelor fiziologice necesita senzori, traductori si instrumente care au specificitate si selectivitate mari si care nu interfera cu sistemele aflate in studiu. Senzorul este un instrument care permite decelarea unei informatii continuta de un obiect sau manifestarea unui fenomen (sensor in engleza, capteur in franceza). Senzorii se substituie celor cinci simturi ale omului (vazul, auzul, pipaitul, mirositul si gustul) pentru masurarea cantitativa a marimilor fizice ale unui obiect sau in detectarea fenomenelor insesizabile omului. In sens larg, senzorul este un element capabil sa efectueze o conversie. Traductorul este un dispozitiv care transforma un anumit tip de semnal
sonor, electric, luminos – in semnal electric, conform unei legi determinate.
19
–
Primul capitol al lucrarii cuprinde o scurta prezentare a conceptelor necesare pentru intelegerea functionarii sistemelor de masurare si ale instrumentelor. Celelalte capitole sunt legate de marimi importante studiate in medicina: presiunea, fluxul, temperatura si miscarea de exemplu. Aplicarea principiilor senzorilor, traductorilor si instrumentelor in medicina este prezentata din punct de vedere practic. Este important de avut in vedere probleme cum sunt biocompatibilitatea, interferenta electromagnetica si modul de atasare a sondelor la sistemul biologic aflat in studiu.
4.1.Traductori şi sisteme de măsurare In procesul de masurare, observatorul obtine informatii despre obiectul de masurat folosind un sistem de masurare. De obicei, un sistem de masurare contine un traductor si un instrument electric asa cum este aratat in Fig. 4.1. Marimea fizica sau chimica ce caracterizeaza obiectul de masurat este detectata de catre traductor si este transformata intr-o cantitate electrica, care este afisata prin intermediul unui instrument electronic adecvat care transfera rezultatul observatorului.
Fig. 4.1 Structura generala a sistemului de masurare
Uneori, masurarile necesita aplicarea unor proceduri active obiectului de studiat, cum sunt excitarea, iradierea, stimularea, administrarea unui medicamnet sau injectia. Aceste proceduri sunt considerate parte a procesului de masura si sunt realizate de traductor sau de alte parti ale sistemului de masurare. Desi in unele masurari procedura activa este inevitabila, influenta sa asupra obiectului de studiat trebuie minimalizata din doua motive: mai intai, pentru a reduce 20
cat mai mult rolul intamplarii si apoi pentru a minimaliza modificarea marimii de masurat datorita procedurii active. Pe de alta parte, adesea apare situatia in care masurarea devine mai usoara si mai precisa daca sunt marite energia stimulilor aplicati in procedura activa. Nivelul procedurii active poate fi determinat ca un compromis intre doua tendinte contrarii: micsorarea influentei asupra obiectului de masurat si marirea performantei sistemului de masurare. Traductorul este o parte esentiala a sistemului de masurare, deoarece calitatea sistemului de masurare este determinata in cea mai mare parte de performantele traductorului utilizat. De exemplu, raportul semnal-zgomot este determinat intotdeauna in principal de traductor, in masura in care la interfete sunt folosite circuite electronice adecvate. Dupa principiul de functionare, traductoarele sunt de 2 tipuri: 1. Traductoare parametrice 2. Traductoare generatoare Traductoarele parametrice sunt traductoare la care semnalul neelectric, aplicat la intrare, determina modificarea unei proprietati electrice (parametru electric) al traductorului, cum sunt rezistenta electrica, capacitatea electrica, inductanta, inductanta mutuala, coeficientul de atenuare al radiatiei. Aceasta reprezinta o convertire pasiva. Punerea in evidenta a modificarii parametrului electric necesita existenta unei surse exterioare de energie (sursa de activare). Exemple: termorezistenta, fotorezistenta. Traductoarele generatoare sunt traductoare la care semnalul neelectric, aplicat la intrare, determina generarea unei tensiuni electromotoare. Convertirea unei energii de un anumit fel in energie electrica este o convertire activa. Punerea in evidenta a marimii de la iesirea traductorului nu necesita existenta unei surse exterioare de energie. Exemple: termocuplul, elementul fotovoltaic. Diferitele tipuri de marimi de masurat necesita diferite tipuri de traductori. De asemenea, sunt necesare diferite tipuri de traductor i conform cerintelor diverselor situatii de masurare cum ar fi nivelul amplitudinii semnalelor, domeniile de frecventa, exigentele de precizie, limitele impuse de dimensiuni, de forme, de materiale sau de procedurile de masurare fara intromisie. In masurarile biomedicale, traductorii proiectati pentru alte scopuri sunt deobicei nepotriviti chiar atunci cand caracteristicile lor principale ca tipul marimilor de masurat, domeniile de masura sau raspunsurile in frecventa sunt acceptabile. In realitate, majoritatea traductorilor utilizati in masurari 21
biomedicale sunt astfel proiectati incat pot fi aplicati corpului uman cu efecte secundare minime in scopul de a obtine corect informatia biologica dorita.
4.2.Caracteristici statice In majoritatea sistemelor de masurare, semnalul de iesire al sistemului de masura poate fi determinat in intregime in functie de semanlul de intrare al marimii de masurat la un moment dat, daca modificarea marimii de masurat este suficient de lenta. Intr-o asemenea situatie, relatia semnal de iesire – semnal de intrare a sistemului de masurare poate fi determinata in mod unic, indiferent de trecerea timpului. Marimea de masurat si caracteristicile care reprezinta relatia intre semnalul de iesire al sistemului de masurare si marimea de masurat sunt numite caracteristici statice.
4.2.1.Sensibilitatea, rezolutia si reproductibilitatea Termenul sensibilitate este totdeauna folosit astfel incat sensibilitatea unui traductor sau a unui sistem de masura sa fie mare atunci cand o modificare mica a marimii de masurat ()x;S1ΔΔ )y;S2Δprovoaca o modificare importanta a semnalului de iesire (Δ. Dar, aceasta definitie a sensibilitatii nu este singura. In unele cazuri, sensibilitatea este definita ca raportul intre semnalul de iesire si semnalul de intrare:
(1.1)
In aceasta definitie, valoarea numerica ce reprezinta sensibilitatea este mare atunci cand sensibilitatea este mare. Definitia (1.1) reprezinta sensibilitatea absoluta a sistemului de masura. Daca variatia semnalelor este raportata la marimea lor, atunci se poate defini sensibilitatea relativa:
(1.2)
In alte cazuri, sensibilitatea este definita ca raportul intre semnalul de intrare si semanlul de iesire. Acest factor corespunde variatiei cantitatii marimii de masurat care produce modificarea cu o unitate a semnalului de iesire. Prin definitie, valoarea numerica este mica atunci cand sensibilitatea este mare. Sensibilitatea are o dimensiune atunci cand marimea de masurat si aceea a semnalului de iesire sunt 22
diferite. Sensibilitatile pentru cantitatile diferitelor marimi de masurat sunt reprezentate in diferite unitati ca de exemplu mV/kPa, :A/K. mV/pH, etc. Sensibilitatea poate avea o valoare constanta atunci cand modificarea semnalului de iesire este legata liniar de modificarea marimii de masurat. Sensibilitatea insa nu este constanta atunci cand raspunsul este neliniar; in acest caz sensibilitatea depinde da valoarea absoluta a marimii de masurat. Rezolutia etse cea mai mica valoare a marimii de masurat care poate fi distinsa in semnalul de iesire al sistemului de masurare. O modificare a marimii de masurat care este mai mica decat rezolutia sistemului de masurare nu produce o modificare detectabila a semnalului de iesire care sa fie deosebit de zgomot. Valoarea numerica a rezolutiei este mica atunci cand rezolutia este mare. Rezolutia are aceleasi dimensiuni ca si marimea de masurat. Reproductibilitatea arata cat de apropiate ca valoare sunt semnalele de iesire atunci cand este masurata repetat aceeasi marime. Cantitativ, reproductibilitatea unui sistem de masurare este definita ca domeniul marimii de masurat pentru care masurarile succesive ale marimii respective sunt cuprinse cu anumita probabilitate in acel domeniu. Daca nu este specificat nivelul probabilitatii, atunci este subinteles sa fie de 95%. Atunci cand domeniul este ingust, reproductibilitatea este mare. Termenul de repetabilitate este si el folosit pentru a exprima conceptul de reproductibilitate, dar repetabilitatea este inteleasa ca reproductibilitatea intr-un interval scurt de timp atunci cand acesti termeni sunt distincti.
4.2.2.Elementele sensibile ale traductoarelor (ES) Elementele sensibile (ES) constituie partea cea mai diversificată a tradu ctoarelor. Acestea permit detectarea mărimii de măsurat din întreg ansamblul de mărimi care acţionează în mediul înconjurător rejectând sau reducând la un m inim acceptabil influenţa celorlalte. Dat fiind numărul şi marea varietate a mărimilor care intervin în procesele automatizate şi care trebuie măsurate cu ajutorul traductoarelor, rezultă implicit 23
necesitatea unei multitudini de tipuri de elemente sensibile (ES), corespunzător acestor aplicaţii. Elementele sensibile se pot clasifica : a) după principiul de conversie a mărimii fizice aplic ate la intrare: elementele sensibile ( ES) parametrice; elementele sensibile ( ES) generatoare. Principiul conversiei este important pentru studiul general al traductoare lor şi evidenţierea fenomenelor fizice care stau la baza funcţionării acestora (modul de conversie al mărimii de măsurat într -un anumit tip de mărime electr ică). b) după natura mărimii fizice de măsurat: elemente sensibile ( ES) pentru: deplasare, viteză, forţă, debit, radiaţie etc.
4.2.3.Domeniul de masura Domeniul de masura este intreg domeniul marimii de masurat pentru care sistemul de masurare lucreaza la performanta nominala a sistemului de masurare respectiv. Astfel, domeniul de masura depinde de exigentele de performanta cum sunt sensibilitatea, rezolutia sau reproductibilitatea. Daca exigentele sunt mari, domeniul de masura este ingust. Uneori sunt specificate domenii de masura diferite pentru exigente diferite. De exemplu, la un termometru, domeniul de masura este de la 30 la 40°C pentru reproductibilitate de 0,1°C, si de la O la 50°C pentru reproductibilitate de 0,5°C. Domeniul de masura stabileste modificarea maxima a marimii de masurat atat timp cat este respectata performanta nominala a sistemului
de masura. Pe de alta parte, modificarea
minima detectabila a marimii de masurat este data de rezolutie. Raportul intre domeniul de masura si rezolutie este numit domeniul dinamic. Domeniul dinamic este adimensional si este uneori exprimat in decibeli (db).
4.2.4.Liniaritate si neliniaritate Liniaritatea arata cat de aproape de o linie dreapta este relatia semnal de iesire
– semnal de intrare intr-un sistem de masurare. In functie de linia dreapta care este luata in considerare, sunt folosite diferite definitii ale liniaritatii. Astfel, linia dreapta poate fi definita prin fitarea relatiei semnal de iesire – semnal de intrare prin metoda celor mai mici patrate; alte linii drepte determinate prin fitarea prin metoda celor mai mici patrate pot fi obligate sa treaca fie prin origine, f ie prin punctul terminal sau prin 24
amandoua. Atunci cand se foloseste linia dreapta care t rece prin origine, liniaritatea specifica acestei definitii este numita liniaritate cu baza zero sau proportionalitate. Ca o masura cantitativa a liniaritatii, se poate utiliza abaterea maxima a curbei semnal de iesire – semnal de intrare de la linia dreapta. Totusi, in mod conventional, pentru a indica aceasta valoare este folosit termenul de neliniaritate, deoarece valoarea numerica la folosirea acestei definitii este mare atunci cand abaterea relatiei semnal de iesire – semnal de intrare de la o dreapta este semnificativa. Atunci cand liniaritatea este mare (sau neliniaritatea este mica), relatia semnal de iesire – semnal de intrare poate fi considerata o linie dreapta, si astfel sensibilitatea poate fi considerata constanta. Pe de alta parte, atunci cand liniaritatea este scazuta (sau neliniaritea este mare), sensibilitatea depinde de nivelul semnalului de intrare. Desi este de dorit o liniaritate cat mai mare in majoritatea sistemelor de masurare, masurari precise sunt posibile chiar la un raspuns neliniar, in masura in care relatia semnal de iesire – semnal de intrare este pe deplin determinata. Folosind un computer, se poate estima semnalul de intrare la fiecare interval de testare, atunci cand e ste cunoscuta relatia semnal de iesire
– semnal de intrare.
4.3.Caracteristicile şi performanţele traductoarelor 4.3.1. Caracteristici şi performanţe în regim staţionar
Caracteristicile funcţionale ale traductoarelor reflectă (în esenţă) modul în care se realizează relaţia de dependenţă intrare -ieşire (I-E). Performanţele traductoarelor sunt indicatori care permit să se aprecieze măsura în care caracteristicile reale corespund cu cele ideale şi ce condiţii sunt necesare pentru o bună concordanţă în tre acestea. 25
Caracteristicile şi performanţele de regim staţionar se referă la situaţia în care mărimile de intrare şi de ieşire din traductor nu variază, adică parametrii purtători de informaţie specifici celor două mărimi sunt invarianţi. Caracteristica statică a traductorului este reprezentată prin relaţia intr are – ieşire
(I-E): y = f(x)
(1.1)
în care y şi x îndeplinesc cerinţele unei măsurări statice. Relaţia (1.1) poate fi exprimată analitic sau poate fi dată grafic printr -o curbă trasată cu perechile de valori (x , y). Caracteristica y = f(x) redă dependenţa I -E sub forma ideală deoarece, în realitate, în timpul funcţionării traductorului, simultan cu mărimea de măsurat x, se exercită atât efectele mărimilor perturbatoare externe 1, 2 , 3 , ..., n cât şi a celor interne 1, 2 , 3 , ..., r care determină modificări nedorite ale caracteristicii statice ideale.
În afara acestor perturbaţii (nedorite), asupra traductorului intervin şi mărimile de reglaj, notate prin C1,C2 , C3 , ..., Cq . Aceste reglaje servesc la obţ inerea unor
caracteristici adecvate domeniului de variaţie al mărimii de măsurat în condiţii reale de funcţionare a traductorului. Ţinând seama de toate mărimile care pot condiţiona funcţionarea traductorului, acesta se poate reprezenta printr- o schemă funcţională restrânsă, ilustrată în figura 1.1. Reglajele C1,C2 , C3 , ..., Cq nu provoacă provoacă modificări nedorite ale caracteristicii statice ideale şi sunt necesare pentru : -
alegerea domeniului de măsurare;
-
prescrierea sensibilităţ ii traductorului,
-
calibrarea internă şi reglarea zeroului.
26
Fig. 4.3.1. Mărimile perturbatoare externe 1 , 2 , 3 ,
…, n cele mai importante sunt de
natura unor factori de mediu: presiunea, umiditatea, temperatura , câmpuri
electrice sau magnetice etc. Aceste perturbaţii (nedorite) pot acţiona atât asupra mărimii de măsurat, cât şi asupra elementelor constructive ale tradu ctorului. Mărimile perturbatoare interne
se datorează zgomotelor generate de
rezistoare, de semiconductoare, frecări în lagăre, îmbătrân irea materialelor care-şi schimbă proprietăţile, variaţii ale parametrilo r surselor de alimentare etc. Da torită mărimilor perturbatoare, traductorul va funcţiona după o relaţie de depe ndenţă (IE) reală, descrisă de funcţia: y f ( x , 1 , 2 , 3 , ..., n , 1 , 2 , 3 , ..., r ) ;
(1.2)
Este important de observat că erorile sunt generate de variaţiile mărim ilor perturbatoare şi nu de valorile lor absolute, care dacă ar rămâne constante ar putea fi luate în considerare ca atare în expresia caracteristicii. Modul în care mărimile perturbatoare influenţează ieşirea , admiţând că variaţiile lor sunt mici, se pune în evidenţă prin dezvoltarea în serie Taylor a funcţiei (2.1) cu neglijarea termenilor corespunzători derivatelor de ordin supe r ior. Se obţine: y
f x
x
f 1
1 ...
f n
n
f 1
1 ...
(1.3) Derivatele de ordinul I au semnificaţia unor sensibilităţi: f x
- este sensibilitatea utilă a traductorului
27
f r
r
f i
şi
f i
sunt sensibilităţi parazite
Cu cât sensibilitatea utilă va fi mai mare, iar sensibilităţile parazite vor fi mai mici, cu atât caracteristica reală a traductorului va fi mai apropiată de cea ideală (1.1) Dacă sensibilităţile parazite au valori ridicate se impune introducerea unor dispozitive de compensare automată. Prin concepţie (proiectare) şi construcţie, traductoarele se realizează as tfel încât mărimile de influenţă (perturbatoare) să determine efecte minime si deci , să se poată considera valabilă caracteristică statică ideală y = f(x) în lim itele unei erori tolerate. În ipoteza de liniaritate şi admiţând că influenţele mărimilor perturbato are nu depăşesc eroarea tolerată , forma uzuală pentru caracteristica statică a traductoarelor analogice este: y k ( x x 0 ) y 0 ;
(1.4)
în care x0 şi y0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero.
28
MĂSURI DE PROTECȚIE A MUNCII LA UTILIZAREA INSTALAȚIILOR ȘI ECHIPAMENTELOR ELECTRICE
Pentru evitarea accidentelor prin electrocutare, este necesară eliminarea posibilității de trecere a unui curent periculos prin corpul omului. Măsurile, amenajările și mijloacele de protecție trebuie să fie cunoscute de către tot personalul muncitor din toate domeniile de activitate. Principalele măsuri de prevenire a electrocutării la locurile de muncă sunt: Asigurarea inaccesibilității elementelor care fac parte din circuitele electrice și care se realizează prin: Amplasarea conductelor electrice, chiar izolate, precum și a unor echipamente electrice, la o înălțime inaccesibilă pentru om. Astfel, normele prevăd că înălțimea minimă la care se pozează orice fel de conductor electric să fie de 4M, la traversarea părților carosabile de 6M, iar acolo unde se manipulează materiale sau piese cu un gabarit mai mare, această înălțime să depășească cu 2.25m gabaritele respective. Folosirea mijloacelor individuale de protecție și mijloacelor de avertizare. Mijloacele de protecție individuală se întrebuințează de către electricieni pentru prevenirea electrocutării prin atingere directă și pot fi împărțite în două categorii: principale și auxiliare. Mijloacele principale de protecție constau din: tije electroizolante, clești izolanți și scule cu manere izolante. Izolația acestor mijloace suportă tensiunea de regim a instalației în condiții sigure; cu ajutorul lor este permisă atingerea părților conductoare de curent aflate sub tensiune. Mijloacele auxiliare de protecție constau din: echipament de protecție (mănuși, cizme, galoși electroizolanți), covorașe de cauciuc, platforme și grătare cu piciorușe e lectroizolante din porțelan etc. Aceste mijloace nu pot realiza însă singure securitatea împotriva electrocutărilor. Întotdeauna este necesară folosirea simultană cel puțin a unui mijloc principal și a unuia auxiliar. Mijloacele de avertizare constau din plăci avertizoare, indicatoare de securitate (stabilită prin standarde și care conțin indicații de atenționare), îngrădiri provizorii prevăzute și cu plăcuțe etc. Acestea nu izolează, ci folosesc numai pentru avertizarea muncitorilor sau a persoanelor care se apropie de punctele de lucru periculoase.
29
Deconectarea automată în cazul apariției unei tensiuni de atingere periculoase sau a unor scurgeri de curent periculoase. Se aplică mai ales la instalațiile electrice care funcționează cu punctul neutru al sursei de alimentare izolat față de pământ. Menționând faptul că un curent de defect 300 -500A poate deveni în anumite condiții, un factor provocator de incendii, aparatul prezentat asigură protecția și împotriva acestui pericol. Întrerupătorul este prevăzut cu carcase izolante, și este echipat cu declanșatoare termice, electromagnetice și releu de protecție la curenți de defect. Separarea de protecție se realizează cu ajutorul unui transformator de separație. Prin acesta, se urmărește crearea unui circuit izolat față de pământ, pentru alimentarea echipamentelor electrice, la care trebuie înlăturat pericolul de electrocutare. În cazul unui defect, intensitatea curentului care se închide prin om este foarte mică, deoarece trebuie să treacă prin izolația care are o rezistență foarte mare. Izolarea suplimentară de protecție constă în executarea unei izolări suplimentare față de izolarea obținută de lucru, dar care nu trebuie să reducă calitățile mecanice și electrice impuse izolării de lucru. Izolarea suplimentară de protecție se poate realiza prin: aplicarea unei izolări suplimentare între izolația obișnuită de lucru și elementele bune conducătoare de electricitate ale utilajului; aplicarea unei izolații exterioare pe carcasa utilajului electric; izolarea amplasamen tului muncitorului față de pământ. Protecția prin legarea la pământ este folosită pentru asigurarea personalului contra electrocutării prin atingerea echipamentelor și instalațiilor care nu fac parte din circuitele de lucru, dar care pot intra accidental s ub tensiune, din cauza unui defect de izolație. Elementele care se leagă la pământ sunt următoarele: carcasele și postamentele utilajelor, mașinilor și ale aparatelor electrice, scheletele metalice care susțin instalațiile electrice de distribuție, carcase le tablourilor de distribuție și ale tablourilor de comandă, corpurile manșoanelor de calibru și mantalele electrice ale cablurilor, conductoarele de protecție ale liniilor electrice de transport etc. Instalația de legare la pământ constă în conductoarele de legare la pământ și priza de pământ, formată din electrozi. Prizele de pământ verticale sau orizontale se realizează astfel încât diferența de potențial la care ar putea fi expus muncitorul prin atingere directă să nu fie mai mare de 40V. În general, pentru a se realiza o priză bună, cu rezistența mică, elementele ei metalice se vor îngropa la o adâncime de peste 1M, în pământul bun conducător de electricitate, bine umezit și bătut. 30
Sistemul de priză (legare la pământ) separată pentru fiecare utilaj prezintă următoarele dezavantaje: este costisitor (cantități mari de materiale și manoperă); unele utilaje (transformatoare de sudură, benzi transportoare etc.) se mută frecvent dintr -un loc în altul; legătură este de multe ori incorect executată datorită caracterului de provizorat al instalației. Protecția prin legare la nul se realizează prin construirea unei rețele generale de protecție care însoțesc în permanență rețeaua de alimenare cu energie electrică a utilajelor. Rețeaua de protecție are rolul unui conductor principal de legare la pământ, legat la prize de pământ cu rezistența suficient de mică. Sistemul prezintă o serie de avantaje: utilajele electrice pot fi legate la o instalație de legare la pământ cu o rezistența suficient de mică; este economic, deoarece la instalațiile provizorii pentru șantiere, materialele folosite pot fi recuperate în cea mai mare parte; este ușor de realizat, putând fi folosite prizele de pământ naturale, constituite chiar din construcțiile de beton armat; permite să se execute legături sigure de exploatare, deoarece are prize stabile cu durată mare de funcționare; toate utilajele electrice pot fi racordate cu ușurință la rețeaua de protecție; se poate executa în mod facil un control al instalației de legare la pămâ nt, deoarece legăturile sunt simple și vizibile, iar prizele de pământ pot fi separate pe rând pentru măsurare, utilajele rămânând protejate sigur de celelalte prize. Pentru cazul unei întreruperi accidentale a legăturii la nul se prevede, ca o măsură suplimentară, un număr de prize de pământ. În aceeași instalație nu este permisă protejarea unor utilaje electrice prin legare la pământ, iar a altora prin legare la nul. Instalația de protecție nu poate fi modificată în timpul exploatării, fără un proiect și fără dispoziția șefului unității respective.
31