До вимірювальних перетворювачів параметричного типу відноситься. Первинні вимірювальні перетворювачі. б) ємнісних перетворювачів

Тема 18

Вимірювальні перетворювачі (датчики)

Жодна система управління не може працювати без інформації про стан об'єкта управління і його реакції на керуючий вплив. Елементом систем, які забезпечують отримання такої інформації, є вимірювальний перетворювач-датчик .

Число типів датчиків значно перевершує число вимірюваних величин, так як одну і ту ж фізичну величину можна вимірювати різними методами і датчиками різних конструкцій.

Для більшості датчиків характерно вимір електричними методами не тільки електричних і магнітних, а й інших фізичних величин. Такий підхід обумовлений перевагами електричних вимірювань, з огляду на те, що електричні сигнали можна просто і швидко передавати на великі відстані, електричні величини легко, швидко і точно перетворюються в цифровий код, дозволяють забезпечити високу точність і чутливість.

В якості класифікаційних ознак датчиків можна прийняти багато характеристики: вид функції перетворення; рід вхідний і вихідний величини; принцип дії; конструктивне виконання.

По виду використовуваної енергії датчики можна поділити на електричні, механічні, пневматичні і гідравлічні. Залежно від виду вихідного сигналу: аналогові, дискретні, релейні, з природним або уніфікованим вихідним сигналом.

За характером перетворення вхідної величини в вихідну: параметричні, генераторні, частотні, фазові.

По виду вимірюваної фізичної величини: лінійних і кутових переміщеннях, тиску, температури, концентрації речовин і т.д.

Принцип дії параметричних перетворювачів полягає в перетворенні неелектричних вхідних величин в параметри електричних ланцюгів: опір R, індуктивність L, ємність З, взаімоіндуктівность М. Для харчування цих перетворювачів потрібні зовнішні джерела. До таких датчиків належать: резистивні, індуктивні, трансформаторні, ємнісні перетворювачі.

Генераторні перетворювачі перетворять вхідні величини в ЕРС. Вони не вимагають енергії додаткових джерел живлення.

Це індукційні, термоелектричні, п'єзоелектричні, фотоелектричні перетворювачі.

Фазові і частотні перетворювачі можуть бути як параметрическими, так і генераторними.

Реостатні - виконані у вигляді реостата, рухомий контакт якого переміщається під впливом вхідних вимірюваної величини. Найчастіше реостатний датчик включається в вимірювальну систему за схемою потенціометра, їх іноді називають потенціометричним датчиками.

Вихідний величиною датчика є електричний опір функціонально пов'язане з положенням рухомого контакту. Такі датчики служать для перетворення кутових або нелінійних переміщень в відповідну зміну опору, струму, напруги.

Вони також можуть бути використані для вимірювання тиску, витрат, рівня. Їх часто використовують також в якості проміжних перетворювачів неелектричних величин в електричні.

У пристроях автоматики широко застосовуються дротові реостатні перетворювачі, які відрізняються високою точністю і стабільністю функції перетворення, мають малий температурний коефіцієнт опору (ТКС).

До недоліків відносяться низька роздільна здатність, порівняно невисокий опір (до десятків кОм), обмежена можливість застосування на змінному струмі, обумовлена ​​залишковими індуктивністю і ємністю намотування.

Обмотку виконують ізольованим проводом виток до витка або з заданим кроком. Як дроти застосовують константан, манганін.

Датчик даного типу не реагують на знак вхідного сигналу, працюють як на постійному, так і на змінному струмі.

тензорезистори. В основі їх роботи лежить тензоеффект, що полягає в зміні активного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів при їх механічній деформації.

Характеристикою тензоеффекта матеріалу служить коефіцієнт тензочутливості Дот, який визначається як відношення зміни опору до зміни довжини провідника

константан - Дот = 2

Ніхром - Дот = 2,2

хром - Дот = 2,5

Тензорезистори використовують для вимірювання тиску рідини і газів, при вимірі пружних деформацій матеріалів: тисків вигинів, скручування.

Як тензорезистивного матеріалу можна використовувати метали з малим ТКС: манганин, константан, ніхром, ртуть, високотемпературні сплави, напівпровідникові матеріали: германій, кремній. Найбільшого поширення набули тензорезистори з металу. Вони поділяються на дротяні і фольгові, останні більш досконалі.

Вугільні перетворювачі.Їх принцип дії заснований на зміні контактного опору між частинками вугілля при зміні тиску. Їх застосовують для вимірювання зусиль, тисків, малих переміщень. Розрізняють вугільні стовпчики і тензоліти.

Перші являють собою набір з 10-15 відшліфованих шайб, виготовлених з електродних вугілля.

Характеристика вугільного перетворювача нелінійна, він має змінну чутливість. Нестабільні в роботі, характеристики залежать від температури і вологості навколишнього середовища, якості підготовки поверхонь.

Другі мають малі розміри і масу. Їх застосовують для вимірювання швидкозмінних і ударних напруг в рухомих деталях невеликого розміру, при цьому вони працюють як на розтяг, так і на стиск. Коефіцієнт чутливості тензолітових перетворювачів більше, ніж у тензорезисторов, і становить До= 15 ¸ 20.

Вона виконується у вигляді смужок, що складаються з суміші графіту, сажі, бакелітовій лаку і інших компонентів. Ці смужки наклеюються на випробувану деталь.

Резистивні перетворювачі незважаючи на властиві їм недоліки до теперішнього часу знаходять широке застосування.

ємнісні перетворювачі. Принцип дії заснований на зміні ємності конденсатора під воздейтсівем вхідний перетворюється величини

де e - відносна діелектрична проникність діелектрика; e 0 - діелектрична проникність вакууму; S- площа пластини; d - товщина діелектрика або відстані між пластинами.

Ємнісні датчики використовують для вимірювання кутових і лінійних переміщень, лінійних розмірів, рівня, зусиль, вологості концентрації та ін.

У ємнісних плоскопараллельних датчиках змінюється площину перекриття S(Перемененная площа перекриття) статична характеристика лінійна.

У ємнісних перетворювачах зі змінним повітряним зазором характеристика нелінійна.

Перетворювачі та зміною діелектричної провідності середовища між електродами широко використовуються для вимірювання рівня рідких і сипучих речовин, аналізу складу і концентрації речовин в хімічній, нафтопереробній промисловості, для рахунку виробів, охоронної сигналізації. Вони мають лінійну статичну характеристику.

Ємність вимірювальних перетворювачів в залежності від конструктивних особливостей коливається від десятих часток до декількох тисяч пикофарад, що призводить до необхідності використовувати для харчування датчиків напруги підвищень частоти Гц.

Це істотний недолік подібних перетворювачів.

Діелектричні властивості середовища іноді змінюються під впливом температури або механічних зусиль. Ці ефекти також використовуються для створення відповідних вимірювальних перетворювачів.

Зміна проникності під дією температури описується виразом

,

де e т - діелектрична проникність матеріалу при температурі Т; e 0 - діелектрична проникність при температурі Т 0; a - температурний коефіцієнт; .

Аналогічний вигляд має і залежність e від прикладеного до нього зусилля Р

,

де - чутливість матеріалу до відносного зміни діелектричної проникності

.

Початкова ємність перетворювачів тим більше, чим менше зазор d між електродами. Однак зменшення зазору обмежується діелектричної міцністю Міжелектродні середовища і наявністю сили електростатичного притягання пластин.

Похибки ємнісних перетворювачів в основному визначаються впливом температури і вологості на геометричні розміри і діелектричну проникність середовища. Вони є практично безінерційними елементами.

До достоїнств відносяться: простота конструкції, малі розміри і маса, висока чутливість, велика роздільна здатність при малому рівні вхідного сигналу, відсутність рухомих струмознімальних контактів, високу швидкодію, можливість отримання необхідного закону перетворення за рахунок вибору відповідних конструктивних параметрів, відсутність впливу вхідного ланцюга на вимірювальну.

Реактивний опір навантаження вибирають рівним за значенням і зворотним по знаку внутрішньому опору датчика.

У параметричних перетворювачах вихідною величиною є параметр електричного кола (R, L, М, С). При використанні параметричних перетворювачів необхідне додаткове джерело живлення, енергія якого використовується для освіти вихідного сигналу перетворювача.

реостатні перетворювачі. Реостатні перетворювачі засновані на зміні електричного опору провідника під впливом вхідної величини - переміщення. Реостатний перетворювач являє собою реостат, щітка (рухливий контакт) якого переміщається під впливом вимірюваної неелектричної величини.

До переваг перетворювачів відноситься можливість отримання високої точності перетворення, значних за рівнем вихідних сигналів і відносна простота конструкції. Недоліки - наявність ковзного контакту, необхідність щодо великих його переміщень, а іноді і значного зусилля для переміщення.

Застосовують реостатні перетворювачі для перетворення порівняно великих переміщень і інших неелектричних величин (зусилля, тиску і т. П.), Які можуть бути перетворені в переміщення.

тензочувствітельності перетворювачі(Тензорезистори). В основу роботи перетворювачів покладено тензоеффект, що полягає в зміні активного опору провідника (напівпровідника) під дією викликається в ньому механічної напруги і деформації.

Мал. 11-6. Тензочувствітельності дротяний перетворювач

Якщо дріт піддати механічній дії, наприклад розтягування, то опір її зміниться. Відносна зміна опору дроту , Де S - коефіцієнт тензочутливості; - відносна деформація дроту.

Зміна опору дроту при механічному впливі на неї пояснюється зміною геометричних розмірів (довжини, діаметру) і питомого опору матеріалу.

У тих випадках коли потрібна висока чутливість, знаходять застосування тензочувствітельності перетворювачі, виконані у вигляді смужок з напівпровідникового матеріалу. Коефіцієнт S у таких перетворювачів досягає декількох сотень. Однак відтворюваність характеристик напівпровідникових перетворювачів погана. В даний час серійно випускають інтегральні напівпровідникові тензорезистори, що утворюють міст або напівміст з елементами термокомпенсации.

В якості вимірювальних ланцюгів для тензорезисторів використовують рівноважні і нерівноважні мости. Тензорезистори застосовують для вимірювання деформацій та інших неелектричних величин: зусиль, тисків, моментів.

термочутливі перетворювачі(Терморезистори). Принцип дії перетворювачів заснований на залежності електричного опору провідників або пoлупроводніков від температури.

Для вимірювання температури найбільш поширені терморезистори, виконані з платинової або мідного дроту. Стандартні платинові терморезистори застосовують для вимірювання температури в діапазоні від -260 до + 1100 ° С, мідні - в діапазоні від -200 до +200 "С.

Для вимірювання температури застосовують також напівпровідникові терморезистори (термістори) різних типів, які характеризуються більшою чутливістю (ТКС термисторов негативний і при 20 "С в 10-15 разів перевищує ТКС міді і платини) і мають більш високі опору (до 1 МОм) при досить малих розмірах. Недолік термисторов - погана відтворюваність і нелінійність характеристики перетворення:

де R T і Ro- опору термістора при температурах Т і Те, То- початкова температура робочого діапазону; В - коефіцієнт.

Термістори використовують в діапазоні температур від -60 до + 120 ° С.

Для вимірювання температури від -80 до + 150 ° С застосовують термодіод і термотранзістори, у яких під дією температури змінюється опір р-n переходу і падіння напруги на цьому переході. Ці перетворювачі зазвичай включають в мостові ланцюги і ланцюги у вигляді дільників напруги.

Перевагами термодіод і термотранзісторов є висока чутливість, малі розміри і мала інерційність, висока надійність і дешевизна; недоліками - вузький температурний діапазон і погана відтворюваність статичної характеристики перетворення.

електролітичні перетворювачі. Електролітичні перетворювачі засновані на залежності електричного опору розчину електроліту від його концентрації. В основному їх застосовують для вимірювання концентрацій розчинів.

індуктивні перетворювачі. Принцип дії перетворювачів заснований на залежності індуктивності або взаємної індуктивності обмоток на магнітопроводі від положення, геометричних розмірів і магнітного стану елементів їх магнітного ланцюга.

рис 11-12 Магнитопровод з зазорами і двома обмотками

Індуктивність обмотки, розташованої на муздрамтеатрі, де Zm - магнітний опір магнітопроводу; - число витків обмотки.

Взаємна індуктивність двох обмоток, розташованих на тому ж муздрамтеатрі, , Де і - число витків першої та другої обмоток. Магнітний опір визначається виразом

де - активна складова магнітного опору (розсіюванням магнітного потоку нехтуємо); - відповідно довжина, площа поперечного перерізу і відносна магнітна проникність i-го ділянки муздрамтеатру; mо - магнітна постійна; d - довжина повітряного зазору; s - площа поперечного перерізу повітряного ділянки муздрамтеатру, - реактивна складова магнітного опору; Р - втрати потужності в магнітопроводі, обумовлені вихровими струмами і гістерезисом; w- кутова частота; Ф - магнітний потік в магнітопроводі.

Наведені співвідношення показують, що індуктивність і взаємну індуктивність можна змінювати, впливаючи на довжину d, перетин повітряного ділянки муздрамтеатру s, на втрати потужності в магнітопроводі і іншими шляхами.

У порівнянні з іншими перетворювачами переміщення індуктивні перетворювачі відрізняються значними по потужності вихідними сигналами, простотою і надійністю в роботі.

Недолік їх - зворотний вплив перетворювача на досліджуваний об'єкт (вплив електромагніту на якір) і вплив інерції якоря на частотні характеристики приладу.

ємнісні перетворювачі. Ємнісні перетворювачі засновані на залежності електричної ємності конденсатора від розмірів, взаємного розташування його обкладок і від діелектричної проникності середовища між ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора електрична ємність, де - електрична стала; - відносна діелектрична проникність середовища між обкладинками; s - активна площа обкладок; d - відстань між обкладинками. Чутливість перетворювача зростає зі зменшенням відстані d. Такі перетворювачі використовують для вимірювання малих переміщень (менше 1 мм).

Мале робітничий рух пластин призводить до похибки від зміни відстані між пластинами при коливаннях температури. Вибором розмірів деталей перетворювача і матеріалів домагаються зниження цієї похибки.

Перетворювачі застосовують для виміру рівня рідин, вологості речовин, товщини виробів з діелектриків.

Мал. 11-16. Схема іонізаційного перетворювача

іонізаційні перетворювачі. Перетворювачі засновані на явищі іонізації газу або люмінесценції деяких речовин під дією іонізуючого випромінювання.

Якщо камеру, яка містить газ, піддати опроміненню, наприклад, b-променями, то між електродами, включеними в електричну ланцюг (рис. 11-16), потече струм. Цей струм залежить від прикладеної до електродів напруги, від щільності і складу газового середовища, розміру камери і електродів, властивостей і інтенсивності іонізуючого випромінювання. Ці залежності використовують для вимірювання різних неелектричних величин: щільності і складу газового середовища, геометричних розмірів деталей.

Як іонізуючих агентів застосовують a-, b- і g-промені радіоактивних речовин, значно рідше - рентгенівські промені і нейтронне випромінювання.

Основна перевага приладів, які використовують іонізуючі випромінювання, полягає в можливості безконтактних з - вимірювань, що має велике значення, наприклад, при вимірах в агресивних або вибухонебезпечних середовищах, а також в середовищах, які перебувають під великим тиском або мають високу температуру. Основний недолік цих приладів - необхід-ність застосування біологічного захисту при високій активності джерела випромінювання.

Лекція 16.

Параметричні вимірювальні перетворювачі

Термометри опору.

Термометри опору як і термопари, призначені для вимірювання температури газоподібних, твердих і рідких тіл, а також температури поверхні. Принцип дії термометрів заснований на використанні властивості металів і напівпровідників змінювати свій електричний опір з температурою. Для провідників з чистих металів ця залежність в області температур від 200о С до 0 ° С має вигляд:

R t = R 0,

а в області температур від 0о С до 630 о С

R t = R 0)