К измерительным преобразователям параметрического типа относится. Первичные измерительные преобразователи. б) емкостных преобразователей

Тема 18

Измерительные преобразователи (датчики)

Ни одна система управления не может работать без информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющее воздействие. Элементом систем, обеспечивающим получение такой информации, является измерительный преобразователь-датчик .

Число типов датчиков значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.

Для большинства датчиков характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений, в виду того, что электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, электрические величины легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код, позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.

В качестве классификационных признаков датчиков можно принять многие характеристики: вид функции преобразования; род входной и выходной величины; принцип действия; конструктивное исполнение.

По виду используемой энергии датчики можно подразделить на электрические, механические, пневматические и гидравлические. В зависимости от вида выходного сигнала: аналоговые, дискретные, релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом.

По характеру преобразования входной величины в выходную: параметрические, генераторные, частотные, фазовые.

По виду измеряемой физической величины: линейных и угловых перемещениях, давления, температуры, концентрации веществ и т.д.

Принцип действия параметрических преобразователей заключается в преобразовании неэлектрических входных величин в параметры электрических цепей: сопротивление R , индуктивность L , емкость С , взаимоиндуктивность М . Для питания этих преобразователей требуются внешние источники. К таким датчикам относятся: резистивные, индуктивные, трансформаторные, емкостные преобразователи.

Генераторные преобразователи преобразуют входные величины в ЭДС. Они не требуют энергии дополнительных источников питания.

Это индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические преобразователи.

Фазовые и частотные преобразователи могут быть как параметрическими, так и генераторными.

Реостатные – выполнены в виде реостата, подвижной контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины. Чаще всего реостатный датчик включается в измерительную систему по схеме потенциометра, их иногда называют потенциометрическими датчиками.

Выходной величиной датчика является электрическое сопротивление функционально связанное с положением подвижного контакта. Такие датчики служат для преобразования угловых или нелинейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока, напряжения.

Они также могут быть использованы для измерения давления, расхода, уровня. Их часто используют также в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

В устройствах автоматики широко применяются проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

К недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.

Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку или с заданным шагом. В качестве провода применяют константан, манганин.

Датчик данного типа не реагируют на знак входного сигнала, работают как на постоянном, так и на переменном токе.

Тензорезисторы . В основе их работы лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности К т, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника

Константан – К т = 2

Нихром – К т = 2,2

Хром – К т = 2,5

Тензорезисторы используют для измерения давления жидкости и газов, при измерении упругих деформаций материалов: давлений изгибов, скручивания.

В качестве тензорезистивного материала можно использовать металлы с малым ТКС: манганин, константан, нихром, ртуть, высокотемпературные сплавы, полупроводниковые материалы: германий, кремний. Наибольшее распространение получили тензорезисторы из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые, последние более совершенны.

Угольные преобразователи. Их принцип действия основан на изменении контактного сопротивления между частицами угля при изменении давления. Их применяют для измерения усилий, давлений, малых перемещений. Различают угольные столбики и тензолиты.

Первые представляют собой набор из 10-15 отшлифованных шайб, изготовленных из электродных углей.

Характеристика угольного преобразователя нелинейна, он имеет переменную чувствительность. Нестабильны в работе, характеристики зависят от температуры и влажности окружающей среды, качества подготовки поверхностей.

Вторые имеют малые размеры и массу. Их применяют для измерения быстроменяющихся и ударных напряжений в движущихся деталях небольшого размера, при этом они работают как на растяжение, так и на сжатие. Коэффициент чувствительности тензолитовых преобразователей больше, чем у тензорезисторов, и составляет К = 15 ¸ 20.

Она выполняется в виде полосок, состоящих из смеси графита, сажи, бакелитового лака и других компонентов. Эти полоски наклеиваются на испытуемую деталь.

Резистивные преобразователи несмотря на присущие им недостатки до настоящего времени находят широкое применение.

Емкостные преобразователи . Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздейтсивем входной преобразуемой величины

где e – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; e 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; S – площадь пластины; d – толщина диэлектрика или расстояния между пластинами.

Емкостные датчики используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности концентрации и др.

В емкостных плоскопараллельных датчиках изменяется плоскость перекрытия S (перемененная площадь перекрытия) статическая характеристика линейна.

В емкостных преобразователях с переменным воздушным зазором характеристика нелинейна.

Преобразователи и изменением диэлектрической проводимости среды между электродами широко используются для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации. Они имеют линейную статическую характеристику.

Емкость измерительных преобразователей в зависимости от конструктивных особенностей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжения повышений частоты Гц.

Это существенный недостаток подобных преобразователей.

Диэлектрические свойства среды иногда изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используются для создания соответствующих измерительных преобразователей.

Изменение проницаемости под действием температуры описывается выражением

,

где e т – диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т ; e 0 – диэлектрическая проницаемость при температуре Т 0 ; a - температурный коэффициент; .

Аналогичный вид имеет и зависимость e от приложенного к нему усилия Р

,

где – чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости

.

Начальная емкость преобразователей тем больше, чем меньше зазор d между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды и наличием силы электростатического притяжения пластин.

Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Они являются практически безинерционными элементами.

К достоинствам относятся: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика.

В параметрических преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, М, С). При использовании параметрических преобразователей необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя.

Реостатные преобразователи . Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины - перемещения. Реостатный преобразователь представляет собой реостат, щетка (подвижный контакт) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины.

К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности преобразования, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки - наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших его перемещений, а иногда и значительного усилия для перемещения.

Применяют реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений и других неэлектрических величин (усилия, давления и т. п.), которые могут быть преобразованы в перемещение.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы). В основу работы преобразователей положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Рис. 11-6. Тензочувствительный проволочный преобразователь

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки, где S - коэффициент тензочувствительности;- относительная деформация проволоки.

Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

В тех случаях когда требуется высокая чувствительность, находят применение тензочувствительные преобразователи, выполненные в виде полосок из полупроводникового материала. Коэффициент S у таких преобразователей достигает нескольких сотен. Однако воспроизводимость характеристик полупроводниковых преобразователей плохая. В настоящее время серийно выпускают интегральные полупроводниковые тензорезисторы, образующие мост или полумост с элементами термокомпенсации.

В качестве измерительных цепей для тензорезисторов используют равновесные и неравновесные мосты. Тензорезисторы применяют для измерения деформаций и других неэлектрических величин: усилий, давлений, моментов.

Термочувствительные преобразователи (терморезисторы). Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников или пoлупроводников от температуры.

Для измерения температуры наиболее распространены терморезисторы, выполненные из платиновой или медной проволоки. Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -260 до +1100°С, медные - в диапазоне от -200 до +200 "С.

Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов, которые характеризуются большей чувствительностью (ТКС термисторов отрицательный и при 20 "С в 10-15 раз превышает ТКС меди и платины) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов - плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования:

где R T и Ro- сопротивления термистора при температурах Т и То, То- начальная температура рабочего диапазона; В - коэффициент.

Термисторы используют в диапазоне температур от -60 до +120°С.

Для измерения температуры от -80 до +150 °С применяют термодиоды и термотранзисторы, у которых под действием температуры изменяется сопротивление р-n перехода и падение напряжения на этом переходе. Эти преобразователи обычно включают в мостовые цепи и цепи в виде делителей напряжения.

Достоинствами термодиодов и термотранзисторов являются высокая чувствительность, малые размеры и малая инерционность, высокая надежность и дешевизна; недостатками - узкий температурный диапазон и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразования.

Электролитические преобразователи . Электролитические преобразователи основаны на зависимости электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации. В основном их применяют для измерения концентраций растворов.

Индуктивные преобразователи . Принцип действия преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

рис 11-12 Магнитопровод с зазорами и двумя обмотками

Индуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе, где Zm - магнитное сопротивление магнитопровода;- число витков обмотки.

Взаимная индуктивность двух обмоток, расположенных на том же магнитопроводе, , где и - число витков первой и второй обмоток. Магнитное сопротивление определяется выражением

где - активная составляющая магнитного сопротивления (рассеиванием магнитного потока пренебрегаем); - соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i-го участка магнитопровода; mо - магнитная постоянная; d - длина воздушного зазора; s - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода,- реактивная составляющая магнитного сопротивления; Р - потери мощности в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом;w- угловая частота; Ф - магнитный поток в магнитопроводе.

Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, воздействуя на длину d, сечение воздушного участка магнитопровода s, на потери мощности в магнитопроводе и другими путями.

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Недостаток их - обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Емкостные преобразователи . Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость , где - электрическая постоянная; - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; s - активная площадь обкладок; d - расстояние между обкладками. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния d. Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Малое рабочее перемещение пластин приводит к погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры. Выбором размеров деталей преобразователя и материалов добиваются снижения этой погрешности.

Преобразователи применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков.

Рис. 11-16. Схема ионизационного преобразователя

Ионизационные преобразователи . Преобразователи основаны на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения.

Если камеру, содержащую газ, подвергнуть облучению, например, b-лучами, то между электродами, включенными в электрическую цепь (рис. 11-16), потечет ток. Этот ток зависит от приложенного к электродам напряжения, от плотности и состава газовой среды, размера камеры и электродов, свойств и интенсивности ионизирующего излучения. Эти зависимости используют для измерения различных неэлектрических величин: плотности и состава газовой среды, геометрических размеров деталей.

В качестве ионизирующих агентов применяют a-, b- и g-лучи радиоактивных веществ, значительно реже - рентгеновские лучи и нейтронное излучение.

Основное достоинство приборов, использующих ионизирующие излучения, заключается в возможности бесконтактных из--мерений, что имеет большое значение, например, при измерениях в агрессивных или взрывоопасных средах, а также в средах, находящихся под большим давлением или имеющих высокую температуру. Основной недостаток этих приборов - необходи-мость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения.

ЛЕКЦИЯ 16.

Параметрические измерительные преобразователи

Термометры сопротивления .

Термометры сопротивления как и термопары, предназначены для измерения температуры газообразных, твердых и жидких тел, а также температуры поверхности. Принцип действия термометров основан на использовании свойства металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с температурой. Для проводников из чистых металлов эта зависимость в области температур от –200 о С до 0 о С имеет вид:

R t = R 0 ,

а в области температур от 0 о С до 630 о С

R t = R 0 }