Ministarstvo obrazovanja Republike Bjelorusije

Obrazovne ustanove

„Bjeloruski državni univerzitet

informatika i radioelektronika"

Odjel za mjeriteljstvo i standardizaciju

Parametarski mjerni pretvarači

Metodičko uputstvo za laboratorijski rad E.5B

za studente specijalnosti 54 01 01 - 02

"Mjeriteljstvo, standardizacija i certifikacija"

svim oblicima obrazovanja

UDK 621.317.7 + 006.91 (075.8)

BBK 30.10ya73

Sastavio V.T. Revin, L.E. Bataille

Metodičko uputstvo sadrži svrhu rada, kratke podatke iz teorije, opis laboratorijske instalacije, laboratorijski zadatak i postupak izvođenja rada, kao i uputstva za izradu izvještaja i test pitanja za provjeru znanja studenata. . Razmatraju se glavni tipovi parametarskih mjernih pretvarača (reostatski, induktivni i kapacitivni), njihove glavne karakteristike i sklopovi za povezivanje na mjerni krug. Laboratorijski rad podrazumeva određivanje glavnih metroloških karakteristika (funkcija konverzije, osetljivost, osnovna greška, greška određivanja osetljivosti) razmatranih mernih pretvarača, kao i savladavanje tehnike merenja neelektričnih veličina pomoću mernih pretvarača i pronalaženje grešaka u određivanju vrijednosti neelektričnih veličina.

UDK 621.317.7 + 006.91 (075.8)

BBK 30.10 i 73

1 Svrha rada

1.1. Proučavanje principa rada, konstrukcije i glavnih karakteristika reostatskih, kapacitivnih i induktivnih mjernih pretvarača neelektričnih veličina u električne.

1.2. Proučavanje metoda za mjerenje neelektričnih veličina pomoću reostatskih, kapacitivnih i induktivnih mjernih pretvarača.

1.3 Praktično određivanje glavnih karakteristika mjernih pretvarača i mjerenje pomoću njih linearnih i ugaonih pomaka.

2 Sažetak teorije

Značajka modernih mjerenja je potreba za određivanjem vrijednosti skupa fizičkih veličina, među kojima većinu čine neelektrične veličine. Za mjerenje neelektričnih veličina, električni mjerni instrumenti imaju široku primjenu, što je posljedica niza njihovih značajnih prednosti. To uključuje visoku tačnost mjerenja, visoku osjetljivost i brze performanse mjernih instrumenata, mogućnost daljinskog mjerenja, automatsku konverziju mjernih informacija, automatsku kontrolu procesa mjerenja itd. Karakteristika električnih mjernih instrumenata namijenjenih mjerenju neelektričnih veličina je obavezno prisustvo primarnog mjernog pretvarača neelektričnih veličina u električne.

Primarni mjerni pretvarač uspostavlja nedvosmislen funkcionalni odnos između izlazne električne veličine Y i ulazne neelektrične veličine X: Y= f(X).

Ovisno o vrsti izlaznog signala, primarni mjerni pretvarači se dijele na parametarski i generator.

V parametarski U mjernim pretvaračima izlazna veličina je parametar električnog kola: otpor R, induktivnost L, međusobna induktivnost M ili kapacitivnost C. Pri korištenju parametarskih mjernih pretvarača uvijek je potreban dodatni izvor napajanja čija se energija koristi za formiranje izlazni signal pretvarača.

V generator kod mjernih pretvarača, izlazne veličine su EMF, struja, napon ili naboj. Kada se koriste generatorski mjerni pretvarači, pomoćni izvori napajanja se koriste samo za pojačavanje primljenog signala.

Prema principu rada parametarski mjerni pretvarači se dijele na reostatske, deformacione (teznomjerne), temperaturno osjetljive (termistori, termistori), kapacitivne, induktivne, jonizacijske.

Zavisnost izlazne vrijednosti mjernog pretvarača Y od ulazne vrijednosti X, opisane izrazom Y = f (X), pozvao funkcija konverzije.Često izlazna vrijednost pretvarača Y ne zavisi samo od ulazne izmerene vrednosti X, ali i od nekog vanjskog faktora Z... Dakle, u opštem obliku, funkcija transformacije može biti predstavljena funkcionalnom zavisnošću: Y = f (X, Z).

Kada se razvijaju mjerni pretvarači neelektričnih veličina, nastoji se dobiti funkcija linearne konverzije. Za opis funkcije linearne transformacije dovoljno je postaviti dva parametra: početnu vrijednost izlazne veličine Y 0 (nulti nivo), koja odgovara nuli ili drugoj početnoj vrijednosti ulazne veličine X, i parametar S, koji karakterizira nagib funkcije transformacije.

U ovom slučaju, funkcija transformacije se može predstaviti na sljedeći način:

Parametar S, koji karakterizira nagib funkcije konverzije, naziva se osjetljivost pretvarača. Osetljivost sonde je omjer promjene izlazne veličine mjernog pretvarača ΔY i promjene ulazne veličine ΔX koja ju je izazvala:

. (2)

Osjetljivost pretvarača je veličina koja ima dimenziju, a dimenzija ovisi o prirodi ulaznih i izlaznih veličina. Za reostatski pretvarač, na primjer, osjetljivost ima dimenziju Ohm / mm, za termoelektrični pretvarač  mV / K, za fotoćeliju  μA / lm, za motor  okret / (sV) ili Hz / V , za galvanometar  mm / μA i sl.

Najvažniji problem u dizajnu i upotrebi mjernog pretvarača je osigurati konzistentnost njegove osjetljivosti. Osjetljivost treba što manje ovisiti o vrijednostima ulazne veličine X (u ovom slučaju, funkcija transformacije je linearna), brzina promjene X, vrijeme rada pretvarača, kao i utjecaj drugih fizičkih veličina koje karakteriziraju ne sam objekt, već njegovu okolinu (takve veličine se nazivaju uticaj). Kod funkcije nelinearne transformacije, osjetljivost ovisi o vrijednostima ulazne veličine: S = S(X) .

Raspon vrijednosti neelektričnih veličina pretvorenih pomoću mjernog pretvarača ograničen je s jedne strane granicom konverzije, as druge - pragom osjetljivosti.

Ograničenje konverzije pretvarača je maksimalna vrijednost ulazne veličine koju pretvarač može uočiti bez oštećenja ili izobličenja funkcije konverzije.

Prag osjetljivosti To je minimalna promjena vrijednosti ulazne veličine koja može uzrokovati primjetnu promjenu izlazne količine pretvarača.

Ratio Y = f(X) izražava u opštem teorijskom obliku fizičke zakone koji leže u osnovi rada pretvarača. U praksi se transformacijska funkcija određuje eksperimentalno u numeričkom obliku kao rezultat kalibracije pretvarača. U ovom slučaju, za određeni broj precizno poznatih vrijednosti X mjere se odgovarajuće vrijednosti Y , koji vam omogućava da izgradite kalibracionu krivu (slika 1, a). Koristeći izgrađenu kalibracionu krivulju, prema vrijednostima električne veličine Y dobijene kao rezultat mjerenja, moguće je pronaći odgovarajuće vrijednosti željene neelektrične veličine X (slika 1, b).

a- izrada kalibracione krive prema izmjerenim vrijednostima X i Y;

b korištenjem kalibracijske krivulje za određivanje ulazne veličine X

Slika 1  Kalibraciona karakteristika mjernog pretvarača

Najvažnija karakteristika svakog mjernog pretvarača je njegova osnovna greška, što je zbog principa rada, nesavršenosti dizajna pretvarača ili tehnologije njegove izrade i manifestuje se pri normalnim vrednostima uticajnih veličina ili kada su one u granicama normalnih vrednosti.

Osnovna greška mjernog pretvarača može imati nekoliko komponenti zbog:

Nepreciznost oglednih mjernih instrumenata uz pomoć kojih je određena funkcija konverzije;

Razlika između stvarne kalibracijske karakteristike i nominalne funkcije konverzije; aproksimativni (tabelarni, grafički, analitički) izraz funkcije transformacije;

Nepotpuna podudarnost funkcije konverzije sa povećanjem i smanjenjem izmjerene neelektrične veličine (histereza funkcije konverzije);

Nepotpuna ponovljivost karakteristika mjernog pretvarača (najčešće osjetljivosti).

Prilikom kalibracije serije pretvarača istog tipa, ispada da se njihove karakteristike nešto razlikuju jedna od druge, zauzimaju određeni pojas. Stoga se u pasošu mjernog pretvarača navodi određena prosječna karakteristika tzv nominalni. Razlike između nominalnih (pasoških) i stvarnih karakteristika pretvarača smatraju se njegovim greškama.

Kalibracija mjernog pretvarača (određivanje stvarne funkcije konverzije) vrši se pomoću mjernih instrumenata za neelektrične i električne veličine. Kao primjer, slika 2 prikazuje blok dijagram postavke za kalibraciju reostatskog pretvarača. Kao sredstvo za mjerenje linearnog pomaka (neelektrične veličine) koristi se ravnalo, a za mjerenje električnih veličina – aktivnog otpora koristi se digitalni mjerač L, C, R E7-8.

Slika 2 - Blok dijagram instalacije za kalibraciju reostatskog pretvarača

Proces kalibracije pretvarača je sljedeći. Uz pomoć mehanizma za pomicanje, pokretni kontakt (klizač) reostatnog pretvarača se uzastopno ugrađuje na digitalizirane oznake skale ravnala, a na svakoj oznaci se mjeri aktivni otpor pretvarača pomoću uređaja E7-8. Izmjerene vrijednosti linearnog pomaka i aktivnog otpora unose se u kalibracijsku tablicu 1.

Tabela 1

U ovom slučaju dobijamo funkciju transformacije mjernog pretvarača, datu u tabelarnom obliku. Da biste dobili grafičku sliku funkcije transformacije, morate koristiti preporuke date na slici 1, a.

Međutim, treba imati na umu da je mjerenje linearnog pomaka i aktivnog otpora izvršeno s greškom zbog instrumentalnih grešaka korištenih mjernih instrumenata. S tim u vezi, definicija funkcije transformacije je također napravljena sa određenom greškom (slika 3).

Slika 3 - Greške u određivanju funkcije konverzije

Budući da je osjetljivost pretvarača S, dat nagibom funkcije konverzije, određuje se formulom (2), zatim se izračunava greška u određivanju osjetljivosti pretvarača Δ S treba izvršiti na osnovu algoritma za izračunavanje greške rezultata indirektnog mjerenja. Općenito, formula za izračunavanje za Δ S kao što slijedi:

gdje
,

Δ y 1 i Δ y 2 - greške u određivanju izlaznih veličina y 1 i y 2,

Δ x 1 i Δ x 2 - greške u određivanju ulaznih veličina x 1 i x 2.

Dodatne greške mjernog pretvarača, zbog njegovog principa rada, nesavršenosti dizajna i tehnologije izrade, nastaju kada uticajne veličine odstupaju od normalnih vrijednosti.

Pored gore navedenih karakteristika, mjerne pretvarače neelektričnih veličina u električne karakteriziraju: varijacija izlaznog signala, izlazna impedansa, dinamičke karakteristike. U najvažnije tehničke karakteristike spadaju i: dimenzije, težina, otpornost na mehanička, termička, električna i druga preopterećenja, pouzdanost, lakoća ugradnje i održavanja, sigurnost od eksplozije, troškovi proizvodnje itd. ...

Predajnici se razlikuju prema principu konverzije signala.

Kada analogna direktna konverzija(Slika 4) izmjerena neelektrična veličina X se dovodi na ulaz primarnog mjernog pretvarača (PID). Izlazna električna veličina Y pretvarača mjeri se električnim mjernim uređajem (ETI), koji uključuje mjerni pretvarač i uređaj za indikaciju.

Slika 4  Blok šema uređaja sa analognom direktnom konverzijom izmjerene neelektrične veličine

U zavisnosti od vrste izlazne količine i zahteva za uređajem, električni merni uređaj može biti različitog stepena složenosti. U jednom slučaju to je magnetoelektrični milivoltmetar, au drugom digitalni mjerni uređaj. Obično je skala EIT indikatorskog uređaja graduirana u jedinicama izmjerene neelektrične veličine. Izmjerena neelektrična veličina može se više puta pretvarati kako bi se uskladile granice njenog mjerenja sa granicama konverzije PID-a i dobila pogodniji tip ulazne akcije za PIP. Da bi se izvršile takve transformacije, uvodi se u uređaj preliminarnotjelesno pretvarači neelektričnih veličina u neelektrične.

Sa velikim brojem srednjih pretvarača u uređajima za direktnu konverziju ukupna greška se značajno povećava. Da biste smanjili grešku, prijavite se diferencijal odmjerni pretvarači, koji imaju manju aditivnu grešku, manju funkciju nelinearne konverzije i veću osjetljivost u odnosu na uređaje za direktnu konverziju.

Na slici 5 prikazan je blok dijagram uređaja sa diferencijalnim mjernim pretvaračem (DIP). Pretvarač uključuje diferencijalnu DZ vezu sa dva izlaza, dva kanala za konverziju (P1 i P2) i oduzimač VU. Kada se ulazna izmjerena vrijednost x promijeni sa početne vrijednosti x 0 na vrijednost (x 0 + Δx), izlazne vrijednosti x 1 i x 2 na izlazu daljinskog senzora dobijaju inkremente s različitim predznacima. Nakon pretvaranja u P1 i P2, oduzimaju se vrijednosti na izlazu pretvarača y 1 i y 2. Kao rezultat toga, izlazna vrijednost DIP-a (y = y 1 -y 2), dostavljena mjernom mehanizmu MI, proporcionalna je samo inkrementu Δx izmjerene neelektrične veličine.

Slika 5 - Blok dijagram uređaja sa diferencijalnom konverzijom izmjerene neelektrične veličine

U uređajima sa transformacijom po principu kompenzacije (balansiranja) u uređaju za upoređivanje pretvarača u SAD-u se vrši poređenje mjerljivo veličina i homogena promjenjiv vrijednost koju stvara povratni čvor UOS-a (slika 6) Poređenje vrijednosti se vrši dok se potpuno ne izbalansiraju. Inverzni pretvarači se koriste kao povratni čvorovi koji pretvaraju električnu veličinu u neelektričnu (na primjer, žarulje sa žarnom niti, elektromehanički pretvarači, itd.).

Slika 6 - Blok šema uređaja sa kompenzacionim mjernim pretvaračem

Kompenzacioni uređaji za poređenje u poređenju sa uređajima za direktnu konverziju omogućavaju postizanje veće tačnosti, bržeg odziva i manje potrošnje energije od objekta proučavanja.

Električni uređaji za mjerenje neelektričnih veličina mogu biti analogni ili digitalni.

Reostatski pretvarači

Reostatski pretvarači se zasnivaju na promjeni električnog otpora provodnika pod utjecajem ulazne veličine - linearnog ili kutnog pomaka. Reostatski pretvarač je reostat (okvir sa žičanim namotajem koji se nanosi na njega), čiji pokretni kontakt čini linearno ili kutno kretanje pod utjecajem mjerene neelektrične veličine. Šematski prikazi nekih dizajna reostatskih pretvarača prikazani su na slici 6, a-c. Dimenzije pretvarača određene su graničnim vrijednostima izmjerenog pomaka, otpora namotaja i električne snage koja se raspršuje u namotu. Da bi se dobila funkcija nelinearne transformacije, koriste se funkcionalni reostatski pretvarači. Traženi oblik funkcije konverzije postiže se profiliranjem okvira pretvarača (slika 6, v).

U reostatskim pretvaračima statička karakteristika konverzije ima stepenasti karakter, budući da se otpor mijenja u skokovima jednak otporu jednog okreta. Ovo uzrokuje pojavu odgovarajuće greške, čija se maksimalna vrijednost može predstaviti kao:

, (4)

gdje je R  maksimalni otpor jednog okreta;

R je impedancija pretvarača.

V rechordal pretvaračima kod kojih pokretni kontakt klizi duž ose žice, ova greška se može izbjeći.

Reostatski pretvarači su uključeni u mjerna kola u obliku ravnotežnih i neravnotežnih mostova, djelitelja napona itd.

Slika 7 - Reostatski mjerni pretvarači

Glavni nedostaci reostatskih pretvarača su prisutnost kliznog kontakta, potreba za relativno velikim pokretima, a ponekad i značajan napor za kretanje. Prednosti uključuju jednostavnost dizajna i mogućnost dobijanja značajnih izlaznih signala.

Reostatski pretvarači se koriste za mjerenje relativno velikih linearnih i ugaonih pomaka, kao i drugih neelektričnih veličina koje se mogu pretvoriti u pomake (sila, pritisak, itd.).

Induktivni pretvarači

Princip rada induktivnih pretvarača zasniva se na zavisnosti unutrašnje ili međusobne induktivnosti namotaja na magnetskom kolu o relativnom položaju, geometrijskim dimenzijama i magnetskom otporu elemenata magnetnog kola. Iz elektrotehnike je poznata ta induktivnost L namot koji se nalazi na magnetnom jezgru (magnetno kolo) određen je izrazom:

, (5)

gdje je Z M magnetski otpor magnetnog kola;

w broj zavoja namotaja.

Međusobna induktivnost M dva namota koja se nalaze na jednom magnetnom kolu sa magnetskim otporom Z M je definisan kao

, (6)

gdje w 1 i w 2  broj zavoja prvog i drugog namotaja.

Magnetski otpor je određen izrazom:

, ` (7)

Gore navedene relacije pokazuju da se induktivnost i međusobna induktivnost mogu mijenjati promjenom dužine δ ili presjeka S zračnog dijela magnetskog kola, gubitkom snage P u magnetskom kolu itd.

Slika 8 šematski prikazuje različite tipove induktivnih pretvarača. Promjena međusobne induktivnosti može se postići, na primjer, pomicanjem pokretnog jezgra (armature) 1 u odnosu na fiksno jezgro 2, uvođenjem nemagnetne metalne ploče 3 u zračni zazor (slika 8. a).

Slika 8 - Induktivni mjerni pretvarači

Induktivni pretvarač sa promjenjivom dužinom zračnog raspora  (Slika 8, b) karakterizira nelinearna ovisnost L = f ( ). Takav pretvarač ima visoku osjetljivost i obično se koristi kada se armatura magnetskog kola pomjera u rasponu od 0,01  5 mm.

Značajno manja osjetljivost, ali linearna ovisnost funkcije transformacije L = f(S) razlikuju se pretvarači sa promjenjivim poprečnim presjekom zračnog raspora (slika 8, v). Ovakvi pretvarači se koriste pri mjerenju pomaka do 10  15 mm.

Induktivni diferencijalni pretvarači se široko koriste (slika 8, G), u kojem je pokretna armatura postavljena između dvije fiksne jezgre s namotajima. Kada se armatura pomera pod uticajem izmerene vrednosti istovremeno i sa različitim predznacima, dužine se menjaju δ 1 i δ 2 zračni raspori pretvarača, dok će se induktivnost jednog namota povećati, a drugog smanjiti. Diferencijalni pretvarači se koriste u kombinaciji sa mostnim mjernim krugovima. U poređenju sa nediferencijalnim pretvaračima, oni imaju veću osetljivost, manju nelinearnost funkcije konverzije i manje su pod uticajem spoljnih faktora.

Za pretvaranje relativno velikih pomaka (do 50 - 100 mm) koriste se transformatorski pretvarači s otvorenim magnetskim krugom (slika 8, d).

Ako je feromagnetno jezgro pretvarača podvrgnuto mehaničkom djelovanju silom F, tada će se zbog promjene magnetske permeabilnosti materijala jezgre promijeniti magnetski otpor kruga, što će također za posljedicu imati promjenu induktivnosti L i međusobnu induktivnost M namotaja. Na ovoj zavisnosti zasniva se princip rada magnetoelastičnih pretvarača (slika 8, e).

Induktivni pretvarači se koriste za mjerenje linearnih i ugaonih pomaka, kao i drugih neelektričnih veličina koje se mogu pretvoriti u pomake (sila, pritisak, moment, itd.). Dizajn pretvarača je određen rasponom izmjerenih pomaka. Dimenzije pretvarača se biraju na osnovu potrebne snage izlaznog signala.

Za merenje izlaznog parametra induktivnih pretvarača, mostnih (ravnotežnih i neravnotežnih) i generatorskih mernih kola, kao i kola sa koristeći rezonantna kola koja imaju najveću osjetljivost zbog velikog nagiba funkcije konverzije.

U poređenju sa drugim pretvaračima pomaka, induktivni pretvarači se odlikuju visokim izlaznim signalima, jednostavnošću i pouzdanošću u radu.

Njihovi glavni nedostaci su: obrnuti efekat na objekt koji se proučava (uticaj elektromagneta na armaturu) i uticaj inercije armature na frekvencijske karakteristike uređaja.

Kapacitivni pretvarači

Princip rada kapacitivnih mjernih pretvarača zasniva se na ovisnosti kapacitivnosti kondenzatora o dimenzijama, međusobnom rasporedu njegovih ploča i dielektričnoj konstanti medija između njih.

Električni kapacitet ravnog kondenzatora s dvije ploče opisuje se izrazom:

, (8)

Iz ovog izraza se može vidjeti da se kapacitivni pretvarač može izgraditi na temelju korištenja ovisnosti C =f( ), C =f(S) ili C = f( ).

Slika 9 šematski prikazuje dizajn različitih kapacitivnih pretvarača.

Slika 9 - Kapacitivni mjerni pretvarači

Konvertor na slici 9, a je kondenzator čija se jedna ploča pomiče pod dejstvom izmerene neelektrične veličine X u odnosu na fiksnu ploču. Statička karakteristika pretvarača pomoću ovisnosti C =f( ) je nelinearan. Osetljivost pretvornika raste sa smanjenjem udaljenosti između ploča . Takvi pretvarači se koriste za mjerenje malih pomaka (manjih od 1 mm).

Koriste se i diferencijalni kapacitivni pretvarači (slika 9, b), koji imaju jednu pokretnu i dvije fiksne ploče. Pod uticajem izmerene vrednosti X, ovi pretvarači istovremeno menjaju kapacitete C1 i C2.

Na slici 9, v prikazuje diferencijalni kapacitivni pretvarač s promjenjivom aktivnom površinom ploča, koji koristi ovisnost C =f(S) ... Pretvornici ovog dizajna koriste se za mjerenje relativno velikih pomaka. U ovim pretvaračima, tražena karakteristika konverzije može se lako dobiti profiliranjem ploča.

Pretvarači koji koriste ovisnost C =f( ) Koriste se za mjerenje nivoa tekućina, sadržaja vlage u tvarima, debljine dielektričnih proizvoda itd. Kao primjer na slici 9, G prikazan je uređaj kapacitivnog predajnika nivoa. Kapacitet između elektroda spuštenih u posudu zavisi od nivoa tečnosti.

Za mjerenje izlaznih parametara kapacitivnih mjernih pretvarača koriste se mjerne vrijednosti mosta, generatora i kola koja koriste rezonantna kola. Potonji omogućavaju stvaranje uređaja visoke osjetljivosti, koji mogu odgovoriti na linearne pomake reda veličine 10 μm. Krugovi sa kapacitivnim pretvaračima obično se napajaju visokofrekventnom strujom (do desetina MHz).

PREDAVANJE 15.

Generatorski mjerni pretvarači

U generatorskim pretvaračima, izlazna veličina je EMF ili naboj, funkcionalno povezan s izmjerenom neelektričnom količinom.

Termoelektrični pretvarači (termoparovi).

Zasnovano na termoelektričnom efektu koji se javlja u krugu termoelementa. Ovi pretvarači se koriste za mjerenje temperature. Princip rada termoelementa je ilustrovan na sl. 15.1, a, koji prikazuje termoelektrični krug sastavljen od dva različita provodnika A i B ... Tačke spajanja 1 i 2 vodiča nazivaju se spojevi termoelemenata. Ako temperature t spojevi 1 i 2 su isti, tada u termoelektričnom kolu nema struje. Ako je temperatura jednog od spojeva (na primjer, spoja 1) viša od temperature spoja 2, tada u krugu nastaje termoelektromotorna sila (TEMF). E ovisno o temperaturnoj razlici između spojeva

E = f (t 1 - t 2). (15.1)

Ako se temperatura spoja 2 održava konstantnom, onda

E = f (t 1).

Ovaj odnos se koristi za mjerenje temperature pomoću termoparova. Za mjerenje TEMF-a, električni mjerni uređaj je uključen u otvor spoja 2 (Sl. 15.1, b). Spoj 1 se naziva vrućim (radnim) spojem, a spoj 2 se naziva hladnim (krajevi 2 i 2' se nazivaju slobodni krajevi).

Da bi TEMF termoelementa bio nedvosmisleno određen temperaturom toplog spoja, potrebno je da temperatura hladnog spoja bude uvijek ista.

Za proizvodnju termoparnih elektroda koriste se i čisti metali i posebne legure standardiziranog sastava. Tablice kalibracije za standardne termoelemente sastavljaju se pod uslovom da je temperatura uspona jednaka 0 O C. U praksi, nije uvijek moguće održati ovu temperaturu. U takvim slučajevima očitavanje termoelementa se koriguje za temperaturu uspona. Postoje šeme za automatsku korekciju.

Konstrukcijski, termoelementi se izrađuju u obliku dvije izolirane termoelektrode s radnim spojem dobivenim zavarivanjem, smještenim u zaštitne armature koje štite termoelement od vanjskih utjecaja i oštećenja. Radni krajevi termoelementa su dovedeni u glavu termoelementa, opremljenu stezaljkama za povezivanje termoelementa u električni krug.

Table 15.1 prikazuje karakteristike industrijskih termoparova. Za mjerenje visokih temperatura koriste se termoparovi PP, PR i VR. Za mjerenja sa povećanom preciznošću koriste se termoelementi od plemenitih metala.

U zavisnosti od dizajna, termoparovi mogu imati termičku inerciju koju karakteriše vremenska konstanta od sekundi do nekoliko minuta, što ograničava njihovu upotrebu za merenje brzo promenljivih temperatura.

Osim povezivanja mjernog uređaja na spoj termoelementa, moguće je priključiti uređaj na "elektrodu", tj. u puknuće jedne od termoelektroda (slika 15.1, c). Takvo uključivanje, u skladu sa (15.1), omogućava mjerenje temperaturne razlike t 1 - t 2 ... Na primjer, može se izmjeriti pregrijavanje namotaja transformatora u odnosu na temperaturu okoline tokom testiranja. Za to se radni spoj termoelementa ugrađuje u namotaj, a slobodni spoj se ostavlja na temperaturi okoline.

Tabela 15.1. Karakteristike termoelementa

Zahtjev za konstantnom temperaturom slobodnih krajeva termoelementa prisiljava ih da se uklone s mjesta mjerenja što je više moguće. U tu svrhu koriste se takozvane produžne ili kompenzacione žice KP, povezane sa slobodnim krajevima termoelementa u skladu sa polaritetom (Sl. 15.1, d). Kompenzacijske žice se sastoje od različitih vodiča, koji, u rasponu mogućih temperaturnih fluktuacija slobodnih krajeva, razvijaju u paru isti TEMF kao termopar. Stoga, ako su spojne točke kompenzacijskih žica na temperaturi t 2 , te temperaturu na mjestu gdje je termoelement priključen na uređaj t 0 , tada će termoelement TEMF odgovarati njegovoj kalibraciji na temperaturi slobodnih krajeva t 0.

Maksimalni TEMF koji razvijaju standardni termoparovi kreće se od jedinica do desetina milivolti.

Za mjerenje TEMF-a mogu se koristiti magnetoelektrični, elektronski (analogni i digitalni) milivoltmetri i potenciometri jednosmjerne struje. Prilikom upotrebe milivoltmetara magnetoelektričnog sistema, treba imati na umu da je napon izmjeren milivoltmetrom na njegovim priključcima

gdje ja - struja u krugu termoelementa, i R V To je otpor milivoltmetra.

Pošto je izvor struje u kolu termoelement, onda

I = E / (R V + R VN),

gdje je R VN - otpor dijela kruga izvan milivoltmetra (tj. elektrode termoelementa i kompenzacijske žice). Stoga će napon izmjeren milivoltmetrom biti jednak

U = E / (1+ R VN / R V).

Dakle, očitanja milivoltmetra se više razlikuju od TEMF termoelementa, što je veći omjer R BH / R V ... Kako bi se smanjila greška od utjecaja vanjskog otpora, milivoltmetri dizajnirani za rad s termoelementima (tzv. pirometrijski milivoltmetri) kalibriraju se za određeni tip termoelementa i na određenu nominalnu vrijednost R BH naznačeno na skali uređaja. Pirometrijski milivoltmetri serijski se proizvode sa klasama tačnosti od 0,5 do 2,0.

Ulazna impedancija elektronskih milivoltmetara je vrlo visoka, a efekat otpora R BH na očitavanja je zanemarljiva.

Piezoelektrični pretvarači.

Takvi pretvarači se temelje na korištenju direktnog piezoelektričnog efekta, koji se sastoji u pojavi električnih naboja na površini nekih kristala (kvarc, turmalin, Rochelleova sol, itd.) pod utjecajem mehaničkih naprezanja. Neki polarizovani keramički materijali (barijum titanat, olovo cirkonat titanat) takođe imaju piezoelektrični efekat.

Ako od kvarcnog kristala izrežete ploču u obliku paralelepipeda s plohama koje se nalaze okomito na optički 0 z, mehanički 0 god i električni 0 X ose kristala (slika 15.2), zatim kada se sila primeni na ploču F x usmjerene duž električne ose, na licima X pojavljuju se optužbe

Q x = K p F x, (15.2)

gdje je K p - piezoelektrični koeficijent (modulus).

Kada se na ploču primeni sila F y duž mehaničke ose, na istim rubovima X nastaju optužbe

Q y = K p F y a / b,

gdje su a i b - dimenzije ivica ploče. Mehaničko djelovanje na ploču duž optičke ose ne uzrokuje pojavu naboja.

Piezoelektrični efekat je naizmjeničan; kada se promijeni smjer primijenjene sile, predznaci naboja na površini lica mijenjaju se u suprotne. Materijali zadržavaju svoja piezoelektrična svojstva samo na temperaturama ispod Curie tačke.

Veličina piezoelektričnog koeficijenta (modula) K n i temperatura Curie tačke za kvarc i uobičajene keramičke piezoelektrike date su u tabeli. 15.2.

Proizvodnja pretvarača od piezoelektrične keramike je mnogo lakša nego od monokristala. Keramički senzori se proizvode po tehnologiji uobičajenoj za radiokeramičke proizvode - presovanjem ili brizganjem; elektrode se nanose na keramiku, provodnici se zavaruju na elektrode. Za polarizaciju, keramički proizvodi se stavljaju u jako električno polje, nakon čega poprimaju svojstva piezoelektričnih materijala.

Elektromotorna sila koja nastaje na elektrodama piezoelektričnog pretvarača je prilično značajna - nekoliko volti. Međutim, ako je sila koja se primjenjuje na pretvarač konstantna, tada je teško izmjeriti EMF, budući da je naboj mali i brzo se odvodi kroz ulazni otpor voltmetra. Ako je sila promjenjiva i period promjene sile je mnogo manji od vremenske konstante pražnjenja određene kapacitivnošću pretvarača i otporom curenja, tada proces curenja nema gotovo nikakav utjecaj na izlazni napon pretvarača. Kada se snaga promeni F prema zakonu F = F m sin  t EMF se također mijenja sinusno.

Stoga se mjerenje neelektričnih veličina koje se mogu pretvoriti u naizmjeničnu silu koja djeluje na piezoelektrični pretvarač svodi na mjerenje naizmjeničnog napona ili EMF-a.

Tabela 15.2. Kvarcni i keramički piezoelektrični parametri

Piezoelektrični mjerni pretvarači se široko koriste za mjerenje parametara kretanja: linearnog i vibracionog ubrzanja, udara, akustičnih signala.

Ekvivalentno kolo piezoelektričnog pretvarača prikazano je na Sl. 15.3, a) u obliku generatora sa unutrašnjim kapacitetom WITH ... Budući da je snaga takvog piezoelektričnog elementa izuzetno mala, potrebno je za mjerenje izlaznog napona koristiti uređaje s velikom ulaznom impedancijom (10 11 ... 10 15 Ohm).

Da bi se povećao korisni signal, piezoelektrični senzori su napravljeni od nekoliko elemenata povezanih u seriju.

Uređaj piezoelektričnog senzora za mjerenje vibracionog ubrzanja prikazan je na Sl. 15.3, b). Piezoelektrični element (obično piezokeramički) napunjen poznatom masom m , smešten u kućište 1 i kroz terminale 2 uključen je u kolo elektronskog milivoltmetra V ... Zamjena u formulu za naboj koji nastaje na licima izraz F = ma, gdje je a - ubrzanje, a uzimajući u obzir (15.2), dobijamo

U = K u a,

gdje je K u - faktor konverzije napona senzora.

STRANA 6

EMBED Visio.Drawing.6

PREDAVANJE 16.

Parametarski mjerni pretvarači

Otporni termometri.

Otporni termometri, kao i termoparovi, dizajnirani su za mjerenje temperature plinovitih, čvrstih i tekućih tijela, kao i površinske temperature. Princip rada termometara zasniva se na korištenju svojstava metala i poluvodiča da mijenjaju njihov električni otpor s temperaturom. Za provodnike napravljene od čistih metala, ova zavisnost je u temperaturnom opsegu od –200 o C do 0 o C ima oblik:

R t = R 0,

i u temperaturnom rasponu od 0 o C do 630 o C

R t = R 0)