Najvažnije metrološke karakteristike pretvarača su: nominalna statička konverzijska karakteristika, osetljivost, osnovna greška, dodatne greške ili uticajne funkcije, varijacija izlaznog signala, izlazna impedansa, dinamičke karakteristike itd.
Najvažnije nemetrološke karakteristike uključuju dimenzije, težinu, jednostavnost ugradnje i održavanja, sigurnost od eksplozije, otpornost na mehanička, termička, električna i druga preopterećenja, pouzdanost, cijenu proizvodnje i rada itd.
Ovisno o vrsti izlaznog signala, svi mjerni pretvarači se dijele na parametarski i generator. Klasificiraju se i prema principu djelovanja. U nastavku se razmatraju samo odašiljači koji su se najviše koristili.
13.1 Parametarski pretvarači
Opće informacije. U parametarskim pretvaračima, izlazna vrijednost je parametar električnog kola (R, L, M, C). Kada se koriste parametarski pretvarači, potreban je dodatni izvor napajanja čija se energija koristi za formiranje izlaznog signala pretvarača.
Reostatski pretvarači. Reostatski pretvarači se zasnivaju na promjeni električnog otpora provodnika pod utjecajem ulazne vrijednosti - pomaka. Reostatski pretvarač je reostat čija se četka (pokretni kontakt) pomiče pod utjecajem mjerene neelektrične veličine. Na sl. 11-5 šematski prikazuje neke dizajne reostatskih pretvarača za ugaone (sl. 11-5, a) i linearna (sl. 11-5, b i c) kretanja. Pretvarač se sastoji od namotaja nanesenog na okvir i četke. Za izradu okvira koriste se dielektrici i metali. Žica za namotaje je izrađena od legura (legura platine sa iridijumom, konstantanom, nihromom i fehralom). Za namotavanje se obično koristi izolirana žica. Nakon izrade namotaja, izolacija žice se čisti na mjestima dodira sa četkom. Četkica sonde je napravljena ili od žica ili od ravnih elastičnih traka, a koriste se i čisti metali (platina, srebro) i legure (platina sa iridijumom, fosforna bronca itd.).
Rice. 11-5. Reostatski pretvarači za ugaone (a), linearne (b) pomaci i za funkcionalnu transformaciju linearnih pomaka (c)
Dimenzije pretvarača određuju se vrijednošću izmjerenog pomaka, otporom namotaja i snagom koja se oslobađa u namotu.
Da bi se dobila funkcija nelinearne transformacije, koriste se funkcionalni reostatski pretvarači. Željeni karakter transformacije se često postiže profiliranjem okvira pretvarača (sl. 11-5, in).
U razmatranim reostatskim pretvaračima, statička karakteristika konverzije ima stepenasti karakter, budući da su promjene otpora u skokovima jednake otporu jednog okreta, što uzrokuje grešku. Ponekad se koriste reokordni pretvarači u kojima četka klizi duž ose žice. Ovi pretvarači nemaju navedenu grešku. Reostatski pretvarači su uključeni u mjerna kola u obliku balansiranih i neravnotežnih mostova, djelitelja napona itd.
Prednosti pretvarača uključuju mogućnost postizanja visoke tačnosti konverzije, značajne izlazne signale i relativnu jednostavnost dizajna. Nedostaci - prisutnost kliznog kontakta, potreba za relativno velikim pokretima, a ponekad i značajnim naporom za kretanje.
Reostatski pretvarači se koriste za pretvaranje relativno velikih pomaka i drugih neelektričnih veličina (sila, pritisaka, itd.) koje se mogu pretvoriti u pomake.
Pretvarači (senzori) osjetljivi na naprezanje. Rad pretvarača zasniva se na tenzorskom efektu, koji se sastoji u promjeni aktivnog otpora vodiča (poluvodiča) pod djelovanjem mehaničkog naprezanja i deformacije uzrokovane u njemu.
Rice. 11-6. Pretvarač žice za mjerenje naprezanja
Ako je žica podvrgnuta mehaničkom naprezanju, kao što je rastezanje, tada će se njen otpor promijeniti. Promjena otpora žice pod mehaničkim djelovanjem na nju objašnjava se promjenom geometrijskih dimenzija (dužine, promjera) i otpornosti materijala.
Pretvarači osjetljivi na naprezanje, koji se danas široko koriste (Slika 11-6), su tanki cik-cak položeni i zalijepljeni na traku papira (podloge /) žice 2 (žičana rešetka). Pretvarač je spojen na strujni krug pomoću zavarenih ili zalemljenih vodova 3. Pretvarač je zalijepljen na površinu ispitivanog dijela tako da se smjer očekivane deformacije poklapa s uzdužnom osi žičane rešetke.
Za proizvodnju pretvarača koristi se uglavnom konstantanska žica promjera 0,02-0,05 mm. (S== 1,9 - 2,1). Konstantan ima nizak temperaturni koeficijent električnog otpora, što je vrlo važno, jer je promjena otpora pretvarača pri deformacijama, na primjer čeličnih dijelova, srazmjerna promjeni otpora pretvarača s promjenama temperature. Kao podloga koristi se tanak (0,03-0,05 mm) papir, kao i film od laka ili ljepila, a pri visokim temperaturama sloj cementa.
Koriste se i folijski pretvarači u kojima se umjesto žice koriste folija i filmski deformatori koji se dobijaju sublimacijom materijala osjetljivog na naprezanje s njegovim naknadnim taloženjem na podlogu.
Ljepila se koriste za lijepljenje žice na podlogu i cijelog pretvarača na dio (rastvor celuloida u acetonu, BF-2, BF-4 ljepilo, bakelit itd.). Za visoke temperature (iznad 200 °C) koriste se cementi otporni na toplinu, silikonski lakovi i ljepila itd.
Konvertori su dostupni u različitim veličinama ovisno o namjeni. Najčešće se koriste pretvarači s dužinom rešetke (bazom) od 5 do 50 mm, koji imaju otpor od 30-500 oma.
Promjena temperature uzrokuje promjenu transformacijskih karakteristika mjernih mjerača, što se objašnjava temperaturnom ovisnošću otpora pretvarača i razlikom temperaturnih koeficijenata linearne ekspanzije materijala mjerača naprezanja i dijela koji se proučava. . Utjecaj temperature se obično eliminira primjenom odgovarajućih metoda temperaturne kompenzacije.
Zalijepljeni mjerni pretvarač ne može se ukloniti s jednog dijela i zalijepiti na drugi. Stoga se za određivanje karakteristika transformacije (koeficijenta S) pribjegava selektivnoj kalibraciji pretvarača koja daje vrijednost koeficijenta S sa greškom od ±1%. Metode za određivanje karakteristika merača naprezanja regulisane su standardom. Prednosti ovih pretvarača su linearnost statičke karakteristike konverzije, male dimenzije i težina, te jednostavnost dizajna. Njihov nedostatak je niska osjetljivost.
U onim slučajevima kada je potrebna visoka osjetljivost, koriste se pretvarači osjetljivi na naprezanje izrađeni u obliku traka od poluvodičkog materijala. Koeficijent S za takve pretvarače dostiže nekoliko stotina. Međutim, ponovljivost karakteristika poluvodičkih pretvarača je loša. Trenutno se masovno proizvode integrirani poluvodički mjerači naprezanja, koji formiraju most ili polumost sa elementima za termičku kompenzaciju.
Ravnotežni i neravnotežni mostovi se koriste kao mjerni krugovi za mjerenje naprezanja. Deformacije se koriste za mjerenje deformacija i drugih neelektričnih veličina: sila, pritisaka, momenata itd.
Termički osjetljivi pretvarači (termistori). Princip rada pretvarača zasniva se na zavisnosti električnog otpora vodiča ili poluprovodnika o temperaturi.
Izmjena topline se odvija između termistora i ispitivanog medija tokom procesa mjerenja. Budući da je termistor uključen u električni krug, uz pomoć kojeg se mjeri njegov otpor, kroz njega teče struja koja u njemu oslobađa toplinu. Izmjena topline termistora s medijem nastaje zbog toplinske provodljivosti medija i konvekcije u njemu, toplinske provodljivosti samog termistora i armature na koje je pričvršćen i, konačno, zbog zračenja. Intenzitet prenosa toplote, a samim tim i temperatura termistora, zavisi od njegovih geometrijskih dimenzija i oblika, od dizajna zaštitnih armatura, od sastava, gustine, toplotne provodljivosti, viskoziteta i drugih fizičkih svojstava gasnog ili tečnog medija koji ga okružuje. termistora, kao i o temperaturi i brzini kretanja medija.
Rice. 11-7. Uređaj (a) i izgled armature (b) platinskog termistora
Dakle, ovisnost temperature, a time i otpora termistora, o faktorima navedenim iznad može se koristiti za mjerenje različitih neelektričnih veličina koje karakteriziraju plinoviti ili tekući medij. Prilikom projektovanja pretvarača, cilj je osigurati da se izmjena topline termistora sa medijumom uglavnom određuje izmjerenom neelektričnom veličinom.
Prema načinu rada, termistori su pregrijani i bez namjernog pregrijavanja. U pretvaračima bez pregrijavanja, struja koja prolazi kroz termistor praktički ne uzrokuje pregrijavanje, a temperatura potonjeg određena je temperaturom medija; ovi pretvarači se koriste za mjerenje temperature. U pretvaračima pregrijavanja električna struja uzrokuje pregrijavanje, ovisno o svojstvima medija. Pretvarači pregrijavanja se koriste za mjerenje brzine, gustine, sastava medija, itd. Pošto na termistore pregrijavanja utiče temperatura medija, metode kola se obično koriste za kompenzaciju ovog efekta.
Za mjerenje temperature, najčešći termistori su napravljeni od platine ili bakrene žice.
Standardni platinasti termistori se koriste za mjerenje temperature u rasponu od -260 do + 1100 ° C, bakreni - u rasponu od - 200 do + 200 ° C (GOST 6651-78). Niskotemperaturni platinasti termistori (GOST 12877-76) se koriste za mjerenje temperatura u rasponu od -261 do -183 °C.
Na sl. 11-7, a Prikazan je uređaj platinskog termistora. U kanalima keramičke cijevi 2 postoje dva (ili četiri) dijela spirale 3 napravljen od platinaste žice spojene u seriju. Zalemite vodove na krajeve spirale 4, koristi se za uključivanje termistora u mjerni krug. Pričvršćivanje provodnika i zaptivanje keramičke cijevi vrši se glazurom /. Kanali cijevi su prekriveni bezvodnim prahom aluminij oksida, koji djeluje kao izolator i držač za spiralu. Bezvodni prah glinice, koji ima visoku toplotnu provodljivost i mali toplotni kapacitet, obezbeđuje dobar prenos toplote i nisku inerciju termistora. Za zaštitu termistora od mehaničkih i hemijskih uticaja spoljašnje sredine, postavlja se u zaštitne armature (sl. 11-7, b) od nerđajućeg čelika.
Početni otpori (na 0 ° C) platinastih standardnih termistora su 1, 5, 10, 46, 50, 100 i 500 oma, bakra - 10, 50, 53 i 100 oma.
Dozvoljena vrijednost struje koja teče kroz termistor kada je uključen u mjerni krug mora biti takva da promjena otpora termistora tokom zagrijavanja ne prelazi 0,1% početnog otpora.
Karakteristike statičke konverzije u obliku tabela (kalibracija) i dozvoljena odstupanja ovih karakteristika za standardne termistore date su u GOST 6651-78.
Pored platine i bakra, ponekad se nikal koristi za izradu termistora.
Za mjerenje temperature koriste se i poluprovodnički termistori (termistori) raznih tipova koji se odlikuju većom osjetljivošću (TCS termistor-
otpor je negativan i na 20 °C je 10-15 puta veći od TCR bakra i platine) i imaju veće otpore (do 1 MΩ) pri vrlo malim veličinama. Nedostatak termistora je loša ponovljivost i nelinearnost karakteristike konverzije:
gdje rt i Ro- otpornost termistora na temperaturama T i To; To- početna temperatura radnog opsega; AT- koeficijent.
Termistori se koriste u temperaturnom opsegu od -60 do +120°C.
Za mjerenje temperatura od -80 do -f-150°C koriste se termalne diode i termotranzistori kod kojih se otpor mijenja pod utjecajem temperature R- i-spoj i pad napona na ovom spoju. Naponska osjetljivost termotranzistora je 1,5-2,0 mV/K, što znatno premašuje osjetljivost standardnih termoparova (vidi tabelu 11-1). Ovi pretvarači su obično uključeni u mostovna kola i kola u obliku djelitelja napona.
Prednosti termalnih dioda i termalnih tranzistora su visoka osjetljivost, mala veličina i niska inercija, visoka pouzdanost i niska cijena; nedostaci - uski temperaturni raspon i loša ponovljivost karakteristika statičke konverzije. Utjecaj posljednjeg nedostatka se smanjuje upotrebom posebnih kola.
Toplinsku inerciju standardnih termistora prema GOST 6651-78 karakterizira indikator toplinske inercije v^, definiran kao vrijeme potrebno da razlika temperature medija i bilo koje tačke pretvarača koja se unese u njega postane jednaka 0,37 od tu vrijednost kada se pretvarač uvede u okolinu sa konstantnom temperaturom, koju je imala u trenutku nastupanja redovnog termičkog režima. Indeks toplinske inercije određuje se iz onog dijela krivulje prijelaznog termičkog procesa pretvarača, koji odgovara redovnom načinu rada, odnosno ima eksponencijalni karakter (u polulogaritamskoj skali - prava linija). Vrijednost e^ za različite tipove standardnih pretvarača kreće se od nekoliko desetina sekundi do nekoliko minuta.
Kada su potrebni termistori brzog otpora, za njihovu proizvodnju koristi se vrlo tanka žica (mikrožica), ili se koriste termistori male zapremine (perla) ili termotranzistori.
Rice. 11-8. Gasni analizator konvertor zasnovan na principu merenja toplotne provodljivosti
Rs. 11-9. Zavisnost toplotne provodljivosti gasa od pritiska
Termistori se koriste u instrumentima za analizu gasnih smeša. Mnoge mješavine plina razlikuju se jedna od druge i od zraka po toplinskoj provodljivosti.
U uređajima za analizu gasa - gasnim analizatorima - za merenje toplotne provodljivosti koristi se platinski termistor koji se pregreva (Sl. 11-8) smešten u komoru. 2 sa analiziranim gasom. Konstrukcija termistora, armature i komore, kao i vrijednost struje grijanja, odabrani su tako da se izmjena topline sa medijumom odvija uglavnom zbog toplotne provodljivosti gasovitog medija.
Da bi se eliminisao utjecaj vanjske temperature, osim radne temperature, koristi se kompenzacijska komora s termistorom napunjenom plinom konstantnog sastava. Obe komore su napravljene u obliku jednog bloka, koji komorama obezbeđuje iste temperaturne uslove. Tokom mjerenja, radni i kompenzacijski termistori su uključeni u susjedne krakove mosta, što dovodi do kompenzacije uticaja temperature.
Termistori se koriste u uređajima za mjerenje stepena razrjeđivanja. Na sl. 11-9 prikazuje zavisnost toplotne provodljivosti gasa koji se nalazi između tela ALI i B, od njegovog pritiska.
Dakle, toplotna provodljivost gasa postaje ovisna o broju molekula po jedinici zapremine, odnosno o pritisku (stepenu razrjeđivanja). Ovisnost toplinske provodljivosti plina od tlaka koristi se u vakuum mjeračima - uređajima za mjerenje stepena razrjeđivanja.
Za mjerenje toplinske provodljivosti u vakuum mjeračima koriste se metalni (platinasti) i poluvodički termistori, smješteni u staklenu ili metalnu posudu, koja je povezana s kontroliranim okruženjem.
Termistori se koriste u uređajima za mjerenje brzine protoka plina - anemometrima s vrućom žicom. Stacionarna temperatura termistora pregrijavanja koji se nalazi na putu protoka plina ovisi o brzini protoka. U ovom slučaju, konvekcija (prisilna) će biti glavni način razmjene topline između termistora i medija. Promjena otpora termistora zbog odvođenja topline s njegove površine pokretnim medijem funkcionalno je povezana sa brzinom medija.
Dizajn i tip termistora, armature i struje termistora grijanja odabrani su tako da su svi putevi prijenosa topline smanjeni ili isključeni, osim konvektivnog.
Prednosti anemometara sa vrućom žicom su visoka osjetljivost i brzina. Ovi uređaji omogućavaju mjerenje brzina od 1 do 100-200 m/s pomoću mjernog kruga, uz pomoć kojeg se temperatura termistora automatski održava gotovo nepromijenjena.
elektrolitički pretvarači. Elektrolitički pretvarači se temelje na ovisnosti električnog otpora otopine elektrolita o njegovoj koncentraciji. Uglavnom se koriste za mjerenje koncentracije otopina.
Na sl. 11-10, na primjer, prikazani su grafovi ovisnosti električne provodljivosti nekih otopina elektrolita od koncentracije sa rastvorena. Iz ove slike slijedi da je, u određenom rasponu koncentracija, ovisnost električne provodljivosti o koncentraciji nedvosmislena i da se može koristiti za određivanje sa.
Rice. 11-10. Ovisnost električne provodljivosti otopina elektrolita o koncentraciji otopljene tvari
Rice. 11-11. Laboratorijski elektrolitički pretvarač
Pretvarač koji se koristi u laboratoriji za mjerenje koncentracije je posuda sa dvije elektrode (elektrolitička ćelija) (sl. 11-11). Za industrijska kontinualna mjerenja, pretvarači su protočni, a često se koriste strukture u kojima zidovi posude (metalni) igraju ulogu druge elektrode.
Električna provodljivost otopina ovisi o temperaturi. Stoga je pri korištenju elektrolitičkih pretvarača potrebno eliminirati utjecaj temperature. Ovaj problem se rješava stabilizacijom temperature otopine pomoću hladnjaka (grijača) ili korištenjem krugova za kompenzaciju temperature sa bakrenim termistorima, budući da temperaturni koeficijenti vodljivosti otopina bakra i elektrolita imaju suprotne predznake.
Kada jednosmjerna struja prolazi kroz pretvarač, dolazi do elektrolize otopine, što dovodi do izobličenja rezultata mjerenja. Stoga se mjerenja otpornosti rješenja obično provode na naizmjeničnom strujom (700-1000 Hz), najčešće korištenjem mosnih kola.
Induktivni pretvarači. Princip rada pretvarača zasniva se na zavisnosti induktivnosti ili međusobne induktivnosti namotaja na magnetskom kolu o položaju, geometrijskim dimenzijama i magnetskom stanju elemenata njihovog magnetnog kola.
Rice. 11-12. Magnetno kolo sa prazninama i dva namotaja
Induktivnost i međusobna induktivnost se mogu mijenjati djelovanjem na dužinu b, poprečni presjek zračnog presjeka magnetskog kola s, na gubitke snage u magnetskom kolu i na druge načine. To se može postići, na primjer, pomicanjem pokretnog jezgra (armature) / (Sl. 11-12) u odnosu na fiksno 2, uvođenje nemagnetne metalne ploče 3 u vazdušni otvor itd.
Na sl. 11-13 shematski prikazuju različite vrste induktivnih pretvarača. Induktivni pretvarač (sl. 11-13, a) sa promjenjivom dužinom zračnog raspora b karakterizira nelinearna ovisnost L=f(b). Takav pretvarač se obično koristi kada se armatura pomakne za 0,01-5 mm. Značajno niža osjetljivost, ali linearna ovisnost L=f(s) varijabilni pretvarači zračnog raspora se razlikuju (sl. 11-13, b). Ovi pretvarači se koriste za pomake do 10-15 mm.
Rice. 11-13. Induktivni pretvarači s promjenjivom dužinom zazora (a), s promjenjivim presjekom zazora (b), diferencijal (u), diferencijalni transformator (d), diferencijalni transformator sa otvorenim magnetnim krugom (e) magnetoelastična (e)
Armatura u induktivnom pretvaraču doživljava (nepoželjnu) silu privlačenja od elektromagneta
gdje Wm- energija magnetnog polja; L- induktivnost pretvarača; / - struja koja prolazi kroz namotaj pretvarača.
Široko rasprostranjeni induktivni diferencijalni pretvarači (sl. 11-13, u), u kojoj se, pod uticajem izmerene vrednosti, istovremeno menjaju dve praznine elektromagneta i, štaviše, sa različitim predznacima. Diferencijalni pretvarači u kombinaciji sa odgovarajućim mjernim krugom (obično mostom) imaju veću osjetljivost, manju nelinearnost karakteristike konverzije, manje su pod utjecajem vanjskih faktora i smanjenu rezultantnu silu na armaturu od elektromagneta nego nediferencijalni pretvarači .
Na sl. 11-13, G prikazuje sklopni krug diferencijalnog induktivnog pretvarača, čije su izlazne vrijednosti međusobne induktivnosti. Takvi pretvarači se nazivaju međusobno induktivni ili transformatori. Kada se primarni namotaj napaja izmjeničnom strujom i sa simetričnim položajem armature u odnosu na elektromagnete, EMF na izlaznim terminalima je nula. Kada se armatura pomakne, na izlaznim stezaljkama pojavljuje se emf.
Za pretvaranje relativno velikih pomaka (do 50-100 mm) koriste se transformatorski pretvarači s otvorenim magnetskim krugom (sl. 11-13, o).
Primijenite transformatorske pretvarače kuta rotacije, koji se sastoje od fiksnog statora i pokretnog rotora s namotajima. Namotaj statora se napaja izmjeničnom strujom. Rotacija rotora uzrokuje promjenu vrijednosti i faze EMF inducirane u njegovom namotu. Takvi pretvarači se koriste za mjerenje velikih kutnih pomaka.
Induktozini se koriste za mjerenje malih ugaonih pomaka (sl. 11-14). Rotor / i stator 2 inductosyn se isporučuje sa štampanim namotajima 3, ima oblik radijalnog rastera. Princip djelovanja induktozina sličan je gore opisanom. Nanošenjem namotaja na štampani način moguće je dobiti veliki broj koraka namotaja polova, što obezbeđuje visoku osetljivost pretvarača na promenu ugla rotacije.
Rice. 11-14. Uređaj (a) i tip štampanog namotaja (b) inductosyn
Ako je feromagnetno jezgro pretvarača podvrgnuto mehaničkom naprezanju F, tada će se zbog promjene magnetske permeabilnosti materijala jezgre promijeniti magnetni otpor kola, što će za posljedicu imati promjenu induktivnosti L i međusobnu induktivnost M namotaji. Magnetoelastični pretvarači su zasnovani na ovom principu (sl. 11-13, e).
Dizajn pretvarača je određen opsegom izmjerenog pomaka. Dimenzije pretvarača se biraju na osnovu potrebne snage izlaznog signala.
Za mjerenje izlaznog parametra induktivnih pretvarača najčešće se koriste mostna (ravnotežna i neravnotežna) kola, kao i kompenzacijski (u automatskim uređajima) za diferencijalne transformatorske pretvarače.
Induktivni pretvarači se koriste za pretvaranje pomaka i drugih neelektričnih veličina koje se mogu pretvoriti u pomake (sila, pritisak, moment, itd.).
U poređenju sa drugim pretvaračima pomaka, induktivni pretvarači se odlikuju velikom izlaznom snagom signala, jednostavnošću i pouzdanošću u radu.
Njihov nedostatak je obrnuti učinak pretvarača na predmet koji se proučava (učinak elektromagneta na armaturu) i utjecaj inercije armature na frekvencijske karakteristike uređaja.
Rice. 11-15. Kapacitivni pretvarači s promjenjivim razmakom između ploča (a), diferencijalom (b), diferencijalom s promjenjivom aktivnom površinom ploča (c) i sa promjenjivom permitivnošću medija između ploča (d)
Kapacitivni pretvarači. Kapacitivni pretvarači se zasnivaju na zavisnosti električne kapacitivnosti kondenzatora o dimenzijama, relativnom položaju njegovih ploča i o dielektričnoj konstanti medija između njih.
Na sl. 11-15 shematski je prikazan raspored različitih kapacitivnih pretvarača. Pretvarač na sl. 11-15, a je kondenzator čija se jedna ploča pomera pod dejstvom izmerene vrednosti X u odnosu na fiksnu ploču. Statička karakteristika transformacije C(b) je nelinearna. Osjetljivost pretvarača raste sa smanjenjem udaljenosti 6. Takvi pretvarači se koriste za mjerenje malih pomaka (manjih od 1 mm).
Mali radni pomak ploča dovodi do greške u promjeni udaljenosti između ploča s temperaturnim fluktuacijama. Odabirom dimenzija dijelova i materijala pretvarača ova greška se smanjuje.
U kapacitivnim pretvaračima postoji (neželjena) sila privlačenja između ploča
gdje W 3- energija električnog polja; U i C su napon i kapacitivnost između ploča, respektivno.
Koriste se i diferencijalni pretvarači (sl. 11-15, b), koji imaju jednu pokretnu i dvije fiksne ploče. Kada je izložen izmjerenoj vrijednosti X ovi pretvarači istovremeno mijenjaju kapacitete. Na sl. 11-15, in prikazuje diferencijalni kapacitivni pretvarač s promjenjivom aktivnom površinom ploča. Takav pretvarač se koristi za mjerenje relativno velikih linearnih (više od 1 mm) i kutnih pomaka. U ovim pretvaračima je lako dobiti potrebnu karakteristiku konverzije profiliranjem ploča.
Pretvarači (e) se koriste za mjerenje nivoa tekućine, vlažnosti tvari, debljine dielektričnih proizvoda itd. Na primjer (sl. 11-15, G) dat je uređaj kapacitivnog pretvarača nivoa. Kapacitet između elektroda spuštenih u posudu zavisi od nivoa tečnosti, jer promena nivoa dovodi do promene prosečne permitivnosti medija između elektroda. Promjenom konfiguracije ploča može se dobiti željeni karakter zavisnosti očitavanja instrumenta od zapremine (mase) tečnosti.
Za mjerenje izlaznog parametra kapacitivnih pretvarača koriste se mostna kola i kola koja koriste rezonantna kola. Potonji omogućavaju stvaranje uređaja visoke osjetljivosti, sposobnih da odgovore na pomake reda veličine 10~7 mm. Krugovi s kapacitivnim pretvaračima obično se napajaju visokofrekventnom strujom (do desetina megaherca), što je uzrokovano željom da se poveća signal koji ulazi u mjerni uređaj i potrebom da se smanji ranžirni učinak otpora izolacije.
jonizacioni pretvarači. Konvertori se zasnivaju na fenomenu jonizacije gasa ili luminescencije određenih supstanci pod dejstvom jonizujućeg zračenja.
Ako se komora koja sadrži plin ozrači, na primjer, p-zracima, tada će struja teći između elektroda uključenih u električni krug (sl. 11-16). Ova struja zavisi od napona primenjenog na elektrode, od gustine i sastava gasovitog medija, veličine komore i elektroda, svojstava i intenziteta jonizujućeg zračenja itd. Ove zavisnosti se koriste za merenje različitih neelektričnih veličina. : gustina i sastav gasovitog medija, geometrijske dimenzije delova itd.
Rice. 11-16. Šema jonizacionog pretvarača
Rice. 11-17. Volt-amperska karakteristika jonizacionog pretvarača
Kao jonizujući agensi koriste se a-, p- i y-zraci radioaktivnih supstanci, mnogo rjeđe - rendgensko zračenje i neutronsko zračenje.
Za mjerenje stepena ionizacije koriste se pretvarači - jonizacijske komore i jonizacijski brojači, čiji rad odgovara različitim dijelovima strujno-naponske karakteristike plinskog jaza između dvije elektrode. Na sl. 11-17 prikazuje zavisnost struje u komori (sl. 11-16) sa konstantnim sastavom gasa od primenjenog napona U i intenzitet zračenja. Lokacija uključena ALI karakteristike, struja raste direktno proporcionalno naponu, zatim se njen rast usporava i u području B dostiže zasićenje. To ukazuje da svi ioni koji nastaju u komori dospiju do elektroda. Lokacija uključena AT jonizacijska struja ponovo počinje rasti, što je uzrokovano sekundarnom ionizacijom kada se primarni elektroni i ioni sudare s neutralnim molekulima. Uz daljnje povećanje napona (odjeljak G) jonizaciona struja prestaje da zavisi od početne jonizacije i dolazi
kontinuirano pražnjenje (odjeljak D) koja više ne zavisi od izlaganja radioaktivnom zračenju.
Parcele A i B strujno-naponske karakteristike opisuju djelovanje jonizacijskih komora i sekcija AT i G - jonizacioni brojači. Pored jonizacionih komora i brojača, kao jonizacioni pretvarači koriste se scintilacioni (luminiscentni) brojači. Princip rada ovih brojača zasniva se na pojavi u određenim supstancama - fosforima (cink sulfid aktiviran srebrom, kadmijum sulfid i dr.) - pod uticajem radioaktivnog zračenja svetlosnih bljeskova (scintilacija), koji se beleže u brojačima. fotomultiplikatorima. Svjetlina ovih bljeskova, a time i struja fotomultiplikatora, određuju se radioaktivnim zračenjem.
Izbor tipa jonizacionog pretvarača u velikoj mjeri zavisi od jonizujućeg zračenja.
Alfa zraci (jezgra atoma helija) imaju veliku jonizujuću moć, ali imaju nisku prodornu moć. U čvrstim materijama, a-zraci se apsorbuju u vrlo tankim slojevima (nekoliko do desetina mikrometara). Stoga, kada se koriste a-zraci, a-emiter se postavlja unutar pretvarača.
Beta zraci su tok elektrona (pozitrona); imaju mnogo manju jonizujuću moć od a-zraka, ali imaju veću prodornu moć. Dužina puta u čvrstim materijama dostiže nekoliko milimetara. Stoga se emiter može nalaziti unutar i izvan pretvarača.
Promjena udaljenosti između elektroda, područja preklapanja elektroda ili položaja izvora radioaktivnog zračenja u odnosu na ionizacijske komore ili brojače utječe na vrijednost jonizacijske struje. Stoga se ove ovisnosti koriste za mjerenje različitih mehaničkih i geometrijskih veličina.
Na sl. 11-18 kao primjer, prikazan je jonizacijski membranski manometar, gdje je / emiter; 2 - membrana; 3 - fiksna elektroda izolirana od membrane. Između elektroda 2 a 3 primjenjuje se razlika potencijala dovoljna za postizanje struje zasićenja. Kada se pritisak promeni R membrana se savija, mijenjajući udaljenost između elektroda i vrijednost jonizacijske struje.
Rice. 11-18. Ionizacijski membranski manometar
Rice. 11-19. Brojač ispuštanja gasa
Gama zraci su elektromagnetne oscilacije vrlo male talasne dužine (10 ~ 8 -10 ~ "cm) koje se javljaju tokom radioaktivnih transformacija. Gama zraci imaju veliku prodornu moć.
Dizajn jonizacionih komora i brojača je raznolik i zavisi od vrste zračenja.
Za registraciju pojedinačnih čestica, kao i za mjerenje malih y-zračenja, široko se koriste tzv. AT i G strujno-naponske karakteristike. Uređaj brojača gasnih pražnjenja prikazan je na sl. 11-19. Brojač se sastoji od metalnog cilindra /, unutar kojeg je zategnuta tanka volframova žica 2. Obje ove elektrode smještene su u stakleni cilindar. 3 s inertni gas. Kada je plin joniziran, u krugu brojača pojavljuju se strujni impulsi čiji se broj broji.
Kao izvori a-, p- i y-zračenja obično se koriste radioaktivni izotopi. Izvori zračenja koji se koriste u mjernoj tehnici moraju imati značajno vrijeme poluraspada i dovoljnu energiju zračenja (kobalt-60, stroncij-90, plutonij-239, itd.).
Glavna prednost uređaja koji koriste jonizujuće zračenje je mogućnost beskontaktnog mjerenja, što je od velike važnosti, na primjer, pri mjerenju u agresivnim ili eksplozivnim sredinama, kao i u okruženjima pod visokim pritiskom ili visokim temperaturama. Glavni nedostatak ovih uređaja je potreba za korištenjem biološke zaštite pri visokoj aktivnosti izvora zračenja.
13.2 Generatorski pretvarači
Opće informacije. U generatorskim pretvaračima, izlazna vrijednost je EMF ili naboj, funkcionalno povezan s izmjerenom neelektričnom količinom.
Termoelektrični pretvarači. Ovi pretvarači su zasnovani na termoelektričnom efektu koji se javlja u krugu termoelementa.
Sa temperaturnom razlikom tačaka / i 2, spajanje dva različita vodiča A i B(Sl. 11-20, a), formirajući termoelement, termo-EMF nastaje u krugu termoelementa.
Za mjerenje termo-EMF, električni mjerni uređaj (milivoltmetar, kompenzator) je uključen u kolo termoelementa (sl. 11-20, b). Tačka spajanja provodnika (elektroda) naziva se radni kraj termoelementa, tačke 2 i 2" - slobodni krajevi.
Da bi termo-EMF u krugu termoelementa bio nedvosmisleno određen temperaturom radnog kraja, potrebno je održavati temperaturu slobodnih krajeva termoelementa istom i nepromijenjenom.
Rice. 11-20. Termopar (a) i način uključivanja uređaja u krug termoelementa (b)
Kalibracija termoelektričnih termometara - uređaja koji koriste termoelemente za mjerenje temperature, obično se provodi na temperaturi slobodnih krajeva od 0°C. Kalibracione tabele za standardne termoelemente se takođe sastavljaju pod uslovom da je temperatura slobodnih krajeva jednaka 0 °C. U praktičnoj primjeni termoelektričnih termometara, temperatura slobodnih krajeva termoelementa obično nije jednaka 0 °C i stoga se mora uvesti korekcija.
Za proizvodnju termoelemenata koji se trenutno koriste za mjerenje temperature koriste se uglavnom posebne legure.
Za mjerenje visokih temperatura koriste se termoparovi tipa TPP, TPR i TVR. Termoparovi od plemenitih metala (TPP i TPR) koriste se u mjerenjima sa povećanom preciznošću. U ostalim slučajevima koriste se termoparovi od neplemenitih metala (TXA, TXK).
Za zaštitu od vanjskih utjecaja (pritisak, agresivni plinovi, itd.), elektrode termoelementa se postavljaju u zaštitne armature, strukturno slične spojnicama termistora (sl. 11-7, b).
Radi praktičnosti stabilizacije temperature slobodnih krajeva, ponekad se termoelement produžava pomoću takozvanih produžnih žica napravljenih ili od odgovarajućih termoelektrodnih materijala ili od posebno odabranih materijala koji su jeftiniji od elektrodnih i zadovoljavaju uvjet termoelektričnog identiteta. sa glavnim termoelementom u rasponu mogućih temperatura slobodnih krajeva (obično od 0 do 100 °C). Drugim riječima, produžne žice moraju imati istu temperaturnu ovisnost termo-EMF u specificiranom temperaturnom rasponu kao i glavni termopar.
Inerciju termoparova karakteriše indikator termičke inercije. Poznati su dizajni termoelementa brzog odziva, kod kojih je indeks toplotne inercije 5-20 s. Termoparovi u konvencionalnim spojnicama imaju termičku inerciju od nekoliko minuta.
Indukcijski pretvarači se koriste za mjerenje brzine linearnih i kutnih pomaka. Izlazni signal ovih pretvarača može se integrirati ili diferencirati u vremenu pomoću električnih integrirajućih ili diferencirajućih uređaja. Nakon ovih transformacija, parametar informativnog signala postaje proporcionalan pomaku, odnosno ubrzanju. Stoga se indukcijski pretvarači također koriste za mjerenje linearnih i kutnih pomaka i ubrzanja.
Indukcijski pretvarači se najviše koriste u instrumentima za mjerenje ugaone brzine (tahometri) i u instrumentima za mjerenje parametara vibracija.
Indukcijski pretvarači za tahometre su mali (1-100 W) generatori jednosmjerne ili naizmjenične struje, obično sa nezavisnom pobudom od trajnog magneta, čiji je rotor mehanički spojen na osovinu koja se ispituje. Kada se koristi generator jednosmjerne struje, kutna brzina se procjenjuje prema EMF generatoru, a u slučaju korištenja generatora naizmjenične struje, kutna brzina se može odrediti iz vrijednosti EMF-a ili njegove frekvencije.
Na sl. 11-21 prikazuje induktivni pretvarač za mjerenje amplitude, brzine i ubrzanja povratnog kretanja. Pretvarač je cilindrični kalem /, koji se kreće u prstenastom razmaku magnetskog kola 2. Cilindrični permanentni magnet 3 stvara konstantno radijalno magnetsko polje u prstenastom zazoru. Zavojnica, kada se kreće, prelazi linije sile magnetskog polja, a u njoj se pojavljuje emf, proporcionalan brzini kretanja.
Rice. 11-21. Indukcijski pretvarač
Greške indukcijskih pretvarača uglavnom su određene promjenom magnetnog polja tokom vremena i temperaturnim promjenama, kao i temperaturnim promjenama otpora namotaja.
Glavne prednosti indukcijskih pretvarača su relativna jednostavnost dizajna, pouzdanost i visoka osjetljivost. Nedostatak je ograničen frekventni opseg mjerenih vrijednosti.
Piezoelektrični pretvarači. Ovakvi pretvarači se zasnivaju 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.
Iz kvarcnog kristala je izrezana ploča čiji rubovi moraju biti okomiti na optičku os Oz, mehanička osovina OU i električna osovina Oh kristal (sl. 11-22, a i b).
Fx duž električne ose na licima X pojavljuju se optužbe Q x = kF x , gdje k- piezoelektrični koeficijent (modul).
Kada se izloži silu ploče Fy duž mehaničke ose na istim stranama X nastaju optužbe Q y = kF y a/b, gdje a i b- dimenzije lica ploča.
Mehaničko djelovanje na ploču duž optičke ose ne uzrokuje pojavu naboja.
Uređaj piezoelektričnog pretvarača za merenje promenljivog pritiska gasa prikazan je na sl. 11-23. Pritisak R kroz metalnu membranu / prenosi se u sendvič između metalnih brtvi 2 kvarcne ploče 3.
Rice. 11-22. Kvarcni kristal (a) i ploča (b), isklesan od njega
Lopta 4 doprinosi ravnomjernoj raspodjeli pritiska po površini kvarcnih ploča. Srednji odstojnik je spojen na pin 5 prolazeći kroz čahuru od dobrog izolacijskog materijala. Kada je izložen pritisku R dolazi do razlike potencijala između pina 5 i kućišta pretvarača .
U piezoelektričnim pretvaračima se uglavnom koristi kvarc, u kojem su piezoelektrična svojstva kombinovana sa visokom mehaničkom čvrstoćom i visokim izolacionim kvalitetima, kao i sa nezavisnošću piezoelektričnih karakteristika od temperature u širokom opsegu. Također se koristi polarizirana keramika od barij titanata, titanata i olovnog cirkonata.
Rice. 11-23. Piezoelektrični pretvarač pritiska
Dimenzije ploča i njihov broj se biraju na osnovu razmatranja dizajna i potrebne vrijednosti punjenja.
Naelektrisanje koje se javlja u piezoelektričnom pretvaraču "teče" duž izolacije i ulaznog kruga mjernog uređaja. Stoga uređaji koji mjere razliku potencijala na piezoelektričnim pretvaračima moraju imati visok ulazni otpor (10 12 -10 15 Ohm), što je praktično osigurano upotrebom elektronskih pojačala sa visokim ulaznim otporom.
Zbog "odvoda" punjenja, ovi pretvarači se koriste za mjerenje samo brzo promjenjivih veličina (promjenjive sile, pritisci, parametri vibracija, ubrzanja, itd.).
Koriste se piezoelektrični pretvarači - piezorezonatori, koji koriste i direktne i reverzne piezoelektrične efekte. Potonje je da ako se na elektrode pretvarača dovede izmjenični napon, tada će se u piezo osjetljivoj ploči pojaviti mehaničke oscilacije čija frekvencija (rezonantna frekvencija) ovisi o debljini h ploča, modul elastičnosti E i gustina p njegovog materijala. Kada je takav pretvarač uključen u rezonantni krug generatora, frekvencija generiranih električnih oscilacija određena je frekvencijom f p . Prilikom promjene vrijednosti h, E ili p pod uticajem mehaničkih ili termičkih uticaja, frekvencija /p će se promeniti i, shodno tome, promeniće se frekvencija generisanih oscilacija. Ovaj princip se koristi za pretvaranje pritiska, sile, temperature i drugih veličina u frekvenciju.
Galvanski pretvarači. Pretvarači su zasnovani na zavisnosti elektromotorne sile galvanskog kola o hemijskoj aktivnosti jona elektrolita, odnosno o koncentraciji jona i redoks procesima u elektrolitu. Ovi pretvarači se koriste za određivanje reakcije otopine (kisele, neutralne, alkalne), koja ovisi o aktivnosti vodikovih jona otopine.
Destilovana voda ima slabu, ali dobro definisanu električnu provodljivost, što se objašnjava jonizacijom vode.Hemijska aktivnost a jednaka je proizvodu ekvivalentne koncentracije i koeficijenta aktivnosti (težeći ka jedinici sa beskonačnim razblaženjem rastvora).
Ako se u vodi otopi kiselina koja pri disocijaciji formira H + ione, tada će koncentracija H + iona u otopini postati veća nego u čistoj vodi, a koncentracija OH ~ iona će biti niža zbog rekombinacije dijela od H + jona sa OH jonima.
Dakle, hemijska aktivnost vodonikovih jona rastvora je karakteristika reakcije rastvora. Reakcija rastvora je numerički okarakterisana negativnim logaritmom aktivnosti vodikovih jona - pH vrednost.Za destilovanu vodu pH vrednost je 7 pH jedinica.
Opseg promjena pH vodenih otopina na t = 22 °S je 0-14 pH jedinica.
Za mjerenje pH koristi se metoda zasnovana na mjerenju elektrodnog (graničnog) potencijala.
Ako je metalna elektroda uronjena u otopinu koja sadrži svoje ione istog imena, tada elektroda dobiva potencijal. Vodikova elektroda se ponaša slično.
Da bi se dobio elektrodni potencijal između vodika i otopine, potrebno je imati takozvanu vodikovu elektrodu. Vodikova elektroda se može stvoriti korištenjem prednosti adsorpcije vodonika na površini platine, iridija i paladija. Obično je vodonična elektroda platinasta elektroda obložena crnom platinom na koju se kontinuirano dovodi vodonik. Potencijal takve elektrode ovisi o koncentraciji vodikovih iona u otopini.
U praksi je nemoguće izmjeriti apsolutnu vrijednost graničnog potencijala. Dakle, galvanski pretvarač se uvijek sastoji od dvije polućelije međusobno električno povezane: radne (mjerne) polućelije, koja je ispitno rješenje s elektrodom, i uporedne (pomoćne) polućelije sa konstantnim graničnim potencijalom. , koji se sastoji od elektrode i otopine s konstantnom koncentracijom. Vodikova elektroda s normalnom konstantnom koncentracijom vodikovih iona koristi se kao referentna polućelija. Za industrijska mjerenja koristi se prikladnija referentna kalomel elektroda.
Rice. 11-24. Galvanski pretvarač
Na sl. 11-24 prikazan je pretvarač za mjerenje koncentracije vodikovih jona. Kalomelna elektroda služi kao uporedni poluelement. To je staklena posuda 4, na čije je dno stavljena mala količina žive, a na vrhu je pasta od kalomela (Hg2Cb). Na pastu se sipa rastvor kalijum hlorida (KC1). Potencijal nastaje na sučelju kalomel-živa. Za kontakt sa živom na dno posude zalemljena je platinska elektroda 5. Potencijal kalomelne elektrode zavisi od koncentracije žive u kalomelu, a koncentracija živinih jona, pak, zavisi od koncentracije hlorida. jona u rastvoru kalijum hlorida.
Vodikova elektroda je uronjena u ispitni rastvor. Obje polućelije su povezane elektrolitičkim ključem, koji je cijev 2, obično ispunjen zasićenom otopinom KC1 i zatvoren polupropusnim čepovima 3. EMF takvog pretvarača je funkcija pH vrijednosti.
U uređajima industrijskog tipa, umjesto radnih vodikovih elektroda, koriste se pogodnije elektrode od antimona ili kvinhidrona. Takozvane staklene elektrode također se široko koriste.
Za mjerenje EMF galvanskih pretvarača uglavnom se koriste kompenzacijski uređaji. Za staklene elektrode, mjerni krug mora imati visok ulazni otpor, jer unutrašnji otpor staklenih elektroda dostiže 100-200 MΩ. Prilikom mjerenja pH pomoću galvanskih pretvarača, potrebno je izvršiti korekcije za temperaturne efekte.
PREDAVANJE 15
Generatorski 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 1 i 2 veze provodnika 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 spojeva
E \u003d f (t 1 - t 2). (15.1)
Ako se temperatura spoja 2 održava konstantnom, onda
E \u003d f (t 1).
Ovaj odnos se koristi za mjerenje temperature pomoću termoparova. Za mjerenje TEDS-a, električni mjerni uređaj je uključen u prekid spoja 2 (slika 15.1, b). Spoj 1 se naziva vrućim (radnim) spojem, a spoj 2 se naziva hladnim spojem (krajevi 2 i 2' se nazivaju slobodni krajevi).
Da bi TEDS termoelementa bio nedvosmisleno određen temperaturom toplog spoja, potrebno je održavati temperaturu hladnog spoja uvijek istom.
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 slobodnih krajeva jednaka 0 o C. U praksi, nije uvijek moguće održati ovu temperaturu. U takvim slučajevima, očitavanja termoelementa se koriguju za temperaturu slobodnih krajeva. Postoje šeme za automatske korekcije.
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 izvode se u glavu termoelementa, opremljenu stezaljkama za spajanje termoelementa na električni krug.
U tabeli. 15.1 prikazane su karakteristike termoparova proizvedenih u industriji. Za mjerenje visokih temperatura koriste se termoparovi PP, PR i VR. Termoparovi od plemenitih metala koriste se za mjerenja visoke preciznosti.
Ovisno o dizajnu, termoparovi mogu imati termičku inerciju koju karakterizira vremenska konstanta od sekundi do nekoliko minuta, što ograničava njihovu sposobnost mjerenja temperatura koje se brzo mijenjaju.
Pored uključivanja mjernog uređaja u spoj termoelementa, moguće je uključiti uređaj u "elektrodu", tj. u otvor jedne od termoelektroda (slika 15.1, c). Takvo uključivanje, u skladu sa (15.1), omogućava mjerenje temperaturne razlike t1 – t2 . Na primjer, može se izmjeriti pregrijavanje namotaja transformatora iznad temperature okoline tokom ispitivanja. Da bi se to postiglo, radni spoj termoelementa je ugrađen u namotaj, a slobodni spoj je ostavljen na temperaturi okoline.
Tabela 15.1. Karakteristike termoelementa
Oznaka |
opseg primjene, o C |
|
Bakar - kopel |
||
Chromel - Kopel |
||
Hromel - alumel |
||
Platinum Rodijum (10% Rh) - Platina |
||
Platinasti rodijum (30% Rh ) – platina-rodijum (6% Rh) |
||
Volfram renijum (5% Re ) – volfram renijum (20% Re) |
Zahtjev za konstantnom temperaturom slobodnih krajeva termoelementa prisiljava, ako je moguće, da ih ukloni sa mjesta mjerenja. U tu svrhu koriste se takozvani KP produžni ili kompenzacioni vodiči, povezani sa slobodnim krajevima termoelementa sa polaritetom (slika 15.1, d). Kompenzacijske žice se sastoje od različitih vodiča, koji, u rasponu mogućih fluktuacija temperature slobodnih krajeva, razvijaju u paru jedan s drugim isti TEDS kao termopar. Stoga, ako su spojne točke kompenzacijskih žica na temperaturi t2 , i temperaturu na mjestu gdje je termoelement spojen na uređaj t0 , tada će TEDS termoelementa odgovarati njegovoj kalibraciji na temperaturi slobodnih krajeva t0.
Maksimalni TEDS koji razvijaju standardni termoparovi kreće se od jedinica do desetina milivolti.
Za mjerenje TEDS-a mogu se koristiti magnetoelektrični, elektronski (analogni i digitalni) milivoltmetri i DC potenciometri. Prilikom upotrebe milivoltmetara magnetoelektričnog sistema, treba imati na umu da je napon koji mjeri milivoltmetar na njegovim stezaljkama
gdje ja - struja u krugu termoelementa, i R V je otpor milivoltmetra.
Pošto je izvor struje u kolu termoelement, onda
I \u003d E / (R V + R VN),
gdje je R H - otpor dijela kruga izvan milivoltmetra (tj. elektrode termoelementa i kompenzacijske žice). Stoga će napon izmjeren milivoltmetrom biti jednak
U \u003d E / (1 + R VN / R V).
Dakle, očitanja milivoltmetra se više razlikuju od TEDS termoelementa, što je veći omjer R BH / R V . Da 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 su komercijalno dostupni u klasama tačnosti od 0,5 do 2,0.
Ulazni otpor elektronskih milivoltmetara je veoma velik, a efekat otpora R BH zanemarljiv je za dokaze.
Piezoelektrični pretvarači.
Ovakvi pretvarači se zasnivaju 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 je ploča izrezana od kvarcnog kristala 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 , usmjerena duž električne ose, na licima X pojavljuju se optužbe
Q x = K p F x , (15.2)
gdje je K p – piezoelektrični koeficijent (modul).
Kada se izloži silu ploče F duž mehaničke ose, na istim stranama X nastaju optužbe
Q y \u003d K p F y a / b,
gdje su a i b su dimenzije lica ploča. Mehaničko djelovanje na ploču duž optičke ose ne uzrokuje pojavu naboja.
Piezoelektrični efekat je naizmenični znak; 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.
Vrijednost piezoelektričnog koeficijenta (modula) K p i temperatura Curie tačke za kvarc i uobičajene keramičke piezoelektrike date su u tabeli. 15.2.
Proizvodnja pretvarača od piezokeramike je mnogo jednostavnija 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 piezoelektrika.
Elektromotorna sila koja se javlja 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 sila promeni F prema zakonu F = F m sin t EMF se također mijenja sinusno.
Stoga se mjerenje neelektričnih veličina koje se mogu pretvoriti u promjenjivu silu koja djeluje na piezoelektrični pretvarač svodi na mjerenje naizmjeničnog napona ili emf.
Tabela 15.2. Parametri kvarcnih i keramičkih piezoelektrika
Materijal (brend) |
Kirijeva tačka, o C |
|
barijum titanat (TB-1) Olovo cirkonat titanat (TsTS-19) |
70,0x10 -12 119.0h10 -12 |
Piezoelektrični pretvarači se široko koriste za mjerenje parametara kretanja: linearno i vibracijsko ubrzanje, udar, akustične signale.
Ekvivalentno kolo piezoelektričnog pretvarača prikazano je na sl. 15.3, a) u obliku generatora sa unutrašnjom kapacitivnošću With . Budući da je snaga takvog piezoelektričnog elementa izuzetno mala, potrebno je koristiti uređaje s velikim ulaznim otporom (10 11 ... 10 15 oma).
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. 15.3b). Piezoelektrični element (obično napravljen od piezokeramike) opterećen poznatom masom m , postavljen u kućište 1 i preko terminala 2 spojen na kolo elektronskog milivoltmetra V . Zamjena u formulu za naboj koji nastaje na licima izraz F = ma , gdje je a je ubrzanje, a uzimajući u obzir (15.2), dobijamo
U = K u a ,
gdje je K u – faktor konverzije napona senzora.
Stranica 6
Ugradi Visio.Drawing.6
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 svojstva metala i poluvodiča da mijenjaju svoj električni otpor s temperaturom. Za provodnike napravljene od čistih metala, ova zavisnost u temperaturnom opsegu od -200°C do 0°C ima oblik:
R t \u003d R 0,
i u temperaturnom opsegu od 0 °S do 630 °S
R t =R 0 [ 1+At+Bt 2 ],
gdje R t , R 0– otpor provodnika na temperaturi t i 0 °S; A, B S – koeficijenti; t– temperatura, °C.
U temperaturnom rasponu od 0°C do 180°C, ovisnost otpora provodnika od temperature opisuje se približnom formulom
R t =R 0 [ 1+αt],
gdje α - temperaturni koeficijent otpornosti materijala provodnika (TCS).
Za gole metalne provodnike α ≈ 6-10 -3 ... 4-10 -3 stepen -1.
Mjerenje temperature otpornim termometrom svodi se na mjerenje njegovog otpora R t, sa naknadnim prelaskom na temperaturu prema formulama ili kalibracionim tabelama.
Razlikovati žičane i poluvodičke otporne termometre. Žičani otporni termometar je tanka žica od čistog metala, pričvršćena na okvir od materijala otpornog na temperaturu (osjetni element), smješten u zaštitne armature (slika 6.4).
Slika 6.4 – Osjetljivi element otpornog termometra
Vodovi senzorskog elementa povezani su sa glavom termometra. Izbor za proizvodnju otpornih termometara od žica od čistih metala, a ne od legura, je zbog činjenice da je TCR čistih metala veći od TCR legura i stoga su termometri na bazi čistih metala osjetljiviji.
Industrija proizvodi otporne termometre od platine, nikla i bakra. Kako bi se osigurala zamjenjivost i ujednačena kalibracija termometara, njihove vrijednosti otpora su standardizirane R0 i TKS.
Poluvodički otporni termometri (termistori) su perle, diskovi ili šipke izrađene od poluvodičkog materijala sa vodovima za spajanje na mjerni krug.
Industrija komercijalno proizvodi mnoge vrste termistora u različitim izvedbama.
Veličine termistora su obično male - oko nekoliko milimetara, a neke vrste su desetinke milimetra. Radi zaštite od mehaničkih oštećenja i izlaganja okolini, termistori su zaštićeni staklenim ili emajliranim premazima, kao i metalnim kućištima.
Termistori obično imaju otpor jedinica do stotina kilo-oma; njihov TCS u opsegu radne temperature je za red veličine veći od onog kod žičanih termometara. Kao materijali za radno tijelo termistora koriste se mješavine oksida nikla, mangana, bakra, kobalta, koje se miješaju s vezivom, daju mu željeni oblik i sinteriraju na visokoj temperaturi. Termistori se koriste za mjerenje temperatura u rasponu od -100 do 300°C. Inercija termistora je relativno mala. Njihovi nedostaci uključuju nelinearnost temperaturne ovisnosti otpora, nedostatak zamjenjivosti zbog velikog širenja nominalnog otpora i TCR-a, kao i nepovratnu promjenu otpora tokom vremena.
Za mjerenja u temperaturnom opsegu blizu apsolutne nule koriste se germanijumski poluvodički termometri.
Mjerenje električnog otpora termometara vrši se pomoću DC i AC mostova ili kompenzatora. Karakteristika termometrijskih mjerenja je ograničenje mjerne struje kako bi se isključilo zagrijavanje radnog tijela termometra. Za žičane otporne termometre preporučuje se odabir takve mjerne struje da snaga koju rasipa termometar ne prelazi 20...50mW. Dozvoljena disipacija snage u termistorima je mnogo manja i preporuča se eksperimentalno odrediti za svaki termistor.
Pretvarači (senzori) osjetljivi na naprezanje.
U praksi projektiranja često je potrebno mjeriti mehanička naprezanja i deformacije u elementima konstrukcije. Najčešći pretvarači ovih veličina u električni signal su mjerači naprezanja. Rad mjerača naprezanja temelji se na svojstvu metala i poluvodiča da mijenjaju svoj električni otpor pod djelovanjem sila koje se na njih primjenjuju. Najjednostavniji mjerač deformacije može biti komad žice čvrsto pričvršćen za površinu deformabilnog dijela. Istezanje ili sabijanje dijela uzrokuje proporcionalno rastezanje ili kompresiju žice, uslijed čega se mijenja njen električni otpor. U granicama elastičnih deformacija, relativna promjena otpora žice povezana je s njenim relativnim izduženjem omjerom:
∆R/R = K T ∆l/l,
gdje l, R su početna dužina i otpor žice; Δl, ∆R– povećanje dužine i otpora; K T– koeficijent osjetljivosti na deformaciju.
Vrijednost koeficijenta deformacijskog mjerača ovisi o svojstvima materijala od kojeg je mjerač naprezanja izrađen, kao i o načinu pričvršćivanja mjernog mjerača na proizvod. Za metalne žice od raznih metala K T = 1... 3,5.
Razlikovati žičane i poluvodičke mjerače naprezanja. Za proizvodnju žičanih mjerača naprezanja koriste se materijali koji imaju dovoljno visok koeficijent osjetljivosti na deformaciju i niski temperaturni koeficijent otpora. Najčešći materijal za proizvodnju žičanih mjerača je konstantanska žica promjera 20 ... 30 mikrona.
Strukturno, mjerači naprezanja žice su mreža koja se sastoji od nekoliko žičanih petlji zalijepljenih na tanku papirnu (ili drugu) podlogu (slika 6.5). Ovisno o materijalu podloge, mjerači naprezanja mogu raditi na temperaturama od -40 do +400°C.
Slika 6.5 - Tenziometar
Postoje izvedbe mjerača naprezanja pričvršćenih na površinu dijelova uz pomoć cementa, sposobnih za rad na temperaturama do 800°C.
Glavne karakteristike mjerača naprezanja su nazivni otpor R, baza l i mjerni faktor K T Industrija proizvodi širok spektar mjerača naprezanja sa osnovnom veličinom od 5 do 30 mm, nominalnim otporom od 50 do 2000 Ohm, sa faktorom mjerenja naprezanja od 2 ± 0,2.
Daljnji razvoj žičanih mjerača naprezanja su folija i filmski mjerači naprezanja, čiji je osjetljivi element rešetka folijskih traka ili najtanji metalni film naneseni na podloge na bazi laka.
Deformacijski mjerači se izrađuju na bazi poluvodičkih materijala. Tenzorski efekat je najizraženiji kod germanijuma, silicijuma itd. Osnovna razlika između poluprovodničkih deformacionih merača i žičanih merača deformacije je velika (do 50%) promena otpora tokom deformacije zbog velike vrednosti koeficijenta deformacije.
Induktivni pretvarači.
Induktivni pretvarači se koriste za mjerenje pomaka, dimenzija, odstupanja oblika i rasporeda površine. Pretvarač se sastoji od fiksnog induktora s magnetskim krugom i armature, koja je također dio magnetskog kola, koja se kreće u odnosu na induktor. Da bi se postigla najveća moguća induktivnost, magnetsko kolo zavojnice i armatura izrađeni su od feromagnetnih materijala. Kada se armatura (povezana, na primjer, sa sondom mjernog uređaja) pomakne, mijenja se induktivnost zavojnice i, posljedično, mijenja se struja koja teče u namotu. Slika 6.6 prikazuje dijagrame induktivnih pretvarača sa promjenjivim zračnim rasporom δ (Slika 6.6 a) koristi se za mjerenje pomaka unutar 0,01 ... 10 mm; sa promjenjivom površinom zračnog raspora S0(Slika 6.6 b), koristi se u rasponu od 5...20 mm.
Slika 6.6 - Induktivni pretvarači pomaka
6.2. Operacijski pojačivači
Operativno pojačalo(OA) je DC diferencijalno pojačalo sa vrlo visokim pojačanjem. Za naponski pojačivač, prijenosna funkcija (pojačanje) je data sa
Da bi se pojednostavili proračuni dizajna, pretpostavlja se da idealno op-pojačalo ima sljedeće karakteristike:
1 Pojačanje u otvorenoj petlji jednako je beskonačnosti.
2 Ulazna impedansa Rd jednako beskonačnosti.
3 izlazna impedansa R o = 0.
4 Širina pojasa je beskonačna.
5 V o=0 at V 1 \u003d V 2(bez napona pomaka nule). Poslednja karakteristika je veoma važna. As V1-V2 = Vo/A, onda ako Vo ima konačnu vrijednost, a koeficijent A je beskonačno velik (tipična vrijednost je 100000), imat ćemo
V 1 - V 2= 0 i V1 = V2.
Budući da je ulazna impedansa za diferencijalni signal ( V 1 - V 2) je također vrlo velika, onda možemo zanemariti struju kroz koju prolazimo Rd.Ove dvije pretpostavke uvelike pojednostavljuju razvoj kola na OS-u.
pravilo 1. Kada op-pojačalo radi u linearnom području, isti naponi djeluju na njegova dva ulaza.
pravilo 2. Ulazne struje za oba ulaza operacijskog pojačala su nula.
Razmotrite osnovne blokove kola na op-pojačalu. U većini ovih kola, operacijsko pojačalo se koristi u konfiguraciji zatvorene petlje.
6.2.1. Unity Gain pojačalo (naponski pratilac)
Ako u neinvertirajuće pojačalo stavljamo Ri jednako beskonačnosti, a RF jednak nuli, tada ćemo doći do kola prikazanog na slici 6.7.
Slika 6.7 - Pratilac napona
Prema pravilu 1, ulazni napon djeluje i na invertirajući ulaz op-amp Vi, koji se direktno prenosi na izlaz kola. dakle, V o = V i, a izlazni napon prati (ponavlja) ulazni napon. Za mnoge analogno-digitalne pretvarače, ulazna impedancija ovisi o vrijednosti analognog ulaznog signala. Uz pomoć pratioca napona osigurava se konstantan ulazni otpor.
6.2.2. Adders
Invertujuće pojačalo može zbrojiti više ulaznih napona. Svaki ulaz sabirača povezan je sa invertujućim ulazom operativnog pojačala preko ponderirajućeg otpornika. Invertirajući ulaz naziva se čvor za sumiranje jer se ovdje zbrajaju sve ulazne struje i povratna struja. Osnovna shema sklopa sumirajućeg pojačala prikazana je na slici 6.8.
Kao u konvencionalnom invertirajućem pojačalu, napon na invertirajućem ulazu mora biti nula, stoga je struja koja teče u op-amp također nula. dakle,
Slika 6.8 - Osnovna šema sumirajućeg pojačala
Kako nulti napon djeluje na invertirajući ulaz, nakon odgovarajućih supstitucija, dobijamo:
Otpornik Rf određuje ukupni dobitak kola. otpor R 1 , R 2 ,...R n postavite vrijednosti težinskih koeficijenata i ulaznih impedancija odgovarajućih kanala.
6.2.3. Integratori
Integrator je elektronsko kolo koje proizvodi izlazni signal koji je proporcionalan integralu (tokom vremena) ulaznog signala.
Slika 6.9 - Šematski dijagram analognog integratora
Na slici 6.9 prikazana je dijagram kola jednostavnog analognog integratora. Jedan izlaz integratora povezan je sa čvorom za sumiranje, a drugi - sa izlazom integratora. Stoga je napon na kondenzatoru ujedno i izlazni napon. Izlazni signal integratora ne može se opisati jednostavnim algebarskim odnosom, jer se pri fiksnom ulaznom naponu izlazni napon mijenja brzinom određenom parametrima Vi, R i With. Dakle, da biste pronašli izlazni napon, morate znati trajanje ulaznog signala. Napon na početno ispražnjenom kondenzatoru:
gdje i f kroz kondenzator i t i- vrijeme integracije. Za pozitivno Vi imamo i f = V i /R. Ukoliko i f = i i tada, uzimajući u obzir inverziju signala, dobijamo:
Iz ove relacije proizilazi da V o određuje se integralom (sa suprotnim predznakom) ulaznog napona u rasponu od 0 do t i pomnoženo sa faktorom skale 1/ RC. voltaža Vic je napon na kondenzatoru u početnom trenutku ( t = 0).
6.2.4. Diferencijatori
Diferencijator proizvodi izlazni signal proporcionalan brzini promjene ulaznog signala tokom vremena. Slika 6.10 prikazuje dijagram strujnog kola jednostavnog diferencijatora.
Slika 6.10 - Šematski dijagram diferencijatora
Struja kroz kondenzator je:
Ako je derivat dV i /dt pozitivno, trenutno i i teče u takvom smjeru da se stvara negativni izlazni napon V o. dakle,
Ova metoda diferencijacije signala izgleda jednostavna, ali u njenoj praktičnoj implementaciji postoje problemi sa osiguranjem stabilnosti kola na visokim frekvencijama. Nije svako operativno pojačalo pogodno za upotrebu u diferencijatoru. Kriterijum odabira je brzina op-pojačala: potrebno je da odaberete op-pojačalo sa visokom maksimalnom stopom napona i proizvodom visokog propusnog opsega pojačanja. Brza tranzistorska op-pojačala sa efektom polja dobro rade u diferencijatorima.
6.2.5. Komparatori
Komparator je elektronsko kolo koje uspoređuje dva ulazna napona i proizvodi izlazni signal koji ovisi o stanju ulaza. Osnovna šema komparatora prikazana je na slici 6.11.
Slika 6.11 - Šematski dijagram komparatora
Kao što vidite, ovdje op-amp radi sa otvorenom povratnom spregom. Referentni napon se primjenjuje na jedan od njegovih ulaza, a nepoznati (uporedivi) napon se primjenjuje na drugi. Izlazni signal komparatora pokazuje da li je nivo nepoznatog ulaznog signala iznad ili ispod nivoa referentnog napona. U kolu na slici 6.11, referentni napon V r se primjenjuje na neinvertirajući ulaz, a nepoznati signal se primjenjuje na invertirajući ulaz Vi.
At Vi > V r napon se postavlja na izlazu komparatora V0=-Vr(negativni napon zasićenja). U suprotnom, dobijamo V0 = +V r. Možete zamijeniti ulaze - ovo će invertirati izlazni signal.
6.3. Prebacivanje mjernih signala
U informacionoj i mjernoj tehnologiji, pri implementaciji analognih mjernih transformacija, često je potrebno napraviti električne veze između dvije ili više tačaka mjernog kola kako bi se izazvao potrebni prijelazni proces, raspršila energija koju pohranjuje reaktivni element (npr. isprazniti kondenzator), spojiti napajanje mjernog kola, uključiti analognu ćelijsku memoriju, uzeti uzorak kontinuiranog procesa pri diskretizaciji itd. Osim toga, mnogi mjerni instrumenti izvode mjerne transformacije uzastopno na velikom broju električnih veličina raspoređenih u prostoru. Za implementaciju navedenog koriste se mjerni prekidači i mjerni ključevi.
Prekidač za merenje Uređajem se naziva uređaj koji pretvara prostorno razdvojene analogne signale u signale razdvojene u vremenu, i obrnuto.
Mjerne sklopke za analogne signale karakteriziraju sljedeći parametri:
- dinamički raspon komutiranih vrijednosti; greška prenosnog koeficijenta;
Brzina (frekvencija prebacivanja i/ili vrijeme potrebno za izvođenje jedne operacije prebacivanja); broj uključenih signala;
Granični broj sklopki (za prekidače sa kontaktnim mjernim ključem) .
Ovisno o vrsti mjernih ključeva koji se koriste u prekidaču, kontakt i beskontaktno prekidači. Mjerni ključ je dvoklemno kolo sa izraženom nelinearnošću strujno-naponske karakteristike. Prijelaz ključa iz jednog stanja (zatvoreno) u drugo (otvoreno) vrši se pomoću kontrolnog elementa.
6.4. Analogno digitalno pretvaranje
Analogno-digitalna konverzija je sastavni dio postupka mjerenja. Kod uređaja za indikaciju, ova operacija odgovara čitanju numeričkog rezultata od strane eksperimentatora. U digitalnim i procesorskim mjernim instrumentima, analogno-digitalna konverzija se vrši automatski, a rezultat ili ide direktno na displej, ili se unosi u procesor da izvrši naknadne mjerne konverzije u numeričkom obliku.
Metode analogno-digitalne konverzije u mjerenjima razvijene su duboko i temeljito i svode se na reprezentaciju trenutnih vrijednosti ulaznog djelovanja u fiksnim vremenskim trenucima odgovarajućom kombinacijom koda (brojem). Fizička osnova analogno-digitalne konverzije je gating i poređenje sa fiksnim referentnim nivoima. Najrasprostranjeniji su ADC-ovi bitnog kodiranja, sekvencijalnog brojanja, balansiranja praćenja i neki drugi. Pitanja metodologije analogno-digitalne konverzije, koja se odnose na trendove razvoja ADC-a i digitalnih mjerenja u narednim godinama, uključuju, posebno:
Uklonite dvosmislenost čitanja u ADC-ovima koji se najbrže podudaraju, koji postaju sve češći s razvojem integrirane tehnologije;
Postizanje tolerancije grešaka i poboljšanje metroloških karakteristika ADC-a zasnovanih na redundantnom Fibonačijevom brojevnom sistemu;
Aplikacija za analogno-digitalnu konverziju statističke metode ispitivanja.
6.4.1 Digitalni, analogni i analogno-digitalni pretvarači
Digitalno-analogni (DAC) i analogno-digitalni pretvarači (ADC) sastavni su dio sistema automatske kontrole i regulacije. Osim toga, budući da je velika većina mjerenih fizičkih veličina analogna, a njihova obrada, indikacija i registracija se u pravilu obavljaju digitalnim metodama, DAC i ADC su našli široku primjenu u automatskim mjernim instrumentima. Dakle, DAC i ADC su dio digitalnih mjernih instrumenata (voltmetri, osciloskopi, spektralni analizatori, korelatori itd.), programabilna napajanja, displeji katodnih cijevi, ploteri, radarski sistemi instalacija za nadzor elemenata i mikro kola, bitne su komponente raznih pretvarači i generatori, uređaji za ulaz-izlaz računarskih informacija. Otvaraju se široki izgledi za upotrebu DAC-ova i ADC-ova u telemetriji i televiziji. Serijska proizvodnja malih i relativno jeftinih DAC-ova i ADC-a omogućit će još širu primjenu metoda diskretno-kontinuirane konverzije u nauci i tehnologiji.
Postoji tri Vrste konstruktivnog i tehnološkog izvođenja DAC-a i ADC-a: modularni, hibrid i integralni.
Istovremeno, udio proizvodnje integriranih kola (IC) DAC-a i ADC-a u ukupnom obimu njihove proizvodnje u stalnom je porastu, čemu u velikoj mjeri doprinosi široka upotreba mikroprocesora i metoda digitalne obrade podataka.
DAC- uređaj koji stvara izlazni analogni signal (napon ili struju) proporcionalan ulaznom digitalnom signalu. U ovom slučaju, vrijednost izlaznog signala ovisi o vrijednosti referentnog napona U on, koji određuje punu skalu izlaznog signala. Ako se bilo koji analogni signal koristi kao referentni napon, tada će izlazni signal DAC-a biti proporcionalan proizvodu ulaznih digitalnih i analognih signala. U ADC-u, digitalni kod na izlazu je određen omjerom konvertovanog analognog ulaznog signala i referentnog signala pune skale. Ovaj odnos je također zadovoljen ako se referentni signal promijeni prema nekom zakonu. ADC se može zamisliti kao mjerač omjera ili djelitelj napona s digitalnim izlazom.
6.4.2. Principi rada, osnovni elementi i blok dijagrami ADC-a
Trenutno je razvijen veliki broj tipova ADC-a koji zadovoljavaju različite zahtjeve. U nekim slučajevima, prevladavajući zahtjev je visoka tačnost, u drugim - brzina konverzije.
Prema principu rada, sve postojeće vrste ADC-a mogu se podijeliti u dvije grupe:
ü ADC sa poređenjem ulaznog konvertovanog signala sa diskretnim nivoima napona;
ü ADC integracionog tipa.
ADC sa poređenjem ulaznog konvertovanog signala sa diskretnim nivoima napona koristi proces konverzije, čija je suština da generiše napon sa nivoima ekvivalentnim odgovarajućim digitalnim kodovima, i poredi ove nivoe napona sa ulaznim naponom kako bi se odredio digitalni ekvivalent ulaznog signala. U ovom slučaju, nivoi napona se mogu formirati istovremeno, uzastopno ili kombinovano.
ADC sa postupnim sekvencijalnim brojanjem je jedan od najjednostavnijih pretvarača (slika 6.12).
Slika 6.12 - Strukturni dijagram ADC sekvencijalnog brojanja
SS - shema poređenja; Sch - brojač impulsa; RP - memorijski registar; DAC - digitalno-analogni pretvarač.
Signalom "Start" brojač se postavlja u nulto stanje, nakon čega, kako taktni impulsi stignu na njegov ulaz sa frekvencijom f T izlazni napon DAC-a raste linearno u koracima. Kada napon dostigne U izlazne vrijednosti U kolo za poređenje ulaza zaustavlja brojanje impulsa u brojaču With h, a kod sa izlaza potonjeg se upisuje u memorijski registar. Kapacitet i rezolucija takvih ADC-ova određuju se kapacitetom i rezolucijom DAC-a koji se koristi u njegovom sastavu. Vrijeme konverzije ovisi o nivou ulaznog napona koji se pretvara. Za ulazni napon koji odgovara punoj vrijednosti skale, With h mora biti popunjen i u isto vrijeme mora generirati kod pune skale na DAC ulazu. Ovo zahtijeva vrijeme konverzije 11-bitnog DAC-a u (2 n-1) puta period sata. Za brzu analogno-digitalnu konverziju, upotreba ovakvih ADC-a je nepraktična.
U ADC-u za praćenje (slika 6.13), zbrajanje With h zamijenjen brojačem gore/dolje RS h za praćenje promjene ulaznog napona. Izlazni signal KN određuje smjer brojanja, ovisno o tome da li ulazni napon ADC-a premašuje ili ne izlazni napon DAC-a.
Slika 6.13 - Strukturni dijagram tipa ADC praćenja
Prije početka mjerenja RS h se postavlja u stanje koje odgovara sredini skale (01...1). Prvi ciklus konverzije ADC-a za praćenje je sličan ciklusu konverzije u ADC-u sa sekvencijalnim brojanjem. U budućnosti se ciklusi konverzije značajno smanjuju, jer ovaj ADC ima vremena da prati mala odstupanja ulaznog signala u nekoliko perioda takta, povećavajući ili smanjujući broj impulsa snimljenih u RS h, u zavisnosti od predznaka nepodudaranja trenutne vrijednosti konvertovanog napona U ulazni i izlazni napon DAC-a.
ADC-i sukcesivne aproksimacije (balansiranje bitova) su našli najširu distribuciju zbog svoje prilično jednostavne implementacije uz visoku rezoluciju, tačnost i brzinu, imaju nešto manju brzinu, ali znatno veću rezoluciju u poređenju sa ADC-ovima koji implementiraju metodu paralelne konverzije. (Slika 6.14).
Za povećanje brzine, kao upravljački uređaj koriste se razdjelnik impulsa RI i uzastopni aproksimacijski registar. Poređenje ulaznog napona sa referentnim naponom (DAC povratni napon) vrši se počevši od vrijednosti koja odgovara najznačajnijem bitu generiranog binarnog koda.
Prilikom pokretanja ADC-a uz pomoć RI, RPP se postavlja u početno stanje: 1000...0. Istovremeno, na DAC izlazu se stvara napon koji odgovara polovini opsega konverzije, što se osigurava uključivanjem njegovog najznačajnijeg bita.
Slika 6.14 - Strukturni dijagram ADC-a za balansiranje po bitovima
SS - kolo za poređenje: T - flip-flop, RPP - registar sukcesivnih aproksimacija; RI - pulsni razdjelnik.
Ako je ulazni signal manji od signala iz DAC-a, kod 0100...0 se generiše na digitalnim ulazima DAC-a u sljedećem ciklusu pomoću DAC-a, što odgovara uključivanju 2. najstarije cifre. Kao rezultat toga, izlazni signal DAC-a je prepolovljen.
Ako ulazni signal premašuje signal iz DAC-a, u sljedećem ciklusu se na digitalnim ulazima DAC-a generiše kod 0110...0 i uključuje se dodatni 3. bit. U ovom slučaju, izlazni napon DAC-a, koji se povećao za jedan i pol puta, ponovo se uspoređuje s ulaznim naponom i tako dalje. Opisani postupak se ponavlja n puta (gde n je broj bitova ADC-a).
Kao rezultat toga, izlaz DAC-a će generirati napon koji se razlikuje od ulaznog za najviše jedan LSB DAC-a. Rezultat konverzije se uzima iz RPP izlaza.
Prednost ovog kola je mogućnost konstruisanja višebitnih (do 12 bita i više) pretvarača relativno velike brzine (sa vremenom konverzije reda nekoliko stotina nanosekundi).
U ADC-u za direktno čitanje (paralelni tip) (slika 6.15), ulazni signal se istovremeno primjenjuje na ulaze svih VF-ova, broj t koji je određen kapacitetom ADC-a i jednak je m = 2n-1, gde n-broj ADC bitova. U svakom KN, signal se upoređuje sa referentnim naponom koji odgovara težini određenog pražnjenja i uzima se iz čvorova otporničkog djelitelja napajanog ION-om.
CV izlazni signali se obrađuju od strane logičkog dekodera koji generiše paralelni kod, koji je digitalni ekvivalent ulaznog napona. Takvi ADC-ovi imaju najviše performanse. Nedostatak ovakvih ADC-a je što se povećanjem broja bitova broj potrebnih elemenata gotovo udvostručuje, što otežava izgradnju višebitnih ADC-a ovog tipa. Preciznost konverzije je ograničena preciznošću i stabilnošću KN i otporničkog djelitelja. Da bi se povećala dubina bita pri velikoj brzini, implementirani su dvostepeni ADC-ovi, dok se bitovi nižeg reda izlaznog koda uklanjaju sa izlaza drugog stepena Dsh, a bitovi višeg reda se uklanjaju sa izlaza koda. prva faza Dsh.
Slika 6.15 - Strukturni dijagram paralelnog ADC-a
ADC sa modulacijom širine impulsa(jednociklusna integracija)
ADC se odlikuje činjenicom da je nivo ulaznog analognog signala U ulaz se pretvara u impuls čije trajanje t puls je funkcija vrijednosti ulaznog signala i digitalizira se brojanjem perioda referentne frekvencije koji se uklapaju između početka i kraja impulsa. Izlazni napon integratora pod dejstvom je spojen na njegov ulaz U on mijenja se od nulte razine sa brzinom:
U trenutku kada izlazni napon integratora postane jednak ulaznom U in, aktivira se KN, usled čega se završava formiranje trajanja impulsa tokom kojeg ADC brojači broje periode referentne frekvencije.
Trajanje impulsa je određeno vremenom tokom kojeg je napon U ulaz se mijenja od nule do U u:
Prednost ovog pretvarača je u njegovoj jednostavnosti, a nedostaci su u relativno maloj brzini i niskoj preciznosti.
Slika 6.15 - Strukturni dijagram jednociklusnog integrirajućeg ADC-a
Pitanja za kontrolu asimilacije znanja:
1 Koji se fizički principi koriste u primarnim pretvaračima?
2 Kako se IP klasificiraju prema vrsti izmjerene vrijednosti?
3 Glavni kriterijumi za usklađivanje primarnih pretvarača sa objektom merenja.
4 IP struktura, principi rada, funkcija transformacije i karakteristike aplikacije.
5 Objasnite osnovne blokove kola na operacionim pojačavačima (invertujući i neinvertujući pojačala, pratioci napona, itd.).
6 Koje su metrološke karakteristike analognih kalkulatora (sabirača, integratora, diferencijatora)?
7 Mjerne sklopke, njihove karakteristike, ekvivalentna kola, oznake na shemama kola.
8 Implementacija analogno-digitalne konverzije u ADC-u serijskog brojanja.
9 Principi rada. Osnovni elementi, blok dijagrami i karakteristike ADC-a i DAC-a.
Tema 18
mjerni pretvarači (senzori)
Nijedan kontrolni sistem ne može raditi bez informacija o stanju kontrolnog objekta i njegovom odgovoru na kontrolnu akciju. Element sistema koji pruža takve informacije je pretvornik-senzor .
Broj tipova senzora znatno premašuje broj izmjerenih veličina, jer se ista fizička veličina može mjeriti različitim metodama i senzorima različite izvedbe.
Za većinu senzora karakteristično je mjerenje električnim metodama ne samo električnih i magnetskih, već i drugih fizičkih veličina. Ovakav pristup je zbog prednosti električnih mjerenja, s obzirom na činjenicu da se električni signali mogu jednostavno i brzo prenijeti na velike udaljenosti, električne veličine se lako, brzo i precizno pretvaraju u digitalni kod, te daju visoku tačnost i osjetljivost.
Mnoge karakteristike se mogu uzeti kao klasifikacione karakteristike senzora: tip konverzijske funkcije; vrsta ulaznih i izlaznih vrijednosti; princip rada; konstruktivne performanse.
Prema vrsti energije koja se koristi, senzori se mogu podijeliti na električne, mehaničke, pneumatske i hidraulične. U zavisnosti od vrste izlaznog signala: analogni, diskretni, relejni, sa prirodnim ili unificiranim izlaznim signalom.
Po prirodi transformacije ulazne vrijednosti u izlaznu: parametarski, generatorski, frekvencijski, fazni.
Po vrsti mjerene fizičke veličine: linearni i ugaoni pomaci, pritisak, temperatura, koncentracija supstanci itd.
Princip rada parametarskih pretvarača je pretvaranje neelektričnih ulaznih veličina u parametre električnih kola: otpor R, induktivnost L, kapacitet With, međusobna induktivnost M. Ovi pretvarači zahtijevaju eksterno napajanje. Ovi senzori uključuju: otporne, induktivne, transformatorske, kapacitivne pretvarače.
Generatorski pretvarači pretvaraju ulazne vrijednosti u EMF. Ne zahtijevaju energiju iz dodatnih izvora energije.
To su indukcijski, termoelektrični, piezoelektrični, fotoelektrični pretvarači.
Fazni i frekventni pretvarači mogu biti i parametarski i generatorski.
Reostatik - napravljen u obliku reostata, čiji se pokretni kontakt pomiče pod utjecajem ulazne izmjerene vrijednosti. Najčešće je reostatski senzor uključen u mjerni sistem prema krugu potenciometra, ponekad se nazivaju potenciometrijski senzori.
Izlazna vrijednost senzora je električni otpor koji je funkcionalno povezan s položajem pokretnog kontakta. Takvi senzori se koriste za pretvaranje kutnih ili nelinearnih kretanja u odgovarajuću promjenu otpora, struje, napona.
Takođe se mogu koristiti za merenje pritiska, protoka, nivoa. Često se koriste i kao srednji pretvarači neelektričnih veličina u električne.
U uređajima za automatizaciju široko se koriste žičani reostatski pretvarači, koji se odlikuju visokom preciznošću i stabilnošću funkcije konverzije, te imaju niski temperaturni koeficijent otpora (TCR).
Nedostaci uključuju nisku rezoluciju, relativno nizak otpor (do desetina kOhma), ograničenu mogućnost korištenja na naizmjeničnu struju, zbog preostale induktivnosti i kapacitivnosti namotaja.
Namotavanje se izvodi izolovanom žicom zavoj do okreta ili sa zadatim korakom. Konstantan, manganin se koriste kao žice.
Ovaj tip senzora ne reaguje na znak ulaznog signala, radi i na jednosmernu i naizmeničnu struju.
Mernici naprezanja. Njihov rad se zasniva na tenzorskom efektu, koji se sastoji u promeni aktivnog otpora provodnika i poluprovodničkih materijala tokom njihove mehaničke deformacije.
Karakteristika efekta deformacije materijala je koeficijent osjetljivosti na deformaciju To t, definisan kao omjer promjene otpora prema promjeni dužine provodnika
Constantan - To t = 2
nihrom - To t = 2.2
Chrome - To t = 2,5
Deformacijski mjerači se koriste za mjerenje tlaka tekućina i plinova, pri mjerenju elastičnih deformacija materijala: pritiska savijanja, uvijanja.
Kao tenziorezitivni materijal mogu se koristiti metali sa malim TCS: manganin, konstantan, nihrom, živa, visokotemperaturne legure, poluprovodnički materijali: germanijum, silicijum. Najrasprostranjeniji mjerači naprezanja izrađeni su od metala. Dijele se na žicu i foliju, potonje su savršenije.
Pretvarači uglja. Njihov princip rada temelji se na promjeni kontaktnog otpora između čestica uglja s promjenom tlaka. Koriste se za mjerenje sila, pritisaka, malih pomaka. Postoje ugljeni stubovi i tenziliti.
Prvi su set od 10-15 poliranih podložaka napravljenih od ugljika elektroda.
Karakteristika pretvarača uglja je nelinearna, ima promjenjivu osjetljivost. Nestabilan u radu, karakteristike zavise od temperature i vlažnosti okoline, kvaliteta pripreme površine.
Potonji su male veličine i težine. Koriste se za mjerenje brzo promjenjivih i udarnih napona u malim pokretnim dijelovima, dok rade i na napetost i na kompresiju. Koeficijent osjetljivosti tenzolitnih pretvarača je veći od koeficijenta mjernih mjerača i iznosi To= 15 ¸ 20.
Izrađuje se u obliku traka, koje se sastoje od mješavine grafita, čađi, bakelitnog laka i drugih komponenti. Ove trake se lijepe na dio koji se testira.
Otpornički pretvarači, uprkos svojim inherentnim nedostacima, još uvijek se široko koriste.
Kapacitivni pretvarači. Princip rada zasniva se na promjeni kapacitivnosti kondenzatora pod utjecajem ulazne pretvorene vrijednosti
gdje je e relativna permitivnost dielektrika; e 0 je permitivnost vakuuma; S je površina ploče; d je debljina dielektrika ili razmak između ploča.
Kapacitivni senzori se koriste za mjerenje ugaonih i linearnih pomaka, linearnih dimenzija, nivoa, napora, koncentracije vlažnosti itd.
Kod kapacitivnih ravno-paralelnih senzora, ravnina preklapanja se mijenja S(varijabilna površina preklapanja) statička karakteristika je linearna.
Kod kapacitivnih pretvarača s promjenjivim zračnim rasporom, karakteristika je nelinearna.
Pretvarači i mijenjanje dielektrične provodljivosti medija između elektroda imaju široku primjenu za mjerenje nivoa tečnih i rasutih supstanci, analizu sastava i koncentracije supstanci u hemijskoj, naftnoj industriji, za brojanje proizvoda, sigurnosni alarmi. Imaju linearnu statičku karakteristiku.
Kapacitet mjernih pretvarača, ovisno o konstrukcijskim karakteristikama, kreće se od desetinki do nekoliko hiljada pikofarada, što dovodi do potrebe korištenja povećanja frekvencije Hz za napajanje senzora napona.
Ovo je značajan nedostatak takvih pretvarača.
Dielektrična svojstva medija ponekad se mijenjaju pod utjecajem temperature ili mehaničkog naprezanja. Ovi efekti se također koriste za stvaranje odgovarajućih pretvarača.
Promjena permeabilnosti pod djelovanjem temperature opisuje se izrazom
,
gdje je e t dielektrična konstanta materijala na temperaturi T; e 0 - permitivnost na temperaturi T 0; a - temperaturni koeficijent; .
Zavisnost e od sile koja se na njega primjenjuje ima sličan oblik R
,
gdje je osjetljivost materijala na relativnu promjenu permitivnosti
.
Početni kapacitet pretvarača je veći što je manji razmak d između elektroda. Međutim, smanjenje zazora je ograničeno dielektričnom čvrstoćom međuelektrodnog medija i prisustvom sile elektrostatičkog privlačenja ploča.
Greške kapacitivnih pretvarača uglavnom su određene utjecajem temperature i vlage na geometrijske dimenzije i dielektričnu konstantu medija. Oni su praktično elementi bez inercije.
To vrline uključuju: jednostavnost dizajna, malu veličinu i težinu, visoku osjetljivost, visoku rezoluciju pri niskom nivou ulaznog signala, odsustvo pomičnih strujno-sakupljajućih kontakata, veliku brzinu, mogućnost dobijanja potrebnog zakona transformacije odabirom odgovarajućeg dizajna parametara, odsustvo uticaja ulaznog kola na merno kolo.
Reaktancija opterećenja je odabrana jednaka vrijednosti i suprotnog predznaka od unutrašnjeg otpora senzora.
