وزارت آموزش و پرورش جمهوری بلاروس

موسسه تحصیلی

"دانشگاه دولتی بلاروس

انفورماتیک و رادیو الکترونیک"

گروه مترولوژی و استاندارد

مبدل های اندازه گیری پارامتریک

دستورالعمل های روشی برای کارهای آزمایشگاهی E.5B

برای دانشجویان تخصص 54 01 01 - 02

"مترولوژی، استانداردسازی و صدور گواهینامه"

همه اشکال آموزش

UDC 621.317.7 + 006.91 (075.8)

BBK 30.10ya73

گردآوری شده توسط V.T. ریوین، ال.ای. باتای

دستورالعمل های روش شناختی شامل هدف کار، اطلاعات مختصری از تئوری، شرح نصب آزمایشگاه، یک کار آزمایشگاهی و روش انجام کار، و همچنین دستورالعمل هایی برای تهیه گزارش و سوالات آزمون برای آزمایش دانش دانش آموزان است. . انواع اصلی مبدل های اندازه گیری پارامتریک (رئوستاتیک، القایی و خازنی)، مشخصات اصلی آنها و مدارهای اتصال به مدار اندازه گیری در نظر گرفته شده است. کار آزمایشگاهی شامل تعیین ویژگی های اصلی اندازه گیری (تابع تبدیل، حساسیت، خطای اساسی، خطای تعیین حساسیت) مبدل های اندازه گیری در نظر گرفته شده و همچنین تسلط بر تکنیک اندازه گیری مقادیر غیر الکتریکی با استفاده از مبدل های اندازه گیری و یافتن خطا در تعیین است. مقادیر مقادیر غیر الکتریکی

UDC 621.317.7 + 006.91 (075.8)

BBK 30.10 i 73

1 هدف کار

1.1 مطالعه اصل عملکرد، طراحی و مشخصات اصلی مبدلهای اندازه گیری رئوستات، خازنی و القایی مقادیر غیر الکتریکی به الکتریکی.

1.2 مطالعه روش های اندازه گیری کمیت های غیر الکتریکی با استفاده از مبدل های اندازه گیری رئوستات، خازنی و القایی.

1.3 تعیین عملی ویژگی های اصلی مبدل های اندازه گیری و اندازه گیری با کمک جابجایی های خطی و زاویه ای آنها.

2 خلاصه نظریه

یکی از ویژگی های اندازه گیری های مدرن نیاز به تعیین مقادیر مجموعه ای از مقادیر فیزیکی است که در میان آنها کمیت های غیر الکتریکی بیشتر آنها را تشکیل می دهند. برای اندازه‌گیری کمیت‌های غیر الکتریکی، ابزارهای اندازه‌گیری الکتریکی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند که به دلیل تعدادی از مزایای قابل توجه آنها است. از جمله این موارد می توان به دقت اندازه گیری بالا، حساسیت و سرعت بالای عملکرد ابزارهای اندازه گیری، امکان اندازه گیری از راه دور، تبدیل خودکار اطلاعات اندازه گیری، کنترل خودکار فرآیند اندازه گیری و ... اشاره کرد. یکی از ویژگی‌های ابزارهای اندازه‌گیری الکتریکی که برای اندازه‌گیری کمیت‌های غیر الکتریکی طراحی شده‌اند، وجود اجباری مبدل اندازه‌گیری اولیه مقادیر غیر الکتریکی به الکتریکی است.

مبدل اندازه گیری اولیه یک رابطه عملکردی بدون ابهام بین کمیت الکتریکی خروجی Y و کمیت غیر الکتریکی ورودی X برقرار می کند: Y= f(ایکس).

بسته به نوع سیگنال خروجی، مبدل های اندازه گیری اولیه به دو دسته تقسیم می شوند پارامتریک و مولد.

V پارامتریکدر مبدل‌های اندازه‌گیری، کمیت خروجی پارامتر مدار الکتریکی است: مقاومت R، اندوکتانس L، اندوکتانس متقابل M یا خازن C. هنگام استفاده از مبدل‌های اندازه‌گیری پارامتریک، همیشه یک منبع تغذیه اضافی مورد نیاز است که انرژی آن برای تشکیل استفاده می‌شود. سیگنال خروجی مبدل

V ژنراتورمبدل های اندازه گیری، مقادیر خروجی EMF، جریان، ولتاژ یا شارژ هستند. هنگام استفاده از مبدل های اندازه گیری ژنراتور، منابع تغذیه کمکی فقط برای تقویت سیگنال دریافتی استفاده می شود.

با توجه به اصل عملکرد، مبدل های اندازه گیری پارامتریک به رئوستات، کرنش سنج (سنج سنج)، حساس به دما (ترمیستور، ترمیستور)، خازنی، القایی، یونیزاسیون تقسیم می شوند.

وابستگی مقدار خروجی مبدل اندازه گیری Y به مقدار ورودی X که با عبارت توضیح داده شده است Y = f (ایکس), تماس گرفت تابع تبدیلاغلب مقدار خروجی مبدل Yنه تنها به مقدار اندازه گیری ورودی بستگی دارد ایکس، بلکه از برخی عوامل خارجی نیز ناشی می شود ز... بنابراین، در شکل کلی، تابع تبدیل را می توان با وابستگی عملکردی نشان داد: Y = f (ایکس, ز).

هنگام توسعه مبدل های اندازه گیری مقادیر غیر الکتریکی، فرد تلاش می کند تا یک تابع تبدیل خطی به دست آورد. برای توصیف تابع تبدیل خطی، کافی است دو پارامتر تنظیم کنید: مقدار اولیه مقدار خروجی Y 0 (سطح صفر)، مربوط به صفر یا مقدار اولیه دیگری از کمیت ورودی X، و پارامتر S که مشخصه شیب تابع تبدیل

در این حالت، تابع تبدیل را می توان به صورت زیر نشان داد:

پارامتر S که شیب تابع تبدیل را مشخص می کند، حساسیت مبدل نامیده می شود. حساسیت مبدل نسبت تغییر در کمیت خروجی مبدل اندازه گیری ΔY به تغییر کمیت ورودی ΔX است که باعث آن شده است:

. (2)

حساسیت مبدل کمیتی است که دارای بعد است و بعد به ماهیت کمیت های ورودی و خروجی بستگی دارد. به عنوان مثال، برای مبدل رئوستات، حساسیت ابعاد اهم / میلی متر، برای مبدل ترموالکتریک  mV / K، برای یک فتوسل  μA / lm، برای یک موتور  دور / (sV) یا هرتز / ولت است. ، برای یک گالوانومتر  mm / μA و غیره.

مهمترین مشکل در طراحی و استفاده از مبدل اندازه گیری اطمینان از ثبات حساسیت آن است. حساسیت باید تا حد امکان به مقادیر ورودی X بستگی داشته باشد (در این مورد، تابع تبدیل خطی است)، نرخ تغییر X، زمان کار مبدل، و همچنین تأثیر سایر کمیت های فیزیکی که نه خود جسم، بلکه محیط آن را مشخص می کند (این مقادیر نامیده می شوند. تأثیرگذار). با یک تابع تبدیل غیر خطی، حساسیت به مقادیر کمیت ورودی بستگی دارد: اس = اس(ایکس) .

محدوده مقادیر غیر الکتریکی که با استفاده از مبدل اندازه گیری تبدیل می شوند، از یک سو توسط حد تبدیل و از سوی دیگر با آستانه حساسیت محدود می شود.

حد تبدیلمبدل حداکثر مقدار کمیت ورودی است که می تواند توسط مبدل بدون آسیب رساندن به آن یا تحریف تابع تبدیل درک شود.

آستانه حساسیتحداقل تغییر در مقدار کمیت ورودی است که می تواند تغییر محسوسی در کمیت خروجی مبدل ایجاد کند.

نسبت Y = f(ایکس)قوانین فیزیکی زیربنای عملکرد مبدل ها را به شکل نظری کلی بیان می کند. در عمل، تابع تبدیل به صورت تجربی به صورت عددی در نتیجه کالیبراسیون مبدل تعیین می شود. در این مورد، برای تعدادی از مقادیر دقیقاً شناخته شده X، مقادیر مربوط به Y اندازه گیری می شود. , که به شما امکان می دهد منحنی کالیبراسیون بسازید (شکل 1، آ). با استفاده از منحنی کالیبراسیون ساخته شده، با توجه به مقادیر کمیت الکتریکی Y بدست آمده در نتیجه اندازه گیری، می توان مقادیر متناظر کمیت غیر الکتریکی مورد نظر X را یافت (شکل 1، ب).

آ- ساخت منحنی کالیبراسیون با توجه به مقادیر اندازه گیری شده X و Y.

ب استفاده از منحنی کالیبراسیون برای تعیین مقدار ورودی X

شکل 1  مشخصه کالیبراسیون مبدل اندازه گیری

مهمترین ویژگی هر مبدل اندازه گیری آن است خطای اساسیکه به دلیل اصل کارکرد، نقص طراحی مبدل یا فناوری ساخت آن است و در مقادیر نرمال مقادیر تأثیرگذار یا زمانی که آنها در محدوده مقادیر نرمال قرار دارند خود را نشان می دهد.

خطای اساسی مبدل اندازه گیری می تواند چندین جزء داشته باشد به دلیل:

عدم دقت ابزارهای اندازه گیری نمونه، که با کمک آنها تابع تبدیل تعیین شد.

تفاوت بین مشخصه کالیبراسیون واقعی و تابع تبدیل اسمی؛ بیان تقریبی (جدولی، گرافیکی، تحلیلی) تابع تبدیل.

همزمانی ناقص تابع تبدیل با افزایش و کاهش کمیت غیر الکتریکی اندازه‌گیری شده (هیسترزیس تابع تبدیل).

تکرارپذیری ناقص ویژگی های مبدل اندازه گیری (اغلب حساسیت).

هنگام کالیبره کردن یک سری مبدل از همان نوع، معلوم می شود که ویژگی های آنها تا حدودی با یکدیگر متفاوت است و باند خاصی را اشغال می کند. بنابراین، در گذرنامه مبدل اندازه گیری، یک مشخصه میانگین مشخص به نام داده می شود اسمی. تفاوت بین مشخصات اسمی (گذرنامه) و واقعی مبدل به عنوان خطای آن در نظر گرفته می شود.

کالیبراسیون مبدل اندازه گیری (تعیین تابع تبدیل واقعی) با استفاده از ابزارهای اندازه گیری برای مقادیر غیر الکتریکی و الکتریکی انجام می شود. به عنوان مثال، شکل 2 بلوک دیاگرام یک تنظیم برای کالیبره کردن مبدل رئوستات را نشان می دهد. یک خط کش به عنوان وسیله ای برای اندازه گیری جابجایی خطی (کمیت غیر الکتریکی) و یک متر دیجیتال L, C, R E7-8 برای اندازه گیری مقادیر الکتریکی - مقاومت فعال استفاده می شود.

شکل 2 - بلوک دیاگرام نصب برای کالیبراسیون مبدل رئوستات

فرآیند کالیبراسیون مبدل به شرح زیر است. با کمک مکانیسم حرکت کنتاکت (لغزنده) متحرک مبدل رئوستات به صورت متوالی بر روی علائم دیجیتالی شده مقیاس خط کش نصب می شود و در هر علامت، مقاومت فعال مبدل با استفاده از دستگاه E7-8 اندازه گیری می شود. مقادیر اندازه گیری شده جابجایی خطی و مقاومت فعال در جدول کالیبراسیون 1 وارد می شود.

میز 1

در این مورد، تابع تبدیل مبدل اندازه‌گیری را به‌صورت جدولی به دست می‌آوریم. برای به دست آوردن یک تصویر گرافیکی از تابع تبدیل، باید از توصیه های ارائه شده در شکل 1 استفاده کنید. آ.

با این حال، باید در نظر داشت که اندازه گیری جابجایی خطی و مقاومت فعال با خطا به دلیل خطاهای ابزاری ابزار اندازه گیری مورد استفاده انجام شده است. در این راستا، تعریف تابع تبدیل نیز با مقداری خطا انجام شد (شکل 3).

شکل 3 - خطا در تعیین تابع تبدیل

از آنجایی که حساسیت مبدل اس, داده شده توسط شیب تابع تبدیل، با فرمول (2) تعیین می شود، سپس محاسبه خطا در تعیین حساسیت مبدل Δ اس باید بر اساس یک الگوریتم برای محاسبه خطای نتیجه یک اندازه گیری غیر مستقیم انجام شود. به طور کلی، فرمول محاسبه برای Δ اسبه شرح زیر است:

جایی که
,

Δ y 1 و Δ y 2 - خطا در تعیین مقادیر خروجی y 1 و y 2،

Δ ایکس 1 و Δ ایکس 2 - خطا در تعیین مقادیر ورودی x 1 و x 2.

خطاهای اضافی مبدل اندازه گیری، به دلیل اصل عملکرد، نقص در طراحی و فناوری ساخت، زمانی ظاهر می شود که مقادیر تأثیرگذار از مقادیر عادی منحرف شوند.

علاوه بر ویژگی هایی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، مبدل های اندازه گیری مقادیر غیر الکتریکی به الکتریکی با موارد زیر مشخص می شوند: تغییرات سیگنال خروجی، امپدانس خروجی، ویژگی های دینامیکی. مهمترین مشخصات فنی نیز عبارتند از: ابعاد، وزن، مقاومت در برابر بارهای اضافی مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و غیره، قابلیت اطمینان، سهولت نصب و نگهداری، ایمنی در برابر انفجار، هزینه ساخت و غیره. ...

فرستنده ها متفاوت هستند با توجه به اصل تبدیل سیگنال.

چه زمانی تبدیل مستقیم آنالوگ(شکل 4) کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده X به ورودی مبدل اندازه گیری اولیه (PID) وارد می شود. مقدار الکتریکی خروجی Y مبدل توسط یک دستگاه اندازه گیری الکتریکی (ETI) اندازه گیری می شود که شامل یک مبدل اندازه گیری و یک دستگاه نشانگر است.

شکل 4  بلوک دیاگرام یک دستگاه با تبدیل مستقیم آنالوگ کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده

بسته به نوع مقدار خروجی و الزامات دستگاه، یک دستگاه اندازه گیری الکتریکی می تواند درجات مختلفی از پیچیدگی داشته باشد. در یک مورد، میلی ولت متر مغناطیسی و در مورد دیگر، یک دستگاه اندازه گیری دیجیتال است. معمولاً مقیاس دستگاه نشانگر EIT بر حسب واحدهای کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده درجه بندی می شود. کمیت غیر الکتریکی اندازه‌گیری‌شده را می‌توان به طور مکرر تبدیل کرد تا محدودیت‌های اندازه‌گیری آن را با محدودیت‌های تبدیل PID مطابقت دهد و نوع مناسب‌تری از عملکرد ورودی برای PIP به دست آورد. برای انجام چنین تحولاتی، یکی وارد دستگاه می شود به طور مقدماتیبدنیمبدل مقادیر غیر الکتریکی به غیر الکتریکی.

با تعداد زیادی مبدل میانی در دستگاه های تبدیل مستقیم، خطای کل به طور قابل توجهی افزایش می یابد. برای کاهش خطا، اعمال کنید متمایز ازمبدل های اندازه گیری،که دارای خطای افزایشی کمتر، تابع تبدیل غیر خطی کمتر و حساسیت بالاتر نسبت به دستگاه های تبدیل مستقیم می باشند.

شکل 5 بلوک دیاگرام یک دستگاه با مبدل اندازه گیری دیفرانسیل (DIP) را نشان می دهد. مبدل شامل یک پیوند DZ دیفرانسیل با دو خروجی، دو کانال تبدیل (P1 و P2) و یک VU تفریق کننده است. هنگامی که مقدار اندازه گیری شده ورودی x از مقدار اولیه x 0 به مقدار (x 0 + Δx) تغییر می کند، مقادیر خروجی x 1 و x 2 در خروجی سنجش از راه دور افزایش هایی با علائم مختلف دریافت می کنند. پس از تبدیل آنها به P1 و P2، مقادیر موجود در خروجی مبدل های y 1 و y 2 کم می شود. در نتیجه، مقدار خروجی DIP (y = y 1 -y 2)، ارائه شده به مکانیسم اندازه گیری MI، تنها با افزایش Δx کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده متناسب است.

شکل 5 - بلوک دیاگرام یک دستگاه با تبدیل دیفرانسیل یک کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده

در دستگاه ها با تحول بر اساس اصل جبران (تعادل)در دستگاه مقایسه مبدل ایالات متحده مقایسه انجام شده است قابل اندازه گیریقدر و همگن قابل تغییرمقدار ایجاد شده توسط گره بازخورد UOS (شکل 6) مقایسه مقادیر تا زمانی که کاملاً متعادل شوند انجام می شود. مبدل های معکوس به عنوان گره های بازخوردی استفاده می شوند که یک کمیت الکتریکی را به یک مقدار غیر الکتریکی تبدیل می کنند (به عنوان مثال، لامپ های رشته ای، مبدل های الکترومکانیکی و غیره).

شکل 6 - بلوک دیاگرام یک دستگاه با مبدل اندازه گیری جبران

دستگاه‌های مقایسه جبران در مقایسه با دستگاه‌های تبدیل مستقیم امکان به دست آوردن دقت بالاتر، پاسخ سریع‌تر و مصرف انرژی کمتر از موضوع مورد مطالعه را می‌دهند.

دستگاه های الکتریکی برای اندازه گیری کمیت های غیر الکتریکی می توانند آنالوگ یا دیجیتال باشند.

مبدل های رئوستات

مبدل های رئوستات بر اساس تغییر در مقاومت الکتریکی یک هادی تحت تأثیر یک مقدار ورودی - جابجایی خطی یا زاویه ای است. مبدل رئوستات یک رئوستات است (قابی که سیم پیچی روی آن اعمال می شود) که تماس متحرک آن تحت تأثیر کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده حرکتی خطی یا زاویه ای ایجاد می کند. تصاویر شماتیک برخی از طرح های مبدل رئوستات در شکل 6 نشان داده شده است. a-c.ابعاد مبدل با مقادیر محدود جابجایی اندازه گیری شده، مقاومت سیم پیچ و توان الکتریکی تلف شده در سیم پیچ تعیین می شود. برای به دست آوردن یک تابع تبدیل غیر خطی، مبدل های رئوستات کاربردی استفاده می شود. شکل مورد نیاز تابع تبدیل با نمایه سازی قاب مبدل به دست می آید (شکل 6، v).

در مبدل های رئوستات، مشخصه استاتیک تبدیل دارای یک کاراکتر گام به گام است، زیرا مقاومت در جهش ها برابر با مقاومت یک چرخش تغییر می کند. این باعث ظاهر شدن خطای مربوطه می شود که حداکثر مقدار آن را می توان به صورت زیر نشان داد:

, (4)

که در آن R  حداکثر مقاومت یک دور.

R امپدانس مبدل است.

V رکوردالمبدل هایی که در آنها تماس متحرک در امتداد محور سیم می لغزد، می توان از این خطا جلوگیری کرد.

مبدل های رئوستات به صورت پل های تعادلی و غیرتعادلی، تقسیم کننده های ولتاژ و ... در مدارهای اندازه گیری قرار می گیرند.

شکل 7 - مبدل های اندازه گیری رئوستات

معایب اصلی مبدل های رئوستات وجود یک کنتاکت کشویی، نیاز به حرکات نسبتاً بزرگ و گاهی اوقات تلاش قابل توجه برای حرکت است. از مزایای آن می توان به سادگی طراحی و توانایی به دست آوردن سیگنال های خروجی قابل توجه اشاره کرد.

مبدل‌های رئوستات برای اندازه‌گیری جابجایی‌های خطی و زاویه‌ای نسبتاً بزرگ و همچنین سایر کمیت‌های غیر الکتریکی که می‌توانند به جابجایی (نیرو، فشار و غیره) تبدیل شوند، استفاده می‌شوند.

مبدل های القایی

اصل عملکرد مبدل های القایی بر اساس وابستگی اندوکتانس های ذاتی یا متقابل سیم پیچ ها به مدار مغناطیسی به موقعیت نسبی، ابعاد هندسی و مقاومت مغناطیسی عناصر مدار مغناطیسی است. از مهندسی برق مشخص است که اندوکتانس L سیم پیچی که روی یک هسته مغناطیسی (مدار مغناطیسی) قرار دارد با عبارت زیر تعیین می شود:

, (5)

که در آن Z M مقاومت مغناطیسی مدار مغناطیسی است.

w تعداد دور سیم پیچ.

اندوکتانس متقابل م دو سیم پیچ واقع در یک مدار مغناطیسی با مقاومت مغناطیسی ز مبه عنوان ... تعریف شده است

, (6)

جایی که w 1 و w 2  تعداد دور سیم پیچ اول و دوم.

مقاومت مغناطیسی با عبارت زیر تعیین می شود:

, ` (7)

روابط فوق نشان می دهد که اندوکتانس و اندوکتانس متقابل را می توان با تغییر طول δ یا مقطع S قسمت هوای مدار مغناطیسی، تلفات توان P در مدار مغناطیسی و غیره تغییر داد.

شکل 8 انواع مختلف مبدل های القایی را به صورت شماتیک نشان می دهد. تغییر در اندوکتانس متقابل را می توان به دست آورد، برای مثال، با حرکت دادن هسته متحرک (آرمیچر) 1 نسبت به هسته ثابت 2، با وارد کردن یک صفحه فلزی غیر مغناطیسی 3 به شکاف هوا (شکل 8) آ).

شکل 8 - مبدل های اندازه گیری القایی

مبدل القایی با طول متغیر شکاف هوا  (شکل 8، ب) با یک وابستگی غیر خطی مشخص می شود L = f ( ). چنین مبدلی حساسیت بالایی دارد و معمولاً زمانی استفاده می شود که آرمیچر مدار مغناطیسی در محدوده 0.01  5 میلی متر جابجا شود.

حساسیت به طور قابل توجهی کمتر، اما وابستگی خطی تابع تبدیل L = f(اس) مبدل‌های با سطح مقطع متغیر شکاف هوا متفاوت هستند (شکل 8، v). چنین مبدل هایی هنگام اندازه گیری جابجایی تا 10  15 میلی متر استفاده می شود.

مبدل های دیفرانسیل القایی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند (شکل 8، جی) که در آن یک آرمیچر متحرک بین دو هسته ثابت با سیم پیچی قرار می گیرد. هنگامی که آرمیچر تحت تأثیر مقدار اندازه گیری شده به طور همزمان و با علائم مختلف حرکت می کند، طول ها تغییر می کنند. δ 1 و δ 2 شکاف های هوای مبدل، در حالی که اندوکتانس یک سیم پیچ افزایش و دیگری کاهش می یابد. مبدل های دیفرانسیل در ترکیب با مدارهای اندازه گیری پل استفاده می شوند. در مقایسه با مبدل‌های غیردیفرانسیل، حساسیت بالاتر، غیرخطی بودن تابع تبدیل کمتری دارند و کمتر تحت تأثیر عوامل خارجی قرار می‌گیرند.

برای تبدیل جابجایی های نسبتاً بزرگ (تا 50 - 100 میلی متر)، مبدل های ترانسفورماتور با مدار مغناطیسی باز استفاده می شود (شکل 8، د).

اگر هسته فرومغناطیسی مبدل با نیروی F تحت تأثیر مکانیکی قرار گیرد، به دلیل تغییر در نفوذپذیری مغناطیسی ماده هسته، مقاومت مغناطیسی مدار تغییر می کند که این امر تغییر در اندوکتانس L را نیز به دنبال خواهد داشت. و اندوکتانس متقابل M سیم پیچ ها. اصل عملکرد مبدل های مغناطیسی الاستیک بر اساس این وابستگی است (شکل 8، ه).

مبدل های القایی برای اندازه گیری جابجایی های خطی و زاویه ای و همچنین سایر کمیت های غیر الکتریکی که می توانند به جابجایی تبدیل شوند (نیرو، فشار، گشتاور و غیره) استفاده می شود. طراحی مبدل با محدوده جابجایی های اندازه گیری شده تعیین می شود. ابعاد مبدل بر اساس توان سیگنال خروجی مورد نیاز انتخاب می شود.

برای اندازه گیری پارامتر خروجی مبدل های القایی، مدارهای اندازه گیری پل (تعادلی و غیرتعادلی) و ژنراتور و همچنین مدارهای با با استفاده از مدارهای رزونانسی که به دلیل شیب زیاد تابع تبدیل، بیشترین حساسیت را دارند.

در مقایسه با سایر مبدل‌های جابجایی، مبدل‌های القایی با سیگنال‌های خروجی بالا، سادگی و قابلیت اطمینان در کار متمایز می‌شوند.

معایب اصلی آنها عبارتند از: اثر معکوس بر روی جسم مورد مطالعه (اثر مغناطیس الکتریکی بر آرمیچر) و تأثیر اینرسی آرمیچر بر ویژگی های فرکانس دستگاه.

مبدل های خازنی

اصل عملکرد مبدل های اندازه گیری خازنی بر اساس وابستگی ظرفیت خازن به ابعاد، آرایش متقابل صفحات آن و ثابت دی الکتریک محیط بین آنها است.

ظرفیت الکتریکی یک خازن تخت با دو صفحه با عبارت زیر توصیف می شود:

, (8)

از این عبارت می توان دریافت که مبدل خازنی را می توان بر اساس استفاده از وابستگی ها ساخت C =f( ), C =f(اس) یا سی = f( ).

شکل 9 به صورت شماتیک طراحی مبدل های خازنی مختلف را نشان می دهد.

شکل 9 - مبدل های اندازه گیری خازنی

مبدل در شکل 9، آخازني است كه يك صفحه آن تحت اثر كميت غير الكتريكي اندازه گيري شده X نسبت به صفحه ثابت حركت مي كند. مشخصه استاتیک مبدل با استفاده از وابستگی C =f( ) غیر خطی است حساسیت مبدل با کاهش فاصله بین صفحات  افزایش می یابد. چنین مبدل هایی برای اندازه گیری جابجایی های کوچک (کمتر از 1 میلی متر) استفاده می شود.

مبدل های خازنی دیفرانسیل نیز استفاده می شود (شکل 9، ب) که دارای یک صفحه متحرک و دو صفحه ثابت هستند. تحت تأثیر مقدار اندازه گیری شده X، این مبدل ها به طور همزمان ظرفیت های C1 و C2 را تغییر می دهند.

در شکل 9، vمبدل خازنی دیفرانسیل با ناحیه فعال متغیر صفحات را نشان می دهد که از وابستگی استفاده می کند C =f(اس) ... مبدل هایی با این طراحی برای اندازه گیری جابجایی های نسبتاً بزرگ استفاده می شوند. در این مبدل ها با پروفیل پلیت ها می توان به راحتی مشخصه تبدیل مورد نیاز را بدست آورد.

مبدل ها با استفاده از وابستگی C =f( ) از آنها برای اندازه گیری سطح مایعات، رطوبت مواد، ضخامت محصولات دی الکتریک و غیره استفاده می شود. به عنوان مثال در شکل 9، جیدستگاه فرستنده سطح خازنی نشان داده شده است. ظرفیت بین الکترودهایی که در ظرف پایین می آیند به سطح مایع بستگی دارد.

برای اندازه گیری پارامتر خروجی مبدل های اندازه گیری خازنی، از پل، مقادیر اندازه گیری ژنراتور و مدارهای با استفاده از مدارهای تشدید استفاده می شود. دومی امکان ایجاد دستگاه هایی با حساسیت بالا را فراهم می کند که قادر به پاسخگویی به جابجایی های خطی در حد 10 میکرومتر هستند. مدارهای دارای مبدل های خازنی معمولاً با جریان فرکانس بالا (تا ده ها مگاهرتز) عرضه می شوند.

سخنرانی 15.

مبدل های اندازه گیری ژنراتور

در مبدل های ژنراتور، کمیت خروجی یک EMF یا شارژ است که از نظر عملکردی با کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده مرتبط است.

مبدل ترموالکتریک (ترموکوپل).

بر اساس اثر ترموالکتریکی که در مدار ترموکوپل رخ می دهد. از این مبدل ها برای اندازه گیری دما استفاده می شود. اصل عملکرد ترموکوپل در شکل 1 نشان داده شده است. 15.1، a، که یک مدار ترموالکتریک را نشان می دهد که از دو هادی غیرمشابه تشکیل شده است.الف و ب ... به نقاط اتصال 1 و 2 هادی ها اتصالات ترموکوپل می گویند. اگر دماتی اتصالات 1 و 2 یکسان هستند، پس جریانی در مدار ترموالکتریک وجود ندارد. اگر دمای یکی از اتصالات (به عنوان مثال، اتصال 1) از دمای اتصال 2 بیشتر باشد، در این صورت یک نیروی ترموالکتروموتور (TEMF) در مدار ایجاد می شود. E بسته به تفاوت دما بین اتصالات

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

اگر دمای محل اتصال 2 ثابت نگه داشته شود، پس

E = f (t 1).

این رابطه برای اندازه گیری دما با استفاده از ترموکوپل استفاده می شود. برای اندازه گیری TEMF، دستگاه اندازه گیری الکتریکی در شکاف اتصال 2 گنجانده شده است (شکل 15.1، b). اتصال 1 را یک اتصال گرم (کار) و اتصال 2 را سرد می نامند (انتهای 2 و 2 انتهای آزاد نامیده می شوند).

برای اینکه TEMF ترموکوپل بدون ابهام با دمای اتصال گرم تعیین شود، لازم است دمای اتصال سرد همیشه ثابت بماند.

برای ساخت الکترودهای ترموکوپل، از فلزات خالص و آلیاژهای ویژه با ترکیب استاندارد استفاده می شود. جداول کالیبراسیون برای ترموکوپل های استاندارد با شرایطی تهیه می شود که دمای رایزرها برابر با 0 باشد. O ج- در عمل همیشه نمی توان این دما را حفظ کرد. در چنین مواردی، قرائت ترموکوپل برای دمای رایزرها تصحیح می شود. طرح هایی برای تصحیح خودکار وجود دارد.

از نظر ساختاری، ترموکوپل ها به شکل دو ترموالکترود عایق بندی شده با اتصال کاری که از طریق جوشکاری به دست می آید، در اتصالات محافظ قرار می گیرند که از ترموکوپل در برابر تأثیرات و آسیب های خارجی محافظت می کند. انتهای کار ترموکوپل به سر ترموکوپل وارد می شود که مجهز به گیره برای اتصال ترموکوپل به مدار الکتریکی است.

جدول 15.1 ویژگی های ترموکوپل های صنعتی را نشان می دهد. ترموکوپل های PP، PR و VR برای اندازه گیری دماهای بالا استفاده می شوند. ترموکوپل های فلزی گرانبها برای اندازه گیری با دقت بالا استفاده می شود.

بسته به طراحی، ترموکوپل ها می توانند اینرسی حرارتی داشته باشند که با ثابت زمانی از ثانیه تا چند دقیقه مشخص می شود، که استفاده از آنها را برای اندازه گیری دماهای با تغییر سریع محدود می کند.

علاوه بر اتصال دستگاه اندازه گیری به محل اتصال ترموکوپل، امکان اتصال دستگاه به "الکترود"، یعنی. به پارگی یکی از ترموالکترودها (شکل 15.1، ج). چنین گنجاندن، مطابق با (15.1)، امکان اندازه گیری اختلاف دما را فراهم می کند t 1 - t 2 ... به عنوان مثال، گرمای بیش از حد سیم پیچ های ترانسفورماتور در دمای محیط در طول آزمایش قابل اندازه گیری است. برای این، محل اتصال کار ترموکوپل در سیم پیچ تعبیه شده است و اتصال آزاد در دمای محیط باقی می ماند.

جدول 15.1. مشخصات ترموکوپل

نیاز به دمای ثابت انتهای آزاد ترموکوپل، آنها را مجبور می کند تا حد امکان از محل اندازه گیری حذف شوند. برای این منظور، به اصطلاح سیم های توسعه یا جبران KP استفاده می شود که به انتهای آزاد ترموکوپل مطابق با قطبیت متصل می شوند (شکل 15.1، d). سیم‌های جبران‌کننده از هادی‌های غیرمشابهی تشکیل شده‌اند که در محدوده نوسانات احتمالی دمای انتهای آزاد، در یک جفت TEMF مشابه یک ترموکوپل ایجاد می‌شوند. بنابراین اگر نقاط اتصال سیم های جبرانی در یک دما باشد t 2 و دمای محل اتصال ترموکوپل به دستگاه t 0 ، سپس TEMF ترموکوپل با کالیبراسیون آن در دمای انتهای آزاد مطابقت دارد t 0.

حداکثر TEMF توسعه یافته توسط ترموکوپل های استاندارد از واحد تا ده ها میلی ولت متغیر است.

برای اندازه گیری TEMF می توان از میلی ولت مترهای مغناطیسی، الکترونیکی (آنالوگ و دیجیتال) و پتانسیومترهای جریان مستقیم استفاده کرد. هنگام استفاده از میلی ولت متر یک سیستم مغناطیسی، باید در نظر داشت که ولتاژ اندازه گیری شده توسط میلی ولت متر در پایانه های آن

جایی که من - جریان در مدار ترموکوپل و R V مقاومت میلی ولت متر است.

از آنجایی که منبع جریان در مدار یک ترموکوپل است، پس

I = E / (R V + R VN)،

جایی که R VN - مقاومت بخش مدار خارج از میلی ولت متر (یعنی الکترودهای ترموکوپل و سیم های جبران). بنابراین ولتاژ اندازه گیری شده توسط میلی ولت متر برابر خواهد بود

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

بنابراین، قرائت میلی ولت متر با TEMF ترموکوپل بیشتر متفاوت است، نسبت بیشتر است. R BH / R V ... برای کاهش خطای اثر مقاومت خارجی، میلی‌ولت‌مترهایی که برای کار با ترموکوپل‌ها (اصطلاحاً میلی‌ولت‌متر پیرومتریک) طراحی شده‌اند، برای نوع خاصی از ترموکوپل و با مقدار اسمی معین کالیبره می‌شوند. R BH در مقیاس دستگاه نشان داده شده است. میلی ولت متر پیرومتریک به صورت سریالی با کلاس های دقت 0.5 تا 2.0 تولید می شود.

امپدانس ورودی میلی‌ولت‌مترهای الکترونیکی بسیار بالا است و اثر مقاومت نیز دارد R BH در خوانش ناچیز است.

مبدل های پیزوالکتریک.

چنین مبدل هایی مبتنی بر استفاده از یک اثر پیزوالکتریک مستقیم است که شامل ظهور بارهای الکتریکی بر روی سطح برخی از کریستال ها (کوارتز، تورمالین، نمک روشل و غیره) تحت تأثیر تنش های مکانیکی است. برخی از مواد سرامیکی پلاریزه (تیتانات باریم، تیتانات زیرکونات سرب) نیز اثر پیزوالکتریک دارند.

اگر یک صفحه موازی شکل از یک کریستال کوارتز با وجوه عمود بر نوری 0 برش دهید. z، مکانیکی 0 y و برق 0ایکس محورهای کریستال (شکل 15.2)، سپس زمانی که نیرو به صفحه اعمال می شود F x در امتداد محور الکتریکی، روی چهره ها هدایت می شودایکس اتهامات ظاهر می شود

Q x = K p F x، (15.2)

جایی که K p - ضریب پیزوالکتریک (مدول).

وقتی نیرویی به صفحه وارد شود F y در امتداد محور مکانیکی، در همان لبه هاایکس اتهامات بوجود می آید

Q y = K p F y a / b،

جایی که a و b - ابعاد لبه های صفحه. عمل مکانیکی روی صفحه در امتداد محور نوری باعث ظاهر شدن بارها نمی شود.

اثر پیزوالکتریک متناوب است. هنگامی که جهت نیروی اعمال شده تغییر می کند، علائم بارهای روی سطح چهره ها به سمت مخالف تغییر می کند. مواد خواص پیزوالکتریک خود را فقط در دماهای زیر نقطه کوری حفظ می کنند.

بزرگی ضریب پیزوالکتریک (مدول) K n و دمای نقطه کوری برای کوارتز و پیزوالکتریک های سرامیکی رایج در جدول آورده شده است. 15.2.

ساخت مبدل ها از سرامیک های پیزوالکتریک بسیار ساده تر از تک کریستال ها است. حسگرهای سرامیکی مطابق با فناوری معمول برای محصولات رادیو سرامیک - با فشار دادن یا قالب گیری تزریقی تولید می شوند. الکترودها روی سرامیک ها اعمال می شوند، سرب ها به الکترودها جوش داده می شوند. برای پلاریزاسیون، محصولات سرامیکی در یک میدان الکتریکی قوی قرار می گیرند و پس از آن خواص مواد پیزوالکتریک را به دست می آورند.

نیروی محرکه ای که بر روی الکترودهای مبدل پیزوالکتریک ایجاد می شود بسیار قابل توجه است - چند ولت. با این حال، اگر نیروی اعمال شده به مبدل ثابت باشد، اندازه گیری EMF دشوار است، زیرا شارژ کم است و به سرعت از مقاومت ورودی ولت متر تخلیه می شود. اگر نیرو متغیر باشد و دوره تغییر نیرو بسیار کمتر از ثابت زمانی تخلیه تعیین شده توسط ظرفیت مبدل و مقاومت نشتی باشد، در این صورت فرآیند نشتی تقریباً هیچ تأثیری بر ولتاژ خروجی مبدل ندارد. وقتی قدرت تغییر می کند F طبق قانون F = F m sin  t EMF نیز به صورت سینوسی تغییر می کند.

بنابراین، اندازه گیری کمیت های غیر الکتریکی که می توانند به نیروی متناوب وارد بر مبدل پیزوالکتریک تبدیل شوند، به اندازه گیری ولتاژ متناوب یا EMF کاهش می یابد.

جدول 15.2. پارامترهای پیزوالکتریک کوارتز و سرامیک

مبدل های اندازه گیری پیزوالکتریک به طور گسترده ای برای اندازه گیری پارامترهای حرکت استفاده می شود: شتاب خطی و ارتعاش، شوک، سیگنال های صوتی.

مدار معادل مبدل پیزوالکتریک در شکل نشان داده شده است. 15.3، الف) به شکل یک ژنراتور با ظرفیت داخلیبا ... از آنجایی که توان چنین عنصر پیزوالکتریک بسیار کم است، لازم است از دستگاه هایی با امپدانس ورودی بزرگ برای اندازه گیری ولتاژ خروجی استفاده شود (10 11 ... 10 15 اهم).

برای افزایش سیگنال مفید، سنسورهای پیزوالکتریک از چندین عنصر به صورت سری ساخته شده اند.

دستگاه یک سنسور پیزوالکتریک برای اندازه گیری شتاب ارتعاش در شکل نشان داده شده است. 15.3، ب). عنصر پیزوالکتریک (معمولاً پیزوسرامیک) با یک جرم شناخته شده بارگذاری شده استمتر ، در محفظه 1 قرار می گیرد و از طریق ترمینال های 2 در مدار یک میلی ولت متر الکترونیکی قرار می گیرد V ... جایگزینی در فرمول برای بار ناشی از چهره بیان F = ma، جایی که a - شتاب، و با در نظر گرفتن (15.2)، دریافت می کنیم

U = K u a،

کجا K u - ضریب تبدیل ولتاژ سنسور

صفحه 6

EMBED Visio.Drawing.6

سخنرانی 16.

مبدل های اندازه گیری پارامتریک

دماسنج های مقاومتی.

دماسنج های مقاومتی مانند ترموکوپل ها برای اندازه گیری دمای اجسام گازی، جامد و مایع و همچنین دمای سطح طراحی شده اند. اصل کار دماسنج ها بر اساس استفاده از خواص فلزات و نیمه هادی ها برای تغییر مقاومت الکتریکی آنها با دما است. برای هادی های ساخته شده از فلزات خالص، این وابستگی در محدوده دما از 200- است o C تا 0 o C به شکل زیر است:

Rt = R 0،

و در محدوده دما از 0 o C تا 630 o C

Rt = R 0)