مبدل های اندازه گیری مقاومتی مبدل های اندازه گیری اولیه نمونه هایی از مبدل های اولیه پارامتری

مهمترین مشخصات مترولوژی مبدل ها عبارتند از: مشخصه تبدیل استاتیک اسمی، حساسیت، خطای اساسی، خطاهای اضافی یا توابع تأثیر، تغییرات سیگنال خروجی، امپدانس خروجی، ویژگی های دینامیکی و غیره.

مهمترین ویژگی های غیر مترولوژیکی شامل ابعاد، وزن، سهولت نصب و نگهداری، ایمنی در برابر انفجار، مقاومت در برابر بارهای اضافی مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و سایر موارد، قابلیت اطمینان، هزینه ساخت و بهره برداری و غیره می باشد.

بسته به نوع سیگنال خروجی، تمام مبدل های اندازه گیری بر اساس تقسیم می شوند پارامتریکو مجموعه های ژنراتورآنها همچنین بر اساس اصل عمل طبقه بندی می شوند. فقط پرکاربردترین مبدل های اندازه گیری در زیر در نظر گرفته شده اند.

13.1 فرستنده های پارامتریک

اطلاعات کلی.در مبدل های پارامتریک، کمیت خروجی پارامتر مدار الکتریکی است (R, L, M, C).هنگام استفاده از مبدل های پارامتریک، یک منبع انرژی اضافی مورد نیاز است که انرژی آن برای تشکیل سیگنال خروجی مبدل استفاده می شود.

مبدل های رئوستاتمبدل های رئوستات مبتنی بر تغییر در مقاومت الکتریکی یک هادی تحت تأثیر کمیت ورودی - جابجایی هستند. مبدل رئوستات رئوستاتی است که برس (تماس متحرک) آن تحت تأثیر کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده حرکت می کند. در شکل 11-5 به صورت شماتیک برخی از گزینه های طراحی مبدل های رئوستات را برای زاویه ای نشان می دهد (شکل 11-5، آ)و جابجایی های خطی (شکل 11-5، b و c). مبدل شامل یک سیم پیچی است که روی قاب و یک برس اعمال می شود. برای ساخت قاب ها از دی الکتریک و فلزات استفاده می شود. سیم سیم پیچ از آلیاژ (آلیاژ پلاتین با ایریدیوم، کنستانتان، نیکروم و فکرال) ساخته شده است. سیم عایق معمولاً برای سیم پیچی استفاده می شود. پس از ساخت سیم پیچ، عایق سیم در نقاط تماس با برس تمیز می شود. برس مبدل یا از سیم یا از نوارهای فنری مسطح ساخته می شود و از فلزات خالص (پلاتین، نقره) و آلیاژهای (پلاتین با ایریدیم، فسفر برنز و غیره) استفاده می شود.

برنج. 11-5. مبدل های رئوستات برای زاویه ای (a)، خطی (ب)جابجایی ها و برای تبدیل عملکردی جابجایی های خطی (در)

ابعاد مبدل با مقدار جابجایی اندازه گیری شده، مقاومت سیم پیچ و توان آزاد شده در سیم پیچ تعیین می شود.

برای به دست آوردن یک تابع تبدیل غیر خطی، مبدل های رئوستات کاربردی استفاده می شود. تبدیل مورد نظر اغلب با پروفیل کردن قاب مبدل به دست می آید (شکل 11-5، v).

در مبدل های رئوستات در نظر گرفته شده، مشخصه استاتیک تبدیل ماهیت گام به گام دارد، زیرا مقاومت در پرش ها برابر با مقاومت یک چرخش تغییر می کند که باعث خطا می شود. گاهی اوقات آنها از مبدل های ضبط صدا استفاده می کنند که در آن برس در امتداد محور سیم می لغزد. این مبدل ها دقت مشخص شده را ندارند. مبدل های رئوستات به صورت پل های تعادلی و غیرتعادلی، تقسیم کننده های ولتاژ و ... در مدارهای اندازه گیری قرار می گیرند.

از مزایای مبدل ها می توان به توانایی به دست آوردن دقت تبدیل بالا، سیگنال های خروجی قابل توجه و سادگی نسبی طراحی اشاره کرد. معایب - وجود تماس کشویی، نیاز به حرکات نسبتاً بزرگ و گاهی اوقات تلاش قابل توجه برای حرکت.

مبدل های رئوستات برای تبدیل جابجایی های نسبتاً بزرگ و سایر کمیت های غیر الکتریکی (نیروها، فشار و غیره) که می توانند به جابجایی تبدیل شوند، استفاده می شوند.

مبدل های حساس به کرنش (کرنش سنج).عملکرد مبدل ها بر اساس اثر کرنش است که شامل تغییر مقاومت فعال یک هادی (نیمه هادی) تحت تأثیر تنش مکانیکی و تغییر شکل ایجاد شده در آن است.

برنج. 11-6. مبدل سیمی حساس به کرنش

اگر سیم تحت فشار مکانیکی مانند کشش قرار گیرد، مقاومت آن تغییر می کند. تغییر در مقاومت سیم تحت عمل مکانیکی بر روی آن با تغییر در ابعاد هندسی (طول، قطر) و مقاومت ماده توضیح داده می شود.

مبدل های حساس به کرنش، که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند (شکل 11-6)، یک زیگزاگ نازک هستند که روی یک نوار کاغذ (زیر لایه /) سیم چسبانده شده است. 2 (توری اهنی). مبدل با استفاده از سرنخ های جوش داده شده یا لحیم شده در مدار قرار می گیرد 3. مبدل به سطح قسمت مورد بررسی چسبانده می شود تا جهت تغییر شکل مورد انتظار با محور طولی شبکه سیم مطابقت داشته باشد.

برای ساخت مبدل ها عمدتاً از سیم ثابت با قطر 0.02-0.05 میلی متر استفاده می شود. (S == 1.9 - 2.1). کنستانتان دارای ضریب دمایی پایینی از مقاومت الکتریکی است که بسیار مهم است، زیرا تغییر مقاومت مبدل ها در هنگام تغییر شکل، به عنوان مثال، قطعات فولادی، متناسب با تغییر مقاومت مبدل در هنگام تغییر دما است. به عنوان یک بستر، از کاغذ نازک (0.03-0.05 میلی متر) و همچنین یک فیلم لاک یا چسب و در دمای بالا - یک لایه سیمان استفاده می شود.

مبدل های فویلی نیز مورد استفاده قرار می گیرند که در آن به جای سیم، از فویل و نوار فشار سنج فیلم استفاده می شود که از تصعید یک ماده حساس به کرنش با رسوب بعدی آن بر روی یک بستر به دست می آید.

برای چسباندن سیم به زیرلایه و کل مبدل به قطعه از چسب ها (محلول سلولوئید در استون، BF-2، BF-4، چسب باکلیت و ...) استفاده می شود. برای دماهای بالا (بالاتر از 200 درجه سانتی گراد) از سیمان های مقاوم در برابر حرارت، لاک ها و چسب های ارگانوسیلیکن و ... استفاده می شود.

مبدل ها بسته به هدف در اندازه های مختلفی ساخته می شوند. اغلب، مبدل ها با طول توری (پایه) 5 تا 50 میلی متر و مقاومت 30-500 اهم استفاده می شوند.

تغییر دما باعث تغییر در ویژگی‌های تبدیل کرنش‌گیج‌ها می‌شود که با وابستگی دمایی مقاومت مبدل و تفاوت در ضرایب دمایی انبساط خطی ماده کرنش‌گیج و قطعه مورد مطالعه توضیح داده می‌شود. تأثیرات دما معمولاً با استفاده از تکنیک های جبران دما مناسب حذف می شوند.

مبدل کرنش سنج چسب را نمی توان از یک قسمت جدا کرد و به قسمت دیگر چسباند. بنابراین، برای تعیین مشخصات تبدیل (ضریب S)، به کالیبراسیون انتخابی مبدل‌ها متوسل می‌شویم که مقدار ضریب S را با خطای 1% به دست می‌دهد. روش های تعیین ویژگی های کرنش سنج توسط استاندارد تنظیم می شود. از مزایای این مبدل ها می توان به خطی بودن ویژگی های تبدیل ایستا، ابعاد و وزن کوچک و سادگی طراحی اشاره کرد. نقطه ضعف آنها حساسیت کم آنهاست.

در مواردی که حساسیت بالا مورد نیاز است، از مبدل های حساس به کرنش استفاده می شود که به شکل نوارهایی از مواد نیمه هادی ساخته شده اند. ضریب S چنین مبدل هایی به چند صد می رسد. با این حال، تکرارپذیری ویژگی های مبدل های نیمه هادی ضعیف است. در حال حاضر، کرنش سنج های نیمه هادی یکپارچه به تولید انبوه می رسند و یک پل یا نیم پل را با عناصر جبران حرارتی تشکیل می دهند.

پل های تعادلی و غیرتعادلی به عنوان مدارهای اندازه گیری برای کرنش سنج ها استفاده می شوند. کرنش سنج برای اندازه گیری تغییر شکل ها و سایر کمیت های غیر الکتریکی استفاده می شود: نیروها، فشارها، گشتاورها و غیره.

مبدل های حساس به دما (ترمیستور). اصل عملکرد مبدل ها بر اساس وابستگی مقاومت الکتریکی هادی ها یا هادی های pvc به دما است.

تبادل حرارت بین ترمیستور و محیط آزمایش در حین اندازه گیری اتفاق می افتد. از آنجایی که ترمیستور در این مورد در مدار الکتریکی قرار می گیرد که به کمک آن مقاومت آن اندازه گیری می شود، جریانی از آن عبور می کند که گرما را در آن آزاد می کند. تبادل حرارت ترمیستور با محیط به دلیل رسانایی حرارتی محیط و همرفت در آن، رسانایی حرارتی خود ترمیستور و اتصالاتی که به آن متصل است و در نهایت به دلیل تابش رخ می دهد. شدت انتقال حرارت و در نتیجه دمای ترمیستور به ابعاد و شکل هندسی آن، به طراحی اتصالات محافظ، به ترکیب، چگالی، هدایت حرارتی، ویسکوزیته و سایر خواص فیزیکی محیط گازی یا مایع بستگی دارد. اطراف ترمیستور و همچنین بر روی دما و سرعت حرکت محیط ...

برنج. 11-7. دستگاه (الف) و ظاهر اتصالات (ب) ترمیستور پلاتین

بنابراین، وابستگی دما، و در نتیجه مقاومت ترمیستور به عوامل ذکر شده در بالا، می‌تواند برای اندازه‌گیری مقادیر غیرالکتریکی مختلف که یک محیط گاز یا مایع را مشخص می‌کند، استفاده شود. هنگام طراحی مبدل، تلاش می شود تا اطمینان حاصل شود که تبادل حرارت ترمیستور با محیط عمدتاً توسط کمیت غیر الکتریکی اندازه گیری شده تعیین می شود.

با توجه به حالت کار، ترمیستورها بیش از حد گرم می شوند و بدون گرم شدن بیش از حد عمدی هستند. در مبدل های بدون گرمای بیش از حد، جریان عبوری از ترمیستور عملاً باعث گرم شدن بیش از حد نمی شود و دمای دومی با دمای محیط تعیین می شود. از این مبدل ها برای اندازه گیری دما استفاده می شود. در مبدل های گرمایش بیش از حد، جریان الکتریکی بسته به خواص محیط باعث گرم شدن بیش از حد می شود. مبدل های گرمایش بیش از حد برای اندازه گیری سرعت، چگالی، ترکیب محیط و غیره استفاده می شوند. از آنجایی که ترمیستورهای گرمایش بیش از حد تحت تأثیر دمای محیط قرار می گیرند، معمولاً از روش های مدار برای جبران این اثر استفاده می شود.

برای اندازه گیری دما، رایج ترین ترمیستورها از پلاتین یا سیم مسی ساخته می شوند.

ترمیستورهای استاندارد پلاتین برای اندازه گیری دما در محدوده -260 تا + 1100 درجه سانتیگراد، مس - در محدوده 200- تا +200 درجه سانتیگراد (GOST 6651-78) استفاده می شود. ترمیستورهای پلاتین با دمای پایین (GOST 12877-76) برای اندازه گیری دما در محدوده 261- تا 183- درجه سانتی گراد استفاده می شوند.

در شکل 11-7، آدستگاه ترمیستور پلاتین را نشان می دهد. در کانال های لوله سرامیکی 2 دو (یا چهار) بخش از مارپیچ وجود دارد 3 ساخته شده از سیم پلاتین، متصل به صورت سری. سرنخ ها به انتهای مارپیچ لحیم می شوند 4, برای اتصال ترمیستور به مدار اندازه گیری استفاده می شود. بستن سرب ها و آب بندی لوله سرامیکی با لعاب / انجام می شود. کانال های لوله با پودر آلومینا بی آب پوشیده شده است که به عنوان یک عایق و نگهدارنده برای مارپیچ عمل می کند. پودر اکسید آلومینیوم بی آب که دارای رسانایی حرارتی بالا و ظرفیت حرارتی کم است، انتقال حرارت خوب و اینرسی کم ترمیستور را فراهم می کند. برای محافظت از ترمیستور در برابر تأثیرات مکانیکی و شیمیایی محیط خارجی، آن را در اتصالات محافظ (شکل 11-7، b) از فولاد ضد زنگ قرار می دهیم.

مقاومت اولیه (در دمای 0 درجه سانتیگراد) ترمیستورهای استاندارد پلاتین برابر با 1، 5، 10، 46، 50، 100 و 500 اهم، مس - 10، 50، 53 و 100 اهم است.

مقدار مجاز جریان عبوری از ترمیستور هنگام اتصال به مدار اندازه گیری باید به گونه ای باشد که تغییر مقاومت ترمیستور در هنگام گرمایش از 0.1٪ مقاومت اولیه تجاوز نکند.

خصوصیات استاتیکی تبدیل در قالب جداول (کالیبراسیون) و انحرافات مجاز این ویژگی ها برای ترمیستورهای استاندارد در GOST 6651-78 آورده شده است.

علاوه بر پلاتین و مس، گاهی اوقات از نیکل برای ساخت ترمیستور استفاده می شود.

برای اندازه گیری دما از ترمیستورهای نیمه هادی (ترمیستور) از انواع مختلف نیز استفاده می شود که با حساسیت بالاتر (ترمیستور TKS) مشخص می شود.

ذخایر منفی بوده و در دمای 20 درجه سانتیگراد 10 تا 15 برابر بیشتر از TCR مس و پلاتین است و در اندازه های بسیار کوچک دارای مقاومت بالاتر (تا 1 MΩ) می باشد. نقطه ضعف ترمیستورها تکرارپذیری ضعیف و غیر خطی بودن ویژگی های تبدیل است:

جایی که rtو رو- مقاومت ترمیستور در دما تیو که؛ که- دمای اولیه محدوده کاری؛ V- ضریب

ترمیستورها در محدوده دمایی 60- تا 120+ درجه سانتیگراد استفاده می شوند.

برای اندازه گیری دما از -80 تا -f-150 درجه سانتیگراد از دیودهای حرارتی و ترموترانزیستورها استفاده می شود که در آنها مقاومت تحت تأثیر دما تغییر می کند. آر- i-junction و افت ولتاژ در این اتصال. حساسیت ولتاژ ترموترانزیستور 1.5-2.0 mV / K است که به طور قابل توجهی از حساسیت ترموکوپل های استاندارد فراتر می رود (جدول 11-1 را ببینید). این مبدل ها معمولاً به صورت تقسیم کننده ولتاژ در مدارها و مدارهای پل قرار می گیرند.

مزایای دیودهای حرارتی و ترانزیستورهای حرارتی حساسیت بالا، اندازه کوچک و اینرسی کم، قابلیت اطمینان بالا و هزینه کم است. معایب - محدوده دمایی باریک و تکرارپذیری ضعیف ویژگی های استاتیک تبدیل. تأثیر اشکال دوم با استفاده از مدارهای ویژه کاهش می یابد.

اینرسی حرارتی ترمیستورهای استاندارد مطابق با GOST 6651-78 با شاخص اینرسی حرارتی در ^ مشخص می شود که به عنوان زمان لازم برای تبدیل شدن اختلاف دما بین محیط و هر نقطه مبدل وارد شده به آن برابر با 0.37 تعریف می شود. این مقدار زمانی که مبدل به محیطی با دمای ثابت وارد می شود، که در زمان شروع یک رژیم حرارتی معمولی داشته است. شاخص اینرسی حرارتی از آن قسمت از منحنی فرآیند حرارتی گذرا مبدل تعیین می شود که با حالت منظم مطابقت دارد، یعنی دارای یک شخصیت نمایی (در مقیاس نیمه لگاریتمی - یک خط مستقیم) است. مقدار e ^ برای انواع مختلف مبدل های استاندارد از چند ده ثانیه تا چند دقیقه متغیر است.

هنگامی که به ترمیستورهای با اینرسی کم نیاز است، برای ساخت آنها از یک سیم بسیار نازک (میکروایر) یا ترمیستورهای با حجم کم (مهره) یا ترموترانزیستورها استفاده می شود.

برنج. 11-8. مبدل آنالایزر گاز بر اساس اصل اندازه گیری هدایت حرارتی

روپیه 11-9. وابستگی هدایت حرارتی گاز به فشار

ترمیستورها در ابزارهایی برای آنالیز مخلوط گازها استفاده می شوند. بسیاری از مخلوط های گازی از نظر هدایت گرمایی با یکدیگر و هوا متفاوت هستند.

در ابزار تجزیه و تحلیل گاز - آنالایزرهای گاز - یک ترمیستور پلاتین بیش از حد گرم شده برای اندازه گیری هدایت حرارتی استفاده می شود (شکل 11-8) که در یک محفظه قرار می گیرد. 2 با گاز آنالیز شده طراحی ترمیستور، اتصالات و محفظه، و همچنین مقدار جریان گرمایش، به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که تبادل حرارت با محیط عمدتاً به دلیل هدایت حرارتی محیط گازی انجام شود.

برای جلوگیری از تأثیر دمای خارجی، علاوه بر دمای عملیاتی، از یک محفظه جبران با یک ترمیستور پر از گازی با ترکیب ثابت استفاده می شود. هر دو محفظه به صورت یک واحد ساخته شده اند که شرایط دمایی یکسانی را برای محفظه ها فراهم می کند. در طول اندازه گیری، ترمیستورهای کار و جبران به بازوهای مجاور پل متصل می شوند که منجر به جبران اثر دما می شود.

ترمیستورها در دستگاه هایی برای اندازه گیری درجه نادری استفاده می شوند. در شکل 11-9 وابستگی هدایت حرارتی گاز را بین اجسام نشان می دهد آو باز فشار او

بنابراین، رسانایی حرارتی یک گاز به تعداد مولکول ها در واحد حجم، یعنی به فشار (درجه کمیاب شدن) وابسته می شود. وابستگی رسانایی حرارتی گاز به فشار در گیج های خلاء - دستگاه هایی برای اندازه گیری درجه نادر بودن استفاده می شود.

برای اندازه گیری هدایت حرارتی در گیج های خلاء، از ترمیستورهای فلزی (پلاتین) و نیمه هادی استفاده می شود که در یک استوانه شیشه ای یا فلزی قرار می گیرند که به محیط کنترل شده متصل است.

ترمیستورها در دستگاه های اندازه گیری دبی گاز - بادسنج های سیم داغ استفاده می شوند. دمای حالت پایدار یک ترمیستور گرمایش بیش از حد که در مسیر جریان گاز قرار می گیرد به سرعت جریان بستگی دارد. در این حالت همرفت (اجباری) راه اصلی تبادل حرارت بین ترمیستور و محیط خواهد بود. تغییر مقاومت ترمیستور به دلیل حذف گرما از سطح آن توسط محیط متحرک از نظر عملکردی با سرعت محیط مرتبط است.

طراحی و نوع ترمیستور، اتصالات و جریان ترمیستور گرمایشی به گونه ای انتخاب می شود که تمام مسیرهای انتقال حرارت به جز همرفتی کاهش یا حذف شود.

از مزایای بادسنج هات وایر می توان به حساسیت و سرعت بالا اشاره کرد. این دستگاه ها با استفاده از یک مدار اندازه گیری که دمای ترمیستور به طور خودکار تقریباً ثابت نگه داشته می شود، سرعت های 1 تا 100-200 متر بر ثانیه را اندازه گیری می کند.

مبدل های الکترولیتی مبدل های الکترولیتی بر اساس وابستگی مقاومت الکتریکی محلول الکترولیت به غلظت آن هستند. آنها عمدتاً برای اندازه گیری غلظت محلول ها استفاده می شوند.

در شکل 11-10، به عنوان مثال، نمودارهای وابستگی رسانایی الکتریکی خاص برخی از محلول های الکترولیت به غلظت نشان داده شده است. باحل شونده. از این شکل به دست می آید که در محدوده معینی از تغییرات غلظت، وابستگی رسانایی الکتریکی به غلظت مبهم است و می توان از آن برای تعیین استفاده کرد. با.

برنج. 11-10. وابستگی رسانایی الکتریکی ویژه محلول های الکترولیت به غلظت املاح

برنج. 11-11. مبدل الکترولیتی آزمایشگاهی

مبدل مورد استفاده در شرایط آزمایشگاهی برای اندازه گیری غلظت، ظرفی با دو الکترود (سلول الکترولیتی) است (شکل 11-11). برای اندازه‌گیری‌های پیوسته صنعتی، مبدل‌ها جریانی هستند و اغلب از ساختارهایی استفاده می‌شود که در آن دیواره‌های ظرف (فلز) نقش الکترود دوم را بازی می‌کنند.

هدایت الکتریکی محلول ها به دما بستگی دارد. بنابراین، هنگام استفاده از مبدل های الکترولیتی، لازم است تأثیر دما را از بین ببرید. این مشکل با تثبیت دمای محلول با استفاده از یخچال (هیتر) یا استفاده از مدارهای جبران دما با ترمیستورهای مسی حل می شود، زیرا ضرایب دمایی رسانایی محلول های مس و الکترولیت دارای علائم مخالف هستند.

هنگامی که جریان مستقیم از مبدل عبور می کند، الکترولیز محلول رخ می دهد که منجر به اعوجاج نتایج اندازه گیری می شود. بنابراین، اندازه گیری مقاومت یک محلول معمولاً بر روی جریان متناوب (700-1000 هرتز) انجام می شود که اغلب با استفاده از مدارهای پل انجام می شود.

مبدل های القایی اصل عملکرد مبدل ها بر اساس وابستگی اندوکتانس یا اندوکتانس متقابل سیم پیچ ها به مدار مغناطیسی به موقعیت، ابعاد هندسی و حالت مغناطیسی عناصر مدار مغناطیسی آنها است.

برنج. 11-12. مدار مغناطیسی با شکاف و دو سیم پیچ

اندوکتانس و اندوکتانس متقابل را می توان با اثر بر روی طول b، سطح مقطع هوای مدار مغناطیسی s، اتلاف توان در مدار مغناطیسی و به روش های دیگر تغییر داد. این را می توان، برای مثال، با حرکت دادن هسته متحرک (آرمیچر) / (شکل 11-12) نسبت به ثابت به دست آورد. 2, معرفی یک صفحه فلزی غیر مغناطیسی 3 به شکاف هوا و غیره

در شکل 11-13 به صورت شماتیک انواع مبدل های القایی را نشان می دهد. یک مبدل القایی (شکل 11-13، a) با طول متغیر شکاف هوایی b با یک وابستگی غیرخطی مشخص می شود. L = f(ب). چنین مبدلی معمولاً زمانی استفاده می شود که آرمیچر 0.01-5 میلی متر حرکت می کند. به طور قابل توجهی حساسیت کمتر، اما وابستگی خطی L = f(ها) مبدل های با مقطع شکاف هوا متغیر متفاوت هستند (شکل 11-13، ب).این مبدل ها برای جابجایی تا 10-15 میلی متر استفاده می شود.

برنج. 11-13. مبدل های القایی با طول شکاف متغیر (a)، با بخش شکاف متغیر (ب)،دیفرانسیل (v)،ترانسفورماتور دیفرانسیل (g)، ترانسفورماتور دیفرانسیل با مدار مغناطیسی باز (ه)مغناطیس الاستیک (ه)

آرمیچر در مبدل القایی یک نیروی جاذبه (ناخواسته) از آهنربای الکتریکی را تجربه می کند.

جایی که W m- انرژی میدان مغناطیسی؛ L- اندوکتانس مبدل؛ / جریان عبوری از سیم پیچ مبدل است.

مبدل های دیفرانسیل القایی گسترده هستند (شکل 11-13، v)که در آن، تحت تأثیر مقدار اندازه گیری شده، دو شکاف آهنربای الکتریکی به طور همزمان و علاوه بر این، با علائم متفاوت تغییر می کنند. مبدل‌های دیفرانسیل در ترکیب با مدار اندازه‌گیری مناسب (معمولاً پل) دارای حساسیت بالاتر، غیرخطی بودن مشخصه تبدیل کمتر، تأثیر کمتری از عوامل خارجی و کاهش نیروی حاصله بر روی آرمیچر از آهن‌ربای الکتریکی نسبت به مبدل‌های غیردیفرانسیل هستند.

در شکل 11-13، جیمداری را برای روشن کردن مبدل القایی دیفرانسیل نشان می دهد که در آن مقادیر خروجی اندوکتانس های متقابل هستند. به چنین مبدل هایی متقابل القایی یا ترانسفورماتور می گویند. هنگامی که سیم پیچ اولیه با جریان متناوب تامین می شود و زمانی که آرمیچر متقارن است، موقعیت آرمیچر نسبت به آهنرباهای الکتریکی، EMF در پایانه های خروجی صفر است. هنگامی که آرمیچر حرکت می کند، EMF روی پایانه های خروجی ظاهر می شود.

برای تبدیل جابجایی های نسبتاً بزرگ (تا 50-100 میلی متر)، مبدل های ترانسفورماتور با مدار مغناطیسی باز استفاده می شود (شکل 11-13، O).

مبدل های ترانسفورماتور زاویه چرخش استفاده می شود که از یک استاتور ثابت و یک روتور متحرک با سیم پیچ تشکیل شده است. سیم پیچ استاتور با جریان متناوب تامین می شود. چرخش روتور باعث تغییر در مقدار و فاز EMF القا شده در سیم پیچ آن می شود. چنین مبدل هایی هنگام اندازه گیری جابجایی های زاویه ای بزرگ استفاده می شوند.

اینداکتوزین ها برای اندازه گیری جابجایی های زاویه ای کوچک استفاده می شوند (شکل 11-14). روتور / و استاتور 2 اینداکتوزین با سیم پیچ های چاپی عرضه می شود 3, داشتن شکل شطرنجی شعاعی اصل عمل ایندوکتوزین مشابه آنچه در بالا توضیح داده شد است. با اعمال سیم پیچ ها به روش چاپ، می توان تعداد زیادی پله سیم پیچی قطب را به دست آورد که حساسیت بالایی مبدل را نسبت به تغییرات زاویه چرخش فراهم می کند.

برنج. 11-14. دستگاه (ها) و نوع سیم پیچ چاپی (ب)اندوکتوزینا

اگر هسته فرومغناطیسی اینورتر تحت فشار مکانیکی قرار گیرد اف،سپس به دلیل تغییر در نفوذپذیری مغناطیسی مواد هسته، مقاومت مغناطیسی مدار تغییر می کند که منجر به تغییر در اندوکتانس می شود. Lو اندوکتانس متقابل مسیم پیچ مبدل های مغناطیسی الاستیک بر اساس این اصل هستند (شکل 11-13، ه)

طراحی مبدل توسط محدوده جابجایی اندازه گیری شده تعیین می شود. ابعاد مبدل بر اساس توان سیگنال خروجی مورد نیاز انتخاب می شود.

برای اندازه‌گیری پارامتر خروجی مبدل‌های القایی، مدارهای پل (تعادلی و غیرتعادلی) و همچنین مدار جبران (در دستگاه‌های خودکار) مبدل‌های ترانسفورماتور دیفرانسیل بیشترین کاربرد را دارند.

مبدل های القایی برای تبدیل جابجایی و سایر کمیت های غیر الکتریکی که می توانند به جابجایی تبدیل شوند (نیرو، فشار، گشتاور و غیره) استفاده می شود.

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

نقطه ضعف آنها اثر معکوس مبدل بر روی جسم مورد مطالعه (اثر مغناطیس الکترومغناطیس بر آرمیچر) و تأثیر اینرسی آرمیچر بر ویژگی های فرکانس دستگاه است.

برنج. 11-15. مبدل های خازنی با فاصله متغیر بین صفحات (a)، دیفرانسیل (b)، دیفرانسیل با سطح فعال متغیر صفحات (c) و با تغییر ثابت دی الکتریک محیط بین صفحات (d)

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

در شکل شکل 11-15 به صورت شماتیک آرایش مبدل های خازنی مختلف را نشان می دهد. مبدل در شکل 11-15، آیک خازن است که یک صفحه آن تحت عمل مقدار اندازه گیری شده حرکت می کند ایکسنسبت به صفحه ثابت مشخصه استاتیک تبدیل C (b) غیر خطی است. حساسیت مبدل با کاهش فاصله 6 افزایش می یابد. از چنین مبدل هایی برای اندازه گیری جابجایی های کوچک (کمتر از 1 میلی متر) استفاده می شود.

حرکت کاری کوچک صفحات منجر به خطا در تغییر فاصله بین صفحات با نوسانات دما می شود. با انتخاب اندازه قطعات مبدل و مواد، این خطا کاهش می یابد.

در مبدل های خازنی، نیروی جاذبه (ناخواسته) بین صفحات وجود دارد

جایی که W 3- انرژی میدان الکتریکی؛ Uو C به ترتیب ولتاژ و ظرفیت بین صفحات هستند.

مبدل های دیفرانسیل نیز استفاده می شود (شکل 11-15، b) که دارای یک صفحه متحرک و دو صفحه ثابت هستند. تحت تأثیر مقدار اندازه گیری شده ایکساین مبدل ها به طور همزمان ظرفیت خود را تغییر می دهند. در شکل 11-15، vمبدل خازنی دیفرانسیل با سطح فعال متغیر صفحات را نشان می دهد. چنین مبدلی برای اندازه گیری جابجایی های خطی نسبتا بزرگ (بیش از 1 میلی متر) و زاویه ای استفاده می شود. در این مبدل ها به راحتی می توان با پروفیل کردن صفحات، مشخصه تبدیل مورد نیاز را به دست آورد.

مبدل های (e) برای اندازه گیری سطح مایعات، میزان رطوبت مواد، ضخامت محصولات دی الکتریک و غیره استفاده می شوند. به عنوان مثال (شکل 11-15، ز)دستگاه فرستنده سطح خازنی داده شده است. ظرفیت بین الکترودهایی که در ظرف پایین می آیند به سطح مایع بستگی دارد، زیرا تغییر سطح منجر به تغییر در میانگین ثابت دی الکتریک محیط بین الکترودها می شود. با تغییر پیکربندی صفحات، می توان شخصیت دلخواه وابستگی قرائت های ابزار را به حجم (جرم) مایع به دست آورد.

برای اندازه گیری پارامتر خروجی مبدل های خازنی از مدارهای پل 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 مرتبه 10 تا 7 میلی متر هستند. مدارهای دارای مبدل های خازنی معمولاً با جریانی با فرکانس افزایش یافته (تا ده ها مگاهرتز) عرضه می شوند که به دلیل تمایل به افزایش سیگنال ورودی به دستگاه اندازه گیری و نیاز به کاهش اثر شنت مقاومت عایق ایجاد می شود.

مبدل های یونیزاسیونمبدل ها بر اساس پدیده یونیزاسیون گاز یا لومینسانس برخی مواد تحت تأثیر تشعشعات یونیزان هستند.

اگر یک محفظه حاوی گاز در معرض تابش قرار گیرد، برای مثال، با پرتوهای p، جریانی بین الکترودهای موجود در مدار الکتریکی جریان می یابد (شکل 11-16). این جریان به ولتاژ اعمال شده به الکترودها، چگالی و ترکیب محیط گاز، اندازه محفظه و الکترودها، خواص و شدت تابش یونیزان و غیره بستگی دارد. از این وابستگی ها برای اندازه گیری کمیت های غیر الکتریکی مختلف استفاده می شود. : چگالی و ترکیب ماده گازی، ابعاد هندسی قطعات و غیره.

برنج. 11-16. مدار مبدل یونیزاسیون

برنج. 11-17. مشخصه جریان-ولتاژ مبدل یونیزاسیون

به عنوان عوامل یونیزه کننده، پرتوهای a-، p- و y از مواد رادیواکتیو استفاده می شود، بسیار کمتر - اشعه ایکس و تابش نوترون.

برای اندازه گیری درجه یونیزاسیون، مبدل هایی استفاده می شود - محفظه های یونیزاسیون و شمارنده های یونیزاسیون، که عملکرد آنها مربوط به بخش های مختلف مشخصه جریان-ولتاژ شکاف گاز بین دو الکترود است. در شکل 11-17 وابستگی جریان در محفظه (شکل 11-16) با ترکیب گاز ثابت به ولتاژ اعمال شده را نشان می دهد. Uو شدت تابش مکان روشن است آمشخصات، جریان به نسبت مستقیم با ولتاژ افزایش می یابد، سپس رشد آن کاهش می یابد و در مقطع ببه اشباع می رسد. این نشان می دهد که تمام یون های تولید شده در محفظه به الکترودها می رسند. مکان روشن است Vجریان یونیزاسیون دوباره شروع به بالا رفتن می کند که در اثر یونیزاسیون ثانویه زمانی که الکترون ها و یون های اولیه به مولکول های خنثی برخورد می کنند ایجاد می شود. با افزایش بیشتر ولتاژ (بخش ز)جریان یونیزاسیون به یونیزاسیون اولیه بستگی ندارد و وارد می شود

تخلیه مداوم (بخش د)که دیگر وابسته به اثرات تشعشعات رادیواکتیو نیست.

توطئه ها الف و بویژگی های جریان-ولتاژ عملکرد محفظه های یونیزاسیون و بخش ها را توصیف می کند Vو G -شمارنده های یونیزاسیون علاوه بر محفظه ها و شمارنده های یونیزاسیون، شمارنده های سوسوزن (شوم آور) به عنوان مبدل یونیزاسیون استفاده می شود. اصل عملکرد این شمارنده ها بر اساس ظاهر فسفر در برخی از مواد (سولفید روی فعال شده توسط نقره، سولفید کادمیوم و غیره) - تحت تأثیر تابش رادیواکتیو فلاش های نور (سوزن) است که در شمارنده ها ثبت می شود. توسط فوتو ضرب. روشنایی این فلاش ها و در نتیجه جریان فتو ضربی توسط تشعشعات رادیواکتیو تعیین می شود.

انتخاب نوع مبدل یونیزاسیون تا حد زیادی به تابش یونیزان بستگی دارد.

پرتوهای آلفا (هسته های اتم هلیوم) قدرت یونیزاسیون بالایی دارند، اما قدرت نفوذ کمی دارند. در جامدات، پرتوهای a در لایه های بسیار نازک (واحد تا ده ها میکرومتر) جذب می شوند. بنابراین هنگام استفاده از پرتوهای a، امیتر a در داخل مبدل قرار می گیرد.

پرتوهای بتا جریانی از الکترون ها (پوزیترون) هستند. آنها توانایی یونیزاسیون بسیار کمتری نسبت به پرتوهای a دارند، اما قدرت نفوذ بالاتری دارند. طول مسیر در جامدات به چند میلی متر می رسد. بنابراین، امیتر می تواند هم در داخل و هم در خارج از مبدل قرار گیرد.

تغییر در فاصله بین الکترودها، ناحیه همپوشانی الکترودها یا موقعیت منبع تابش نسبت به محفظه های یونیزاسیون یا شمارنده ها بر مقدار جریان یونیزاسیون تأثیر می گذارد. بنابراین از این وابستگی ها برای اندازه گیری کمیت های مختلف مکانیکی و هندسی استفاده می شود.

در شکل 11-18 نمونه ای از فشار سنج دیافراگم یونیزاسیون را نشان می دهد که در آن / یک امیتر است. 2 - غشاء؛ 3 - یک الکترود ثابت جدا شده از غشاء. بین الکترودها 2 تا 3اختلاف پتانسیل کافی برای رسیدن به جریان اشباع اعمال می شود. وقتی فشار تغییر می کند آرغشاء خم می شود و فاصله بین الکترودها و مقدار جریان یونیزاسیون را تغییر می دهد.

برنج. 11-18. گیج فشار دیافراگم یونیزاسیون

برنج. 11-19. متر تخلیه گاز

پرتوهای گاما ارتعاشات الکترومغناطیسی با طول موج بسیار کوچک (10 ~ 8-10 ~ "سانتی متر) هستند که از دگرگونی های رادیواکتیو ناشی می شوند. پرتوهای گاما توانایی نفوذ بالایی دارند.

طراحی اتاقک ها و شمارنده های یونیزاسیون متنوع بوده و به نوع تابش بستگی دارد.

برای ثبت ذرات منفرد، و همچنین برای اندازه گیری تابش γ کوچک، به اصطلاح شمارنده های تخلیه گاز به طور گسترده ای استفاده می شود که عملکرد آن توسط بخش ها توضیح داده شده است. Vو ویژگی های جریان-ولتاژ G. دستگاه متر تخلیه گاز در شکل نشان داده شده است. 11-19. شمارنده از یک استوانه فلزی تشکیل شده است که داخل آن یک سیم تنگستن نازک کشیده شده است 2. هر دوی این الکترودها در یک سیلندر شیشه ای قرار می گیرند. 3 ثانیهگاز بی اثر هنگامی که گاز یونیزه می شود، پالس های جریان در مدار کنتور ظاهر می شود که تعداد آنها شمارش می شود.

ایزوتوپ های رادیواکتیو معمولاً به عنوان منابع تابش a-, p- و y استفاده می شوند. منابع تابش مورد استفاده در فناوری اندازه گیری باید نیمه عمر قابل توجه و انرژی تابشی کافی داشته باشند (کبالت-60، استرانسیوم-90، پلوتونیوم-239 و غیره).

مزیت اصلی دستگاه هایی که از پرتوهای یونیزان استفاده می کنند امکان اندازه گیری بدون تماس است که به عنوان مثال هنگام اندازه گیری در محیط های تهاجمی یا انفجاری و همچنین در محیط های تحت فشار یا دمای بالا از اهمیت بالایی برخوردار است. عیب اصلی این دستگاه ها نیاز به استفاده از حفاظت بیولوژیکی در فعالیت زیاد منبع تشعشع است.

13.2 مبدل های اندازه گیری ژنراتور

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

مبدل های ترموالکتریک.این مبدل ها بر اساس یک اثر ترموالکتریک در مدار ترموکوپل هستند.

با اختلاف دما بین نقاط / و 2 اتصال دو هادی غیرمشابه الف و ب(شکل 11-20، a)، با تشکیل یک ترموکوپل، یک ترمو-EMF در مدار ترموکوپل ایجاد می شود.

برای اندازه گیری ترمو-EMF، یک دستگاه اندازه گیری الکتریکی (میلی ولت متر، جبران کننده) در مدار ترموکوپل گنجانده شده است (شکل 11-20، ب).نقطه اتصال هادی ها (الکترودها) انتهای کار ترموکوپل، نقاط نامیده می شود. 2 و 2" - پایان های رایگان

برای اینکه ترمو-EMF در مدار ترموکوپل بدون ابهام با دمای انتهای کار تعیین شود، دمای انتهای آزاد ترموکوپل باید یکسان و بدون تغییر نگه داشته شود.

برنج. 11-20. ترموکوپل (ها) و روش اتصال دستگاه به مدار ترموکوپل (ب)

کالیبراسیون دماسنج های ترموالکتریک - دستگاه هایی که از ترموکوپل برای اندازه گیری دما استفاده می کنند، معمولاً در دمای انتهای آزاد O ° C انجام می شود. جداول کالیبراسیون برای ترموکوپل های استاندارد نیز با شرایطی تهیه می شود که دمای انتهای آزاد O ° C باشد. در کاربرد عملی دماسنج های ترموالکتریک، دمای انتهای آزاد ترموکوپل معمولاً برابر با O ° C نیست و بنابراین لازم است اصلاحی انجام شود.

برای ساخت ترموکوپل هایی که در حال حاضر برای اندازه گیری دما استفاده می شوند، عمدتاً از آلیاژهای مخصوص استفاده می شود.

برای اندازه گیری دماهای بالا از ترموکوپل هایی از انواع TPP، TPR و TBR استفاده می شود. ترموکوپل های ساخته شده از فلزات نجیب (TPP و TPR) برای اندازه گیری با دقت بالا استفاده می شود. در موارد دیگر از ترموکوپل های فلزی پایه (TCA, TCA) استفاده می شود.

برای محافظت در برابر تأثیرات خارجی (فشار، گازهای خورنده و غیره)، الکترودهای ترموکوپل در اتصالات محافظ قرار می گیرند که از نظر ساختاری شبیه اتصالات ترمیستور هستند (شکل 11-7، ب).

برای راحتی تثبیت دمای انتهای آزاد، گاهی اوقات ترموکوپل را با استفاده از سیم‌های به اصطلاح اکستنشن ساخته شده یا از مواد ترموالکترودی مناسب یا از مواد انتخاب شده خاص که ارزان‌تر از مواد الکترود هستند و شرایط هویت ترموالکتریک را برآورده می‌کنند، بلندتر می‌کنند. ترموکوپل اصلی در محدوده دمای ممکن انتهای آزاد (معمولاً از 0 تا 100 درجه سانتیگراد). به عبارت دیگر، سیم های اکستنشن باید همان وابستگی دمایی ترمو-EMF را در محدوده دمایی مشخص شده با ترموکوپل اصلی داشته باشند.

اینرسی ترموکوپل ها با نشانگر اینرسی حرارتی مشخص می شود. طرح های شناخته شده ترموکوپل های اینرسی کم، که در آنها اینرسی حرارتی 5-20 ثانیه است. ترموکوپل ها در اتصالات معمولی دارای اینرسی حرارتی چند دقیقه ای هستند.

مبدل های القایی برای اندازه گیری سرعت جابجایی های خطی و زاویه ای استفاده می شوند. سیگنال خروجی این مبدل ها را می توان با استفاده از دستگاه های ادغام کننده یا متمایز کننده الکتریکی در زمان یکپارچه یا متمایز کرد. پس از این تبدیل ها، پارامتر سیگنال اطلاعاتی به ترتیب با جابجایی یا شتاب متناسب می شود. بنابراین از مبدل های القایی برای اندازه گیری جابجایی ها و شتاب های خطی و زاویه ای نیز استفاده می شود.

مبدل های القایی بیشترین کاربرد را در ابزارهای اندازه گیری سرعت زاویه ای (تاکومترها) و در ابزارهای اندازه گیری پارامترهای ارتعاش دارند.

مبدل های القایی برای سرعت سنج ها، ژنراتورهای DC یا AC کوچک (1-100 وات) هستند که معمولاً به طور مستقل از یک آهنربای دائمی تحریک می شوند که روتور آن به طور مکانیکی به شفت آزمایشی متصل است. هنگام استفاده از مولد جریان مستقیم، سرعت زاویه ای با EMF ژنراتور ارزیابی می شود و در مورد ژنراتور جریان متناوب، سرعت زاویه ای را می توان از روی مقدار EMF یا فرکانس آن تعیین کرد.

در شکل 11-21 یک مبدل القایی برای اندازه گیری دامنه، سرعت و شتاب یک حرکت رفت و برگشتی را نشان می دهد. مبدل یک سیم پیچ استوانه ای است که در شکاف حلقوی مدار مغناطیسی حرکت می کند 2. آهنربای دائمی استوانه ای 3 یک میدان مغناطیسی شعاعی ثابت در شکاف حلقوی ایجاد می کند. هنگام حرکت، سیم پیچ از خطوط نیروی میدان مغناطیسی عبور می کند و یک EMF متناسب با سرعت حرکت در آن ایجاد می شود.

برنج. 11-21. مبدل القایی

خطاهای مبدل های القایی عمدتاً با تغییرات میدان مغناطیسی با زمان و با تغییرات دما و همچنین تغییرات دما در مقاومت سیم پیچ تعیین می شود.

از مزایای اصلی مبدل های القایی می توان به سادگی نسبی طراحی، قابلیت اطمینان عملکرد و حساسیت بالا اشاره کرد. نقطه ضعف محدوده فرکانس محدود مقادیر اندازه گیری شده است.

مبدل های پیزوالکتریکچنین مبدل هایی مبتنی بر استفاده از یک اثر پیزوالکتریک مستقیم است که شامل ظاهر شدن بارهای الکتریکی بر روی سطح برخی از کریستال ها (کوارتز، تورمالین، نمک آهنی و غیره) تحت تأثیر تنش های مکانیکی است.

یک صفحه از یک کریستال کوارتز بریده می شود که لبه های آن باید عمود بر محور نوری باشد. اوز،محور مکانیکی OUو محور الکتریکی اوهکریستال (شکل 11-22، a و b).

F xدر امتداد محور الکتریکی روی چهره ها ایکساتهامات ظاهر می شود Q x = kF x،جایی که ک- ضریب پیزوالکتریک (مدول).

وقتی نیرویی به صفحه وارد شود F yدر امتداد محور مکانیکی در همان وجوه ایکساتهامات بوجود می آید Q y = kF y a / b،جایی که آو ب- ابعاد لبه های صفحه.

عمل مکانیکی روی صفحه در امتداد محور نوری باعث ظاهر شدن بارها نمی شود.

دستگاه مبدل پیزوالکتریک برای اندازه گیری فشار متناوب گاز در شکل نشان داده شده است. 11-23. فشار آراز طریق یک غشای فلزی / به ساندویچ بین جداکننده های فلزی منتقل می شود 2 صفحات کوارتز 3.

برنج. 11-22. کریستال کوارتز (a) و صفحه (ب)،از آن حک شده است

توپ 4 توزیع فشار یکنواخت را بر روی سطح صفحات کوارتز ترویج می کند. واشر میانی به ترمینال 5 متصل است که از یک آستین از مواد عایق خوب عبور می کند. وقتی در معرض فشار قرار می گیرند آریک اختلاف پتانسیل بین پایه 5 و محفظه فرستنده رخ می دهد .

در مبدل‌های پیزوالکتریک، کوارتز عمدتاً مورد استفاده قرار می‌گیرد، که در آن خواص پیزوالکتریک با مقاومت مکانیکی بالا و کیفیت عایق بالا و همچنین با استقلال ویژگی‌های پیزوالکتریک از دما در محدوده وسیعی ترکیب می‌شود. از سرامیک های پلاریزه باریم تیتانات، تیتانات سرب و زیرکونات نیز استفاده می شود.

برنج. 11-23. مبدل فشار پیزوالکتریک

ابعاد صفحات و تعداد آنها بر اساس ملاحظات طراحی و مقدار شارژ مورد نیاز انتخاب می شود.

بار تولید شده در مبدل پیزوالکتریک در امتداد عایق و مدار ورودی دستگاه اندازه گیری به سمت پایین جریان می یابد. بنابراین، دستگاه‌هایی که اختلاف پتانسیل روی مبدل‌های پیزوالکتریک را اندازه‌گیری می‌کنند باید دارای امپدانس ورودی بالا (10 12 -10 15 اهم) باشند، که عملاً با استفاده از تقویت‌کننده‌های الکترونیکی با امپدانس ورودی بالا تضمین می‌شود.

به دلیل "زهکشی" بار، از این مبدل ها فقط برای اندازه گیری مقادیری که به سرعت در حال تغییر هستند (نیروهای متغیر، فشارها، پارامترهای ارتعاش، شتاب ها و غیره) استفاده می شود.

مبدل های پیزوالکتریک استفاده می شود - پیزورزوناتورها، که در آنها از پیزواثر مستقیم و معکوس به طور همزمان استفاده می شود. مورد دوم در این واقعیت نهفته است که اگر یک ولتاژ متناوب به الکترودهای مبدل اعمال شود، ارتعاشات مکانیکی در صفحه پیزوالکتریک ایجاد می شود که فرکانس آن (فرکانس تشدید) به ضخامت بستگی دارد. ساعتصفحه، مدول الاستیسیته Eو چگالی p مواد آن. هنگامی که چنین مبدلی به مدار رزونانس ژنراتور متصل می شود، فرکانس نوسانات الکتریکی تولید شده با فرکانس f p تعیین می شود. هنگام تغییر مقادیر h، Eیا p تحت تأثیر تأثیرات مکانیکی یا حرارتی، فرکانس / p تغییر می کند و بر این اساس، فرکانس نوسانات ایجاد شده تغییر می کند. این اصل برای تبدیل فشار، نیرو، دما و سایر کمیت ها به فرکانس استفاده می شود.

مبدل های گالوانیکی مبدل ها بر اساس وابستگی EMF مدار گالوانیکی به فعالیت شیمیایی یون های الکترولیت، یعنی بر غلظت یون ها و فرآیندهای ردوکس در الکترولیت هستند. از این مبدل ها برای تعیین واکنش محلول (اسیدی، خنثی، قلیایی) استفاده می شود که به فعالیت یون های هیدروژن در محلول بستگی دارد.

آب مقطر دارای رسانایی الکتریکی ضعیف اما کاملاً مشخص است که با یونیزاسیون آب توضیح داده می شود.فعالیت شیمیایی a برابر است با حاصلضرب غلظت معادل و ضریب فعالیت (گرایش به وحدت با رقت بی نهایت محلول).

اگر اسیدی که در حین تفکیک یون‌های H+ را تشکیل می‌دهد در آب حل شود، غلظت یون‌های H + در محلول بیشتر از آب خالص می‌شود و غلظت یون‌های OH به دلیل اتحاد مجدد مقداری کمتر می‌شود. از یون های H + با یون های OH.

بنابراین، واکنش پذیری یون های هیدروژن در یک محلول از ویژگی های واکنش محلول است. واکنش محلول به صورت عددی با لگاریتم منفی فعالیت یون های هیدروژن - مقدار pH مشخص می شود.برای آب مقطر، مقدار pH 7 واحد pH است.

محدوده تغییرات pH محلول های آبی در t = 22 درجه سانتیگراد 0-14 واحد pH است.

برای اندازه گیری pH از روشی مبتنی بر اندازه گیری پتانسیل الکترود (مرز) استفاده می شود.

اگر یک الکترود فلزی در محلولی حاوی یون‌های خود به همین نام غوطه‌ور شود، الکترود پتانسیل پیدا می‌کند. الکترود هیدروژن رفتار مشابهی دارد.

برای به دست آوردن پتانسیل الکترودی بین هیدروژن و محلول، داشتن یک الکترود به اصطلاح هیدروژن ضروری است. الکترود هیدروژنی را می توان با بهره گیری از خاصیت هیدروژن برای جذب روی سطح پلاتین، ایریدیم و پالادیوم ایجاد کرد. به طور معمول، الکترود هیدروژن یک الکترود پلاتین با پوشش مشکی پلاتین است که گاز هیدروژن به طور مداوم به آن عرضه می شود. پتانسیل چنین الکترودی به غلظت یون هیدروژن در محلول بستگی دارد.

اندازه گیری عملی قدر مطلق پتانسیل مرزی غیرممکن است. بنابراین، یک مبدل گالوانیکی همیشه از دو نیم سلول متصل الکتریکی به یکدیگر تشکیل شده است: یک نیم سلول کار (اندازه گیری) که محلول آزمایشی با الکترود است و یک نیم سلول مقایسه ای (کمکی) با پتانسیل مرزی ثابت. ، متشکل از یک الکترود و محلولی با غلظت ثابت. یک الکترود هیدروژن با غلظت ثابت نرمال یون های هیدروژن به عنوان یک نیم سلول مقایسه ای استفاده می شود. در اندازه گیری های صنعتی، از الکترود کالومل قیاسی راحت تری استفاده می شود.

برنج. 11-24. مبدل گالوانیکی

در شکل 11-24 یک فرستنده برای اندازه گیری غلظت یون های هیدروژن را نشان می دهد. الکترود کالومل به عنوان یک نیم سلول مقایسه ای عمل می کند. ظرف شیشه ای است 4, کف آن مقدار کمی جیوه و روی آن خمیر کلومل (Hg2Cb) قرار دارد. محلولی از کلرید پتاسیم (KC1) روی خمیر ریخته می شود. این پتانسیل در رابط کالومل - جیوه به وجود می آید. برای تماس با جیوه، یک الکترود پلاتین 5 به کف ظرف لحیم می شود. پتانسیل الکترود کالومل به غلظت جیوه در کالومل بستگی دارد و غلظت یون های جیوه نیز به نوبه خود به غلظت کلر بستگی دارد. یون های موجود در محلول کلرید پتاسیم

یک الکترود هیدروژن در محلول آزمایش غوطه ور می شود. هر دو نیم سلول توسط یک کلید الکترولیتی که یک لوله است به هم متصل می شوند 2, معمولاً با محلول اشباع KC1 پر می شود و با شاخه های نیمه تراوا بسته می شود 3. EMF چنین مبدل تابعی از pH است.

در دستگاه های صنعتی، به جای الکترودهای هیدروژن کار، از الکترودهای آنتیموان یا کوین هیدرون راحت تر استفاده می شود. به اصطلاح الکترودهای شیشه ای نیز بسیار مورد استفاده قرار می گیرند.

دستگاه های جبرانی عمدتاً برای اندازه گیری EMF مبدل های گالوانیکی استفاده می شوند. برای الکترودهای شیشه ای، مدار اندازه گیری باید مقاومت ورودی بالایی داشته باشد، زیرا مقاومت داخلی الکترودهای شیشه ای به 100-200 MΩ می رسد. هنگام اندازه‌گیری pH با مبدل‌های گالوانیکی، باید اصلاحاتی برای تأثیر دما انجام شود.

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 کاری ترموکوپل در سیم پیچ تعبیه شده است و اتصال آزاد در دمای محیط باقی می ماند.

جدول 15.1. مشخصات ترموکوپل

	تعیین	محدوده کاربرد، o C
مس - کوپل
Chromel - Copel
کروم - آلومل
رودیوم پلاتین (10٪ Rh) - پلاتین
پلاتین رودیوم (30% Rh ) - رودیوم پلاتین (6٪) Rh)
تنگستن (5% Re ) - تنگستن (20٪)دوباره)

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 الکتریکی، 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

مواد (مارک)		نقطه کوری، o C
باریم تیتانات (TB-1) تیتانات زیرکونات سرب (TsTS-19)	70.0x10 -12 119.0x10 -12

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

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 دمایی از -200 درجه سانتیگراد تا 0 درجه سانتیگراد به شکل زیر است:

Rt = R 0,

و در محدوده دمایی از 0 تا 630 درجه سانتیگراد

R t = R 0 [ 1+ در + Bt 2]،

جایی که R t، R 0- مقاومت هادی در دما تیو 0 درجه سانتیگراد؛ الف، ب،С - ضرایب؛ تی- درجه حرارت، درجه سانتی گراد.

در محدوده دما از 0 درجه سانتیگراد تا 180 درجه سانتیگراد، وابستگی مقاومت هادی به دما با فرمول تقریبی توصیف می شود.

R t = R 0 [ 1+ αt]،

جایی که α - ضریب دمایی مقاومت ماده هادی (TCR).

برای هادی های فلزی لخت α ≈ 6-10 -3 ... 4-10 -3 درجه -1.

اندازه گیری دما با دماسنج مقاومتی به اندازه گیری مقاومت آن کاهش می یابد R t, با انتقال بعدی به دما طبق فرمول ها یا جداول کالیبراسیون.

تمایز بین دماسنج های مقاومت سیمی و نیمه هادی. دماسنج مقاومت سیم یک سیم نازک ساخته شده از فلز خالص است که بر روی یک قاب ساخته شده از مواد مقاوم در برابر دما (عنصر حسگر) که در یک آرمیچر محافظ قرار داده شده است ثابت شده است (شکل 6.4).

شکل 6.4 - عنصر حسگر دماسنج مقاومتی

سرنخ های عنصر حسگر به سر دماسنج متصل می شوند. انتخاب برای ساخت دماسنج های مقاومتی سیم از فلزات خالص و نه آلیاژی به این دلیل است که TCR فلزات خالص بیشتر از آلیاژها است و بنابراین دماسنج های مبتنی بر فلزات خالص حساسیت بیشتری دارند.

این صنعت دماسنج های مقاومتی پلاتین، نیکل و مس را تولید می کند. برای اطمینان از قابلیت تعویض و کالیبراسیون یکنواخت دماسنج ها، مقادیر مقاومت آنها استاندارد شده است R 0و TCS

دماسنج های مقاومتی نیمه هادی (ترمیستورها) مهره ها، دیسک ها یا میله هایی هستند که از مواد نیمه هادی با سرب هایی برای اتصال به مدار اندازه گیری ساخته شده اند.

این صنعت به صورت سریالی انواع مختلفی از ترمیستورها را در طرح های مختلف تولید می کند.

ابعاد ترمیستورها، به عنوان یک قاعده، کوچک است - حدود چند میلی متر، و برخی از انواع آن دهم میلی متر است. برای محافظت در برابر آسیب های مکانیکی و قرار گرفتن در معرض محیط، ترمیستورها با پوشش های شیشه ای یا لعابی و همچنین پوشش های فلزی محافظت می شوند.

ترمیستورها معمولاً از واحدها تا صدها کیلو اهم مقاومت دارند. TCR آنها در محدوده دمای کارکرد مرتبه ای بالاتر از دماسنج های سیمی است. به عنوان موادی برای سیال کار ترمیستورها از مخلوط اکسیدهای نیکل، منگنز، مس، کبالت استفاده می شود که با یک چسب مخلوط شده، شکل مورد نیاز را به آن می بخشد و در دمای بالا متخلخل می شود. ترمیستورها برای اندازه گیری دما در محدوده 100- تا 300 درجه سانتیگراد استفاده می شوند. اینرسی ترمیستورها نسبتا کم است. معایب آنها شامل غیر خطی بودن وابستگی مقاومت به دما، عدم قابلیت تعویض به دلیل گسترش زیاد مقاومت اسمی و TCR و همچنین تغییر غیرقابل برگشت مقاومت در طول زمان است.

برای اندازه گیری در محدوده دمایی نزدیک به صفر مطلق، از دماسنج های نیمه هادی ژرمانیومی استفاده می شود.

اندازه گیری مقاومت الکتریکی دماسنج ها با استفاده از پل های AC و DC یا جبران کننده ها انجام می شود. یکی از ویژگی های اندازه گیری دماسنج محدودیت جریان اندازه گیری به منظور جلوگیری از گرمایش بدنه کار دماسنج است. برای دماسنج های مقاومت سیم، توصیه می شود جریان اندازه گیری را به گونه ای انتخاب کنید که توان تلف شده توسط دماسنج از 20 ... 50 میلی وات تجاوز نکند. اتلاف توان مجاز در ترمیستورها بسیار کمتر است و توصیه می شود برای هر ترمیستور به صورت آزمایشی تعیین شود.

مبدل های حساس به کرنش (کرنش سنج).

در عمل طراحی، اغلب اندازه گیری تنش ها و کرنش های مکانیکی در عناصر سازه ضروری است. رایج ترین مبدل های این مقادیر به سیگنال الکتریکی، گیج های فشار می باشند. عملکرد کرنش سنج ها بر اساس خاصیت فلزات و نیمه هادی ها برای تغییر مقاومت الکتریکی آنها تحت تأثیر نیروهای وارده به آنها است. ساده ترین کرنش سنج می تواند یک تکه سیم باشد که به شدت به سطح قسمت تغییر شکل یافته چسبیده است. کشش یا انقباض یک قطعه باعث انبساط یا انقباض متناسب سیم می شود که در نتیجه مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. در محدوده تغییر شکل های الاستیک، تغییر نسبی در مقاومت سیم با ازدیاد طول نسبی آن با نسبت:

ΔR / R = K T Δl / L،

جایی که ل, آر- طول اولیه و مقاومت سیم؛ Δl, ΔR- افزایش طول و مقاومت؛ K T- ضریب حساسیت کششی

مقدار ضریب کرنش سنج به خواص ماده ای که کرنش گیج از آن ساخته شده است و همچنین به روش اتصال کرنش گیج به محصول بستگی دارد. برای سیم های فلزی از فلزات مختلف K T = 1... 3,5.

تمایز بین گیج های کرنش سیم و نیمه هادی. برای ساخت گیج های فشار سیم، از موادی استفاده می شود که دارای ضریب کرنش سنج به اندازه کافی بالا و ضریب مقاومت دمای پایین هستند. متداول ترین ماده برای ساخت گیج های فشار سیم، سیم کانستانتان با قطر 20 ... 30 میکرون است.

از نظر ساختاری، گیج های فشار سیم شبکه ای متشکل از چندین حلقه سیمی هستند که روی یک کاغذ نازک (یا دیگر) زیرلایه چسبانده شده اند (شکل 6.5). بسته به مواد بستر، کرنش سنج ها می توانند در دماهای 40- تا 400+ درجه سانتیگراد کار کنند.

شکل 6.5 - کرنش سنج

طرح‌هایی از کرنش‌سنج‌ها وجود دارد که با سیمان به سطح قطعات متصل شده‌اند که می‌توانند در دماهای تا 800 درجه سانتیگراد کار کنند.

ویژگی اصلی کرنش سنج ها مقاومت اسمی است آر، پایه لو ضریب گیج K Tاین صنعت طیف وسیعی از کرنش سنج ها را با اندازه پایه از 5 تا 30 میلی متر، مقاومت های اسمی از 50 تا 2000 اهم، با ضریب کرنش سنج 0.2 ± 2 تولید می کند.

توسعه بیشتر کرنش سنج های سیم، گیج های فشاری فویل و فیلم هستند که عنصر حساس آن شبکه ای از نوارهای فویل یا نازک ترین لایه فلزی است که روی بسترهای مبتنی بر لاک اعمال می شود.

کرنش سنج ها بر اساس مواد نیمه هادی ساخته می شوند. اثر کرنش در ژرمانیوم، سیلیکون و سایرین بارزتر است.تفاوت اصلی بین گیج های کرنش نیمه هادی و کرنش سنج های سیمی، تغییر بزرگ (تا 50 درصد) در مقاومت در هنگام تغییر شکل به دلیل مقدار زیاد ضریب کرنش گیج است.

مبدل های القایی

مبدل های القایی برای اندازه گیری جابجایی ها، ابعاد، انحرافات در شکل و محل سطوح استفاده می شوند. مبدل از یک سلف ثابت با یک هسته مغناطیسی و یک آرمیچر تشکیل شده است که همچنین بخشی از مدار مغناطیسی است که نسبت به سلف حرکت می کند. برای به دست آوردن بالاترین اندوکتانس ممکن، هسته مغناطیسی سیم پیچ و آرمیچر از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است. هنگامی که آرمیچر حرکت می کند (مثلاً با پروب دستگاه اندازه گیری متصل می شود) اندوکتانس سیم پیچ تغییر می کند و بنابراین جریان جاری در سیم پیچ تغییر می کند. شکل 6.6 نمودار مبدل های القایی با شکاف هوای متغیر را نشان می دهد. δ (شکل 6.6 آ) برای اندازه گیری جابجایی در 0.01 ... 10 میلی متر استفاده می شود. با مساحت شکاف هوایی متغیر S 0(شکل 6.6 ب) در محدوده 5 ... 20 میلی متر استفاده می شود.

شکل 6.6 - مبدل های جابجایی القایی

6.2. تقویت کننده های عملیاتی

تقویت کننده عملیاتی(OA) یک تقویت کننده دیفرانسیل DC با بهره بسیار بالا است. برای تقویت کننده ولتاژ، تابع انتقال (بهره) با عبارت تعیین می شود

برای ساده سازی محاسبات طراحی، فرض می شود که یک آپ امپ ایده آل دارای ویژگی های زیر است:

1 بهره حلقه باز بی نهایت است.

2 امپدانس ورودی R dبرابر است با بی نهایت

3 امپدانس خروجی R o = 0.

4 پهنای باند بی نهایت است.

5 V o= 0 برای V 1 = V 2(بدون ولتاژ افست صفر). آخرین ویژگی بسیار مهم است. زیرا V1-V2 = Vo / Aسپس اگر Voدارای یک مقدار محدود است و ضریب A بی نهایت بزرگ است (مقدار معمولی 100000) خواهیم داشت

V 1 - V 2= 0 و V 1 = V 2.

از آنجایی که امپدانس ورودی برای سیگنال دیفرانسیل برابر است با ( V 1 - V 2) نیز بسیار بزرگ است، سپس جریان از طریق R dاین دو فرض طراحی مدارها را روی یک آپ امپ بسیار ساده می کند.

قانون 1. هنگامی که op-amp در ناحیه خطی کار می کند، ولتاژهای مشابهی روی دو ورودی آن اعمال می شود.

قانون 2. جریان ورودی برای هر دو ورودی op-amp صفر است.

بلوک های مدار اصلی را روی یک آپ امپ در نظر بگیرید. در اکثر این مدارها، op-amp در یک پیکربندی حلقه بسته استفاده می شود.

6.2.1. تقویت کننده با بهره واحد (تکرار کننده ولتاژ)

اگر یک تقویت کننده غیر معکوس قرار دهید ریبرابر بی نهایت، الف RFبرابر با صفر است، سپس به طرح نشان داده شده در شکل 6.7 می رسیم.

شکل 6.7 - پیرو ولتاژ

طبق قانون 1، ولتاژ ورودی نیز بر روی ورودی معکوس کننده op-amp تأثیر می گذارد. V i، که مستقیماً به خروجی مدار منتقل می شود. از این رو، V o = V i، و ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی پیروی می کند (تکرار می کند). با بسیاری از مبدل های آنالوگ به دیجیتال، امپدانس ورودی به مقدار سیگنال ورودی یکسان بستگی دارد. یک دنبال کننده ولتاژ تضمین می کند که مقاومت ورودی ثابت است.

6.2.2. جمع کننده ها

یک تقویت کننده معکوس می تواند ولتاژهای ورودی متعددی را اضافه کند. هر ورودی جمع کننده از طریق یک مقاومت وزنی به ورودی معکوس op-amp متصل می شود. ورودی معکوس گره جمع نامیده می شود زیرا تمام جریان های ورودی و بازخورد در اینجا جمع می شوند. نمودار شماتیک اصلی تقویت کننده جمع در شکل 6.8 نشان داده شده است.

همانطور که در یک تقویت کننده معکوس معمولی، ولتاژ در ورودی معکوس باید صفر باشد، بنابراین جریان وارد شده به op-amp نیز صفر است. به این ترتیب،

شکل 6.8 - نمودار شماتیک پایه یک تقویت کننده جمع

از آنجایی که ولتاژ صفر روی ورودی معکوس عمل می کند، پس از تعویض های مناسب، به دست می آوریم:

مقاومت RFبهره کلی مدار را تعیین می کند. مقاومت ها آر 1 , آر 2 ,...R nمقادیر فاکتورهای وزنی و مقاومت های ورودی کانال های مربوطه را تنظیم کنید.

6.2.3. ادغام کننده ها

یکپارچه ساز یک مدار الکترونیکی است که یک سیگنال خروجی متناسب با انتگرال (در طول زمان) سیگنال ورودی تولید می کند.

شکل 6.9 - نمودار شماتیک یکپارچه ساز آنالوگ

شکل 6.9 یک نمودار شماتیک از یک انتگرالگر آنالوگ ساده را نشان می دهد. یک خروجی انتگرالگر به گره جمع و دیگری به خروجی انتگرالگر متصل است. بنابراین، ولتاژ دو سوی خازن، ولتاژ خروجی نیز می باشد. سیگنال خروجی یکپارچه ساز را نمی توان با یک رابطه جبری ساده توصیف کرد، زیرا برای یک ولتاژ ورودی ثابت، ولتاژ خروجی با نرخ تعیین شده توسط پارامترها تغییر می کند. V i, آرو با... بنابراین، برای پیدا کردن ولتاژ خروجی، باید مدت زمان سیگنال ورودی را بدانید. ولتاژ خازن تخلیه شده اولیه:

جایی که من f- از طریق یک خازن و تی من- زمان ادغام برای مثبت V iما داریم من f = V i / R... تا جایی که من f = من منسپس، با در نظر گرفتن وارونگی سیگنال، دریافت می کنیم:

از این رابطه بر می آید که V oتوسط انتگرال (با علامت مخالف) ولتاژ ورودی در محدوده 0 تا تعیین می شود. تی منضرب در ضریب مقیاس 1 / RС... ولتاژ V icآیا ولتاژ دو طرف خازن در لحظه اولیه زمان ( تی = 0).

6.2.4. متمایز کننده ها

دیفرانسیل یک سیگنال خروجی متناسب با نرخ تغییر سیگنال ورودی در طول زمان تولید می کند. شکل 6.10 یک نمودار شماتیک از یک متمایز کننده ساده را نشان می دهد.

شکل 6.10 - نمودار شماتیک متمایز کننده

جریان عبوری از خازن:

اگر مشتق dV i / dtمثبت، جاری من مندر جهتی جریان می یابد که ولتاژ خروجی منفی تولید می شود V o... به این ترتیب،

این روش تمایز سیگنال ساده به نظر می رسد، اما در اجرای عملی آن مشکلاتی برای اطمینان از پایداری مدار در فرکانس های بالا وجود دارد. هر آپ امپ برای استفاده در دیفرانسیل مناسب نیست. معیار انتخاب عملکرد آپ امپ است: شما باید یک آپ امپ با حداکثر سرعت حرکت بالا و محصول با پهنای باند بالا انتخاب کنید. آپ امپ های پرسرعت در ترانزیستورهای اثر میدانی در دیفرانسیل ها به خوبی کار می کنند.

6.2.5. مقایسه کننده ها

مقایسه کننده یک مدار الکترونیکی است که دو ولتاژ ورودی را با هم مقایسه می کند و بر اساس وضعیت ورودی ها خروجی تولید می کند. نمودار شماتیک اصلی مقایسه کننده در شکل 6.11 نشان داده شده است.

شکل 6.11 - نمودار شماتیک مقایسه کننده

همانطور که می بینید، در اینجا op-amp با یک حلقه بازخورد باز کار می کند. یک ولتاژ مرجع به یکی از ورودی های آن اعمال می شود و یک ولتاژ ناشناخته (مقایسه شده) به دیگری اعمال می شود. خروجی مقایسه کننده نشان می دهد که ورودی مجهول بالاتر یا پایین تر از ولتاژ مرجع است. در مدار شکل 6.11، ولتاژ مرجع وی آربه ورودی غیر معکوس تغذیه می شود و یک سیگنال ناشناخته به ورودی معکوس تغذیه می شود V i.

در V i > وی آرولتاژ در خروجی مقایسه کننده تنظیم می شود V 0=-V r(ولتاژ اشباع منفی). در غیر این صورت، می گیریم V 0 = +وی آر... می توانید موقعیت ورودی ها را عوض کنید - این منجر به وارونگی سیگنال خروجی می شود.

6.3. سوئیچینگ سیگنال اندازه گیری

در فناوری اطلاعات و اندازه گیری، هنگام اجرای تبدیل های اندازه گیری آنالوگ، اغلب لازم است که اتصالات الکتریکی بین دو یا چند نقطه از مدار اندازه گیری انجام شود تا فرآیند گذرا لازم، اتلاف انرژی ذخیره شده توسط عنصر راکتیو (مثلاً ، یک خازن را تخلیه کنید)، منبع تغذیه مدار اندازه گیری را وصل کنید، حافظه سلول آنالوگ را روشن کنید، از یک فرآیند پیوسته در حین نمونه برداری نمونه برداری کنید و غیره. علاوه بر این، بسیاری از ابزارهای اندازه گیری، تبدیل های اندازه گیری را به صورت متوالی بر روی تعداد زیادی از کمیت های الکتریکی توزیع شده در فضا انجام می دهند. برای اجرای موارد فوق از کلیدهای اندازه گیری و کلیدهای اندازه گیری استفاده می شود.

سوئیچ اندازه گیریدستگاهی نامیده می‌شود که سیگنال‌های آنالوگ جدا شده از نظر مکانی را به سیگنال‌های جدا شده در زمان تبدیل می‌کند و بالعکس.

سوئیچ های اندازه گیری برای سیگنال های آنالوگ با پارامترهای زیر مشخص می شوند:

- محدوده دینامیکی مقادیر جابجایی؛ خطای ضریب انتقال؛

سرعت (فرکانس سوئیچینگ و یا زمان مورد نیاز برای انجام یک عملیات سوئیچینگ)؛ تعداد سیگنال های سوئیچ شده؛

حداکثر تعداد سوئیچینگ (برای کلیدهای دارای کلیدهای اندازه گیری تماسی) .

بسته به نوع کلیدهای اندازه گیری مورد استفاده در سوئیچ، مخاطبو بدون تماسسوئیچ ها سوئیچ اندازه گیری یک دستگاه دو ترمینالی با غیرخطی بودن مشخصه ولتاژ جریان است. انتقال یک کلید از یک حالت (بسته) به حالت دیگر (باز) با استفاده از یک عنصر کنترل انجام می شود.

6.4. تبدیل آنالوگ به دیجیتال

تبدیل آنالوگ به دیجیتال بخشی جدایی ناپذیر از روش اندازه گیری است. در دستگاه‌های نشان‌دهنده، این عملیات با خواندن نتیجه عددی توسط آزمایشگر مطابقت دارد. در ابزارهای اندازه گیری دیجیتال و پردازنده، تبدیل آنالوگ به دیجیتال به صورت خودکار انجام می شود و نتیجه یا مستقیماً به نمایشگر می رود یا برای انجام تبدیل های اندازه گیری بعدی به صورت عددی وارد پردازنده می شود.

روش‌های تبدیل آنالوگ به دیجیتال در اندازه‌گیری‌ها به طور عمیق و کامل توسعه داده می‌شوند و به نمایش مقادیر لحظه‌ای عمل ورودی در نقاط ثابت زمان توسط ترکیب کد مربوطه (تعداد) کاهش می‌یابند. مبنای فیزیکی تبدیل آنالوگ به دیجیتال، راه اندازی و مقایسه با سطوح مرجع ثابت است. گسترده ترین ADC های کدگذاری بیت به بیت، شمارش متوالی، تعادل ردیابی و برخی دیگر هستند. مسائل مربوط به روش‌شناسی تبدیل آنالوگ به دیجیتال که با روند توسعه ADC و اندازه‌گیری‌های دیجیتال در سال‌های آینده مرتبط است، به ویژه شامل موارد زیر است:

از بین بردن ابهام خواندن در پرسرعت ترین ADC های مقایسه ای که با توسعه فناوری انتگرال گسترده تر می شوند.

دستیابی به تحمل خطا و بهبود ویژگی های مترولوژیکی ADC بر اساس سیستم اعداد فیبوناچی زائد.

کاربرد تبدیل آنالوگ به دیجیتال روش آزمون آماری.

6.4.1 مبدل های دیجیتال، آنالوگ و آنالوگ به دیجیتال

مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC) و مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های کنترل اتوماتیک و کنترل تنظیم هستند. علاوه بر این، از آنجایی که اکثریت قریب به اتفاق مقادیر فیزیکی اندازه گیری شده آنالوگ هستند و پردازش، نشان دادن و ثبت آنها، به عنوان یک قاعده، با روش های دیجیتال انجام می شود، DAC و ADC به طور گسترده در ابزار اندازه گیری خودکار استفاده می شوند. بنابراین، DAC و ADC بخشی از ابزار اندازه گیری دیجیتال (ولت متر، اسیلوسکوپ، آنالایزر طیف، همبسته و غیره)، منابع تغذیه قابل برنامه ریزی، نمایشگر روی لوله های پرتوی کاتدی، پلاترها، سیستم های رادار، تاسیسات مانیتورینگ عناصر و ریزمدارها، اجزای مهم هستند. مبدل ها و ژنراتورهای مختلف، دستگاه های ورودی-خروجی برای اطلاعات کامپیوتری. چشم انداز گسترده ای برای استفاده از DAC و ADC در تله متری و تلویزیون در حال باز شدن است. تولید سریال‌های DAC و ADC با اندازه کوچک و نسبتا ارزان، استفاده گسترده‌تر از روش‌های تبدیل پیوسته گسسته را در علم و فناوری ممکن می‌سازد.

وجود دارد سهانواع اجرای فناورانه سازنده DAC و ADC: مدولار, ترکیبیو انتگرال.

در عین حال، سهم تولید مدارهای مجتمع (PS) DAC و ADC در حجم کل خروجی آنها به طور مداوم در حال افزایش است که استفاده گسترده از ریزپردازنده ها و روش های پردازش داده های دیجیتال تا حد زیادی تسهیل می شود.

DAC- دستگاهی که یک سیگنال آنالوگ (ولتاژ یا جریان) در خروجی، متناسب با سیگنال دیجیتال ورودی ایجاد می کند. در این حالت، مقدار سیگنال خروجی به مقدار ولتاژ مرجع بستگی دارد U درکه مقیاس کامل سیگنال خروجی را مشخص می کند. اگر از هر سیگنال آنالوگ به عنوان ولتاژ مرجع استفاده کنید، سیگنال خروجی DAC متناسب با حاصلضرب سیگنال های دیجیتال و آنالوگ ورودی خواهد بود. در یک ADC، کد خروجی دیجیتال با نسبت سیگنال ورودی آنالوگ تبدیل شده به سیگنال مرجع در مقیاس کامل تعیین می شود. این رابطه همچنین در صورت تغییر سیگنال مرجع مطابق با برخی از قوانین انجام می شود. یک ADC را می توان به عنوان یک نسبت متر یا تقسیم کننده ولتاژ با خروجی دیجیتال در نظر گرفت.

6.4.2. اصول عملکرد، عناصر اساسی و بلوک دیاگرام های ADC

در حال حاضر، تعداد زیادی از انواع ADC برای برآوردن انواع نیازها توسعه یافته است. در برخی موارد، نیاز غالب دقت بالا است، در برخی دیگر - سرعت تبدیل.

با توجه به اصل عملکرد، تمام انواع ADC های موجود را می توان به دو گروه تقسیم کرد:

ü ADC با مقایسه سیگنال تبدیل شده ورودی با سطوح ولتاژ گسسته.

ü ADC از نوع یکپارچه سازی.

در یک ADC که سیگنال ورودی در حال تبدیل با سطوح ولتاژ گسسته را مقایسه می کند، از یک فرآیند تبدیل استفاده می شود که ماهیت آن تولید ولتاژی با سطوحی معادل کدهای دیجیتال مربوطه و مقایسه این سطوح ولتاژ با ولتاژ ورودی به منظور تعیین است. معادل دیجیتالی سیگنال ورودی در این حالت، سطوح ولتاژ را می توان به طور همزمان، متوالی یا به صورت ترکیبی تشکیل داد.

ADC دندانه اره ای گام به گام یکی از ساده ترین مبدل ها است (شکل 6.12).

شکل 6.12 - بلوک دیاگرام ADC شمارش متوالی

CC - طرح مقایسه؛ Сч - شمارنده ضربه؛ RP - ثبت حافظه؛ DAC یک مبدل دیجیتال به آنالوگ است.

در سیگنال "شروع"، شمارنده در حالت صفر تنظیم می شود، پس از آن، به عنوان پالس ساعت با فرکانس f Tولتاژ خروجی DAC به صورت مرحله ای خطی افزایش می یابد. با رسیدن به ولتاژ Uخارج کردن ارزش ها Uمدار مقایسه ورودی شمارش پالس ها را در شمارنده متوقف می کند با h و کد خروجی دومی در رجیستر حافظه وارد می شود. عرض بیت و وضوح چنین ADC هایی با عمق بیت و وضوح DAC استفاده شده در آن تعیین می شود. زمان تبدیل به سطح ولتاژ تبدیل شده ورودی بستگی دارد. برای ولتاژ ورودی مربوط به مقدار مقیاس کامل، با h باید پر شود و در همان زمان باید یک کد کامل در ورودی DAC تشکیل دهد. این نیاز به یک زمان تبدیل DAC 11 بیتی به (2 n-1) برابر دوره ساعت. برای تبدیل سریع آنالوگ به دیجیتال، استفاده از چنین ADC غیرعملی است.

در ADC ردیابی (شکل 6.13)، جمع با h با یک شمارنده برگشت پذیر جایگزین شده است RS h برای ردیابی تغییر ولتاژ ورودی. سیگنال خروجی KN بسته به اینکه ولتاژ ورودی ADC از ولتاژ خروجی DAC بیشتر باشد یا خیر، جهت شمارش را تعیین می کند.

شکل 6.13 - بلوک دیاگرام نوع ردیابی ADC

قبل از شروع اندازه گیری RS h به حالت مربوط به وسط مقیاس (01 ... 1) تنظیم می شود. اولین چرخه تبدیل ADC ردیابی مشابه چرخه تبدیل در یک دنباله ADC است. در آینده، چرخه های تبدیل به طور قابل توجهی کاهش می یابد، زیرا این ADC قادر است انحرافات کوچک سیگنال ورودی را برای چندین دوره ساعت ردیابی کند، و تعداد پالس های ثبت شده را افزایش یا کاهش می دهد. RS h، بسته به علامت اختلاف بین مقدار فعلی ولتاژ تبدیل شده Uولتاژ ورودی و خروجی DAC

ADCهای تقریب متوالی (تعادل بیتی) به دلیل اجرای نسبتاً ساده خود بیشترین کاربرد را پیدا کرده اند، در حالی که همزمان از وضوح، دقت و سرعت بالا اطمینان می دهند، سرعت کمی کمتر، اما وضوح قابل توجهی بالاتر در مقایسه با ADCهایی دارند که روش تبدیل موازی را اجرا می کنند. (شکل 6.14).

برای افزایش سرعت عملکرد، یک توزیع کننده پالس RI و یک ثبت تقریب متوالی به عنوان یک دستگاه کنترل استفاده می شود. مقایسه ولتاژ ورودی با مرجع (ولتاژ بازخورد DAC) با شروع از مقدار مربوط به مهم ترین بیت کد باینری تولید شده انجام می شود.

هنگامی که ADC با کمک RI شروع می شود، RPP به حالت اولیه خود تنظیم می شود: 1000 ... 0. در این حالت، یک ولتاژ مربوط به نیمی از محدوده تبدیل در خروجی DAC تشکیل می شود که با روشن کردن مهم ترین بیت آن تضمین می شود.

شکل 6.14 - بلوک دیاگرام تعادل بیتی ADC

SS - مدار مقایسه: T - فلیپ فلاپ، RPP - ثبت تقریب متوالی. RI - توزیع کننده ضربه.

اگر سیگنال ورودی کمتر از سیگنال DAC باشد، کد 0100 ... 0 در ورودی های دیجیتال DAC در چرخه بعدی با کمک RPP در ورودی های دیجیتال DAC تولید می شود که مطابق با گنجاندن دومین بیت مهم. در نتیجه خروجی DAC نصف می شود.

اگر سیگنال ورودی از سیگنال DAC بیشتر شود، در چرخه بعدی، کد 0110 ... 0 در ورودی های دیجیتال DAC تولید می شود و یک بیت 3 اضافی روشن می شود. در این حالت ولتاژ خروجی DAC که یک و نیم برابر افزایش یافته است مجدداً با ولتاژ ورودی و غیره مقایسه می شود. روش توصیف شده تکرار می شود nبارها (جایی که nتعداد بیت های ADC است).

در نتیجه، ولتاژی در خروجی DAC تولید می‌شود که با ولتاژ ورودی بیش از یک بیت مهم DAC تفاوت ندارد. نتیجه تبدیل از خروجی RPP گرفته می شود.

مزیت این طرح امکان ساخت مبدل های چند بیتی (تا 12 بیت و بالاتر) با سرعت نسبتا بالا (با زمان تبدیل مرتبه چند صد نانوثانیه) است.

در ADC بازخوانی مستقیم (نوع موازی) (شکل 6.15)، سیگنال ورودی به طور همزمان به ورودی های تمام SC اعمال می شود. تیکه با ظرفیت ADC تعیین می شود و برابر است با متر = 2n-1، کجا n- تعداد بیت های ADC. در هر SC، سیگنال با یک ولتاژ مرجع مطابق با وزن یک دسته خاص مقایسه می شود و از گره های تقسیم کننده مقاومت تغذیه شده توسط ION گرفته می شود.

سیگنال های خروجی KH توسط یک رمزگشای منطقی پردازش می شود که یک کد موازی تولید می کند که معادل دیجیتال ولتاژ ورودی است. چنین ADCهایی بالاترین سرعت را دارند. عیب چنین ADC هایی این است که با افزایش عمق بیت، تعداد عناصر مورد نیاز عملا دو برابر می شود که ساخت ADC های چند بیتی از این نوع را دشوار می کند. دقت تبدیل توسط دقت و پایداری CV و تقسیم‌کننده مقاومت محدود می‌شود. برای افزایش عمق بیت در سرعت بالا، ADC های دو مرحله ای پیاده سازی می شوند، در حالی که بیت های مرتبه پایین کد خروجی از خروجی های مرحله دوم DS حذف می شوند و بیت های مرتبه بالا از خروجی ها حذف می شوند. از DS مرحله اول.

شکل 6.15 - بلوک دیاگرام یک ADC موازی

ADC با مدولاسیون عرض پالس(ادغام تک چرخه)

ADC با این واقعیت مشخص می شود که سطح سیگنال ورودی آنالوگ است Uورودی به یک پالس تبدیل می شود که مدت زمان آن است تی imp تابعی از مقدار سیگنال ورودی است و با شمارش تعداد دوره های فرکانس مرجع که بین شروع و پایان پالس متناسب است، دیجیتالی می شود. ولتاژ خروجی یکپارچه ساز تحت عمل اتصال به ورودی آن U درتغییر از سطح صفر با نرخ:

در لحظه ای که ولتاژ خروجی یکپارچه ساز برابر با ورودی می شود Uدر، KN راه اندازی می شود، در نتیجه شکل گیری مدت زمان پالس به پایان می رسد، که طی آن تعداد دوره های فرکانس مرجع در شمارنده های ADC شمارش می شود.

مدت زمان پالس بر اساس زمانی که ولتاژ در آن طول می کشد تعیین می شود Uدر تغییرات از سطح صفر به Uکه در:

مزیت این مبدل در سادگی آن است، در حالی که معایب آن سرعت نسبتا کم و دقت پایین است.

شکل 6.15 - بلوک دیاگرام یک ADC یکپارچه کننده تک چرخه

سوالاتی برای کنترل جذب دانش:

1 چه اصول فیزیکی در مبدل های اولیه استفاده می شود؟

2 چگونه IP با توجه به نوع مقدار اندازه گیری شده طبقه بندی می شود؟

3 معیار اصلی برای تطبیق مبدل های اولیه با هدف اندازه گیری.

4 ساختار IP، اصول عملیات، عملکرد تبدیل و ویژگی های برنامه.

5 بلوک های مدار اصلی تقویت کننده های عملیاتی (تقویت کننده های معکوس و غیر معکوس، تکرار کننده های ولتاژ و غیره) را توضیح دهید.

6 ویژگی های مترولوژیک ماشین حساب های آنالوگ (جمع کننده ها، یکپارچه سازها، متمایز کننده ها) چیست؟

7 کلیدهای اندازه گیری، مشخصات آنها، مدارهای معادل، نامگذاری در نمودار مدار.

8 پیاده سازی تبدیل آنالوگ به دیجیتال در ADC شمارش متوالی.

9 اصل عملیات. عناصر اساسی، بلوک دیاگرام ها و ویژگی های ADC و DAC.

مبحث 18

مبدل های اندازه گیری (حسگرها)

هیچ سیستم کنترلی نمی تواند بدون اطلاعاتی در مورد وضعیت شی کنترل و پاسخ آن به کنش کنترل عمل کند. عنصری از سیستم ها که چنین اطلاعاتی را ارائه می دهد سنسور مبدل اندازه گیری .

تعداد انواع حسگرها به طور قابل توجهی از تعداد کمیت های اندازه گیری شده بیشتر است، زیرا کمیت فیزیکی یکسان را می توان با روش های مختلف و سنسورهای طرح های مختلف اندازه گیری کرد.

اکثر سنسورها با اندازه گیری الکتریکی نه تنها مقادیر الکتریکی و مغناطیسی، بلکه سایر کمیت های فیزیکی مشخص می شوند. این رویکرد به دلیل مزایای اندازه گیری الکتریکی است، با توجه به اینکه سیگنال های الکتریکی را می توان به راحتی و به سرعت در فواصل طولانی منتقل کرد، کمیت های الکتریکی به راحتی، سریع و دقیق به کد دیجیتال تبدیل می شوند و دقت و حساسیت بالایی را تضمین می کنند.

بسیاری از ویژگی ها را می توان به عنوان ویژگی های طبقه بندی سنسورها در نظر گرفت: شکل تابع تبدیل. نوع مقدار ورودی و خروجی؛ اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد؛ عملکرد سازنده

با توجه به نوع انرژی مصرفی، سنسورها را می توان به الکتریکی، مکانیکی، پنوماتیکی و هیدرولیکی تقسیم کرد. بسته به نوع سیگنال خروجی: آنالوگ، گسسته، رله، با سیگنال خروجی طبیعی یا یکپارچه.

با ماهیت تبدیل مقدار ورودی به خروجی: پارامتریک، ژنراتور، فرکانس، فاز.

بر اساس نوع کمیت فیزیکی اندازه گیری شده: جابجایی های خطی و زاویه ای، فشار، دما، غلظت مواد و غیره.

اصل عملکرد مبدل های پارامتریک تبدیل مقادیر ورودی غیر الکتریکی به پارامترهای مدارهای الکتریکی است: مقاومت. آر، اندوکتانس L، ظرفیت با، اندوکتانس متقابل م... برای تغذیه این مبدل ها به منابع تغذیه خارجی نیاز است. این سنسورها عبارتند از: مبدل های مقاومتی، القایی، ترانسفورماتور، خازنی.

مبدل های ژنراتور مقادیر ورودی را به EMF تبدیل می کنند. آنها به انرژی از منابع انرژی اضافی نیاز ندارند.

این مبدل های القایی، ترموالکتریک، پیزوالکتریک، فوتوالکتریک هستند.

مبدل های فاز و فرکانس می توانند هم پارامتریک و هم ژنراتور باشند.

رئوستات - ساخته شده به شکل یک رئوستات، که تماس متحرک آن تحت تأثیر مقدار اندازه گیری ورودی حرکت می کند. بیشتر اوقات ، یک سنسور رئوستات طبق مدار پتانسیومتر در سیستم اندازه گیری گنجانده می شود ، آنها گاهی اوقات سنسورهای پتانسیومتری نامیده می شوند.

مقدار خروجی سنسور مقاومت الکتریکی است که از نظر عملکردی با موقعیت تماس متحرک مرتبط است. چنین حسگرهایی برای تبدیل جابجایی های زاویه ای یا غیر خطی به تغییر متناظر در مقاومت، جریان، ولتاژ استفاده می شوند.

آنها همچنین می توانند برای اندازه گیری فشار، جریان، سطح استفاده شوند. آنها همچنین اغلب به عنوان مبدل های میانی مقادیر غیر الکتریکی به الکتریکی استفاده می شوند.

در دستگاه های اتوماسیون، مبدل های رئوستات سیمی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند که با دقت و پایداری بالا در عملکرد تبدیل متمایز می شوند و دارای ضریب مقاومت دمای پایین (TCR) هستند.

از معایب آن می توان به وضوح کم، مقاومت نسبتاً کم (تا ده ها کیلو اهم)، استفاده محدود در جریان متناوب به دلیل اندوکتانس باقی مانده و ظرفیت سیم پیچی اشاره کرد.

سیم پیچ با چرخش سیم عایق به چرخش یا با زمین معین انجام می شود. کنستانتان، منگنین به عنوان سیم استفاده می شود.

این نوع سنسور به علامت سیگنال ورودی واکنش نشان نمی‌دهد، هم بر روی جریان مستقیم و هم با جریان متناوب کار می‌کند.

استرین سنج... کار آنها بر اساس اثر کرنش است که شامل تغییر مقاومت فعال مواد رسانا و نیمه رسانا در طول تغییر شکل مکانیکی آنها است.

مشخصه اثر کرنش ماده، ضریب کرنش سنج است به t، به عنوان نسبت تغییر مقاومت به تغییر در طول هادی تعریف می شود

کنستانتان - به t = 2

نیکروم - به t = 2.2

کروم - به t = 2.5

کرنش سنج ها برای اندازه گیری فشار مایعات و گازها، هنگام اندازه گیری تغییر شکل های الاستیک مواد استفاده می شود: فشار خمشی، پیچش.

فلزات با TCR پایین می توانند به عنوان یک ماده مقاوم در برابر تنش استفاده شوند: منگنین، کنستانتان، نیکروم، جیوه، آلیاژهای با دمای بالا، مواد نیمه رسانا: ژرمانیوم، سیلیکون. رایج ترین آنها کرنش سنج های فلزی هستند. آنها به سیم و فویل تقسیم می شوند که دومی کامل تر است.

مبدل های زغال سنگ.اصل عملکرد آنها بر اساس تغییر در مقاومت تماس بین ذرات زغال سنگ با تغییر فشار است. آنها برای اندازه گیری تلاش ها، فشارها، جابجایی های کوچک استفاده می شوند. بین ستون های زغال سنگ و تنزولیت ها تمایز قائل شوید.

اولی مجموعه ای از 10-15 واشر زمینی ساخته شده از کربن الکترود است.

ویژگی مبدل کربن غیر خطی است، دارای حساسیت متغیر است. ناپایدار در عملیات، ویژگی ها به دما و رطوبت محیط، کیفیت آماده سازی سطح بستگی دارد.

دومی از نظر اندازه و وزن کوچک هستند. آنها برای اندازه گیری تنش های متحرک و ضربه ای در قطعات متحرک با اندازه کوچک استفاده می شوند، در حالی که هم در کشش و هم در فشار کار می کنند. ضریب حساسیت مبدل‌های تانسولیت بیشتر از ضریب حساسیت سنج‌های کرنش است و به= 15 ¸ 20.

این به شکل نوارهای متشکل از مخلوطی از گرافیت، کربن سیاه، لاک باکلیت و سایر اجزاء ساخته شده است. این نوارها به قطعه آزمایش چسبانده می شوند.

مبدل های مقاومتی، با وجود معایب ذاتی خود، هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

مبدل های خازنی... اصل عملکرد مبتنی بر تغییر ظرفیت خازن تحت تأثیر مقدار تبدیل شده ورودی است.

که در آن e ثابت دی الکتریک نسبی دی الکتریک است. e 0 - ثابت دی الکتریک خلاء. اس- منطقه بشقاب؛ d ضخامت دی الکتریک یا فاصله بین صفحات است.

سنسورهای خازنی برای اندازه گیری جابجایی های زاویه ای و خطی، ابعاد خطی، سطح، نیروها، غلظت رطوبت و غیره استفاده می شوند.

در حسگرهای خازنی صفحه موازی، صفحه همپوشانی تغییر می کند اس(منطقه همپوشانی متغیر) مشخصه استاتیکی خطی است.

در مبدل های خازنی با شکاف هوای متغیر، مشخصه غیر خطی است.

مبدل ها و تغییرات رسانایی دی الکتریک محیط بین الکترودها به طور گسترده برای اندازه گیری سطح مواد مایع و توده، تجزیه و تحلیل ترکیب و غلظت مواد در صنایع شیمیایی، پالایش نفت، برای شمارش محصولات و هشدارهای سارق استفاده می شود. آنها یک مشخصه استاتیکی خطی دارند.

ظرفیت مبدل های اندازه گیری، بسته به ویژگی های طراحی، از دهم تا چند هزار پیکو فاراد است که منجر به نیاز به استفاده از افزایش فرکانس هرتز برای تغذیه سنسورهای ولتاژ می شود.

این یک نقطه ضعف قابل توجه چنین مبدل هایی است.

خواص دی الکتریک یک محیط گاهی اوقات توسط دما یا تنش مکانیکی تغییر می کند. از این افکت ها برای ایجاد مبدل های مناسب نیز استفاده می شود.

تغییر در نفوذپذیری تحت تأثیر دما با بیان توصیف می شود

,

که در آن e t ثابت دی الکتریک ماده در یک دما است تی; e 0 - ثابت دی الکتریک در دما تی 0; الف - ضریب دما؛ ...

وابستگی e به نیروی وارد شده به آن شکل مشابهی دارد آر

,

حساسیت ماده به تغییر نسبی ثابت دی الکتریک کجاست

.

هر چه فاصله d بین الکترودها کمتر باشد، ظرفیت اولیه مبدل ها بیشتر می شود. با این حال، کاهش شکاف توسط قدرت دی الکتریک محیط بین الکترود و وجود نیروی جاذبه الکترواستاتیک صفحات محدود می شود.

خطاهای مبدل های خازنی عمدتاً با تأثیر دما و رطوبت بر ابعاد هندسی و ثابت دی الکتریک محیط تعیین می شود. آنها عملا عناصر غیر اینرسی هستند.

به شایستگی ها عبارتند از: سادگی طراحی، اندازه و وزن کوچک، حساسیت بالا، وضوح بالا در سطح سیگنال ورودی پایین، عدم وجود کنتاکت های متحرک جمع آوری کننده جریان، سرعت بالا، امکان به دست آوردن قانون تبدیل لازم با انتخاب پارامترهای طراحی مناسب، تاثیر مدار ورودی بر مدار اندازه گیری

راکتانس بار برابر با مقدار و علامت مخالف مقاومت داخلی سنسور انتخاب می شود.