Najvažnije mjeriteljske karakteristike pretvarača su: nazivna statička pretvorbena karakteristika, osjetljivost, osnovna pogreška, dodatne pogreške, odnosno utjecajne funkcije, varijacija izlaznog signala, izlazna impedancija, dinamičke karakteristike itd.
Najvažnije nemjeriteljske karakteristike uključuju dimenzije, težinu, jednostavnost ugradnje i održavanja, sigurnost od eksplozije, otpornost na mehanička, toplinska, električna i druga preopterećenja, pouzdanost, cijenu proizvodnje i rada itd.
Ovisno o vrsti izlaznog signala, svi mjerni pretvarači se dijele na parametarski i generatorski setovi. Također su klasificirani prema principu djelovanja. U nastavku se razmatraju samo najčešće korišteni mjerni pretvarači.
13.1 Parametarski odašiljači
Opće informacije. U parametarskim pretvaračima izlazna veličina je parametar električnog kruga (R, L, M, C). Pri korištenju parametarskih pretvarača potreban je dodatni izvor energije čija se energija koristi za formiranje izlaznog signala pretvarača.
Reostatski pretvarači. Reostatski pretvarači temelje se na promjeni električnog otpora vodiča pod utjecajem ulazne veličine – pomaka. Reostatski pretvarač je reostat čija se četka (pokretni kontakt) pomiče pod utjecajem mjerene neelektrične veličine. Na sl. 11-5 shematski prikazuje neke mogućnosti dizajna reostatskih pretvarača za kutne (Sl. 11-5, a) i linearni (sl. 11-5, b i c) pomaci. Pretvarač se sastoji od namota nanesenog na okvir i četke. Za izradu okvira koriste se dielektrici i metali. Žica za namatanje izrađena je od legura (legura platine s iridijem, konstantanom, nikromom i fehralom). Za namatanje se obično koristi izolirana žica. Nakon izrade namota, izolacija žice se čisti na mjestima dodira s četkom. Četka za pretvarač je izrađena ili od žica ili od ravnih elastičnih traka, a koriste se i čisti metali (platina, srebro) i legure (platina s iridijem, fosforna bronca itd.).
Riža. 11-5 (prikaz, stručni). Reostatski pretvarači za kutne (a), linearne (b) pomaci i za funkcionalnu transformaciju linearnih pomaka (in)
Dimenzije pretvarača određuju se vrijednošću izmjerenog pomaka, otporom namota i snagom koja se oslobađa u namotu.
Za dobivanje funkcije nelinearne transformacije koriste se funkcionalni reostatski pretvarači. Željena transformacija se često postiže profiliranjem okvira sonde (Sl. 11-5, v).
U razmatranim reostatskim pretvaračima statička karakteristika transformacije ima stepenastu prirodu, budući da se otpor mijenja u skokovima jednak otporu jednog zavoja, što uzrokuje pogrešku. Ponekad koriste rekord pretvarače, u kojima četka klizi duž osi žice. Ovi pretvarači nemaju navedenu točnost. Reostatski pretvarači su uključeni u mjerne krugove u obliku ravnotežnih i neravnotežnih mostova, djelitelja napona itd.
Prednosti pretvarača uključuju mogućnost postizanja visoke točnosti pretvorbe, značajne izlazne signale i relativnu jednostavnost dizajna. Nedostaci - prisutnost kliznog kontakta, potreba za relativno velikim pokretima, a ponekad i značajan napor za kretanje.
Reostatski pretvarači služe za pretvaranje relativno velikih pomaka i drugih neelektričnih veličina (sila, tlaka itd.) koje se mogu pretvoriti u pomake.
Transduktori osjetljivi na naprezanje (mjerači naprezanja). Rad pretvarača temelji se na učinku naprezanja, koji se sastoji u promjeni aktivnog otpora vodiča (poluvodiča) pod djelovanjem mehaničkog naprezanja i deformacije uzrokovane u njemu.
Riža. 11-6 (prikaz, stručni). Pretvornik s žicom osjetljivim na naprezanje
Ako je žica podvrgnuta mehaničkom naprezanju, kao što je rastezanje, tada će se njezin otpor promijeniti. Promjena otpora žice pod mehaničkim djelovanjem na nju objašnjava se promjenom geometrijskih dimenzija (duljine, promjera) i otpornosti materijala.
Pretvarači osjetljivi na naprezanje, koji se danas široko koriste (sl. 11-6), su tanki cik-cak položen i zalijepljen na traku papira (podloge /) žice 2 (žičana mreža). Pretvarač je uključen u krug pomoću zavarenih ili zalemljenih vodova 3. Pretvornik se lijepi na površinu ispitivanog dijela tako da se smjer očekivane deformacije poklapa s uzdužnom osi žičane mreže.
Za proizvodnju pretvarača koristi se uglavnom konstantanska žica promjera 0,02-0,05 mm (S == 1,9 - 2,1). Konstantan ima niski temperaturni koeficijent električnog otpora, što je vrlo važno, budući da je promjena otpora pretvarača tijekom deformacija, na primjer, čeličnih dijelova, razmjerna promjeni otpora pretvarača pri promjeni temperature. Kao podloga koristi se tanak (0,03-0,05 mm) papir, kao i film od laka ili ljepila, a pri visokim temperaturama - sloj cementa.
Primjenjuju se i folijski pretvarači u kojima se umjesto žice koriste folijski i filmski deformatori, dobiveni sublimacijom materijala osjetljivog na naprezanje s njegovim naknadnim taloženjem na podlogu.
Za lijepljenje žice na podlogu i cijelog pretvarača na dio koriste se ljepila (celuloidna otopina u acetonu, BF-2, BF-4, bakelitno ljepilo itd.). Za visoke temperature (iznad 200°C) koriste se cementi otporni na toplinu, organosilikonski lakovi i ljepila itd.
Pretvarači se izrađuju u različitim veličinama ovisno o namjeni. Najčešće se koriste pretvarači s duljinom rešetke (bazom) od 5 do 50 mm i otporom od 30-500 Ohma.
Promjena temperature uzrokuje promjenu transformacijskih karakteristika deformacijskih mjerača, što se objašnjava temperaturnom ovisnošću otpora pretvarača i razlikom temperaturnih koeficijenata linearnog širenja materijala mjerača naprezanja i dijela koji se proučava. Temperaturni utjecaji obično se eliminiraju korištenjem odgovarajućih tehnika temperaturne kompenzacije.
Zalijepljena mjerna pretvornica ne može se skinuti s jednog dijela i zalijepiti na drugi. Stoga se za određivanje karakteristika pretvorbe (koeficijent S) pribjegava selektivnoj kalibraciji pretvarača koja daje vrijednost koeficijenta S s greškom od ± 1%. Metode za određivanje karakteristika mjerača napetosti regulirane su standardom. Prednosti ovih pretvarača su linearnost statičkih karakteristika pretvorbe, male dimenzije i težina te jednostavnost dizajna. Nedostatak im je niska osjetljivost.
U onim slučajevima kada je potrebna visoka osjetljivost, koriste se pretvarači osjetljivi na naprezanje, izrađeni u obliku traka od poluvodičkog materijala. S koeficijent takvih pretvarača doseže nekoliko stotina. Međutim, ponovljivost karakteristika poluvodičkih pretvarača je loša. Trenutno se masovno proizvode integrirani poluvodički mjerači naprezanja koji tvore most ili polumost s elementima toplinske kompenzacije.
Ravnotežni i neravnotežni mostovi koriste se kao mjerni krugovi za deformatore. Mjerni mjerači se koriste za mjerenje deformacija i drugih neelektričnih veličina: sila, pritisaka, momenata itd.
Pretvarači osjetljivi na temperaturu (termistori). Princip rada pretvarača temelji se na ovisnosti električnog otpora vodiča ili pvc vodiča o temperaturi.
Tijekom mjerenja dolazi do izmjene topline između termistora i ispitnog medija. Budući da je termistor u ovom slučaju uključen u električni krug, uz pomoć kojeg se mjeri njegov otpor, kroz njega teče struja koja u njemu oslobađa toplinu. Izmjena topline termistora s medijem nastaje zbog toplinske vodljivosti medija i konvekcije u njemu, toplinske vodljivosti samog termistora i armatura na koje je pričvršćen te, konačno, zbog zračenja. Intenzitet prijenosa topline, a time i temperatura termistora ovisi o njegovim geometrijskim dimenzijama i obliku, o dizajnu zaštitnih armatura, o sastavu, gustoći, toplinskoj vodljivosti, viskoznosti i drugim fizikalnim svojstvima plinovitog ili tekućeg medija. koji okružuju termistor, kao i na temperaturu i brzinu kretanja medija ...
Riža. 11-7 (prikaz, stručni). Uređaj (a) i izgled armature (b) platinskog termistora
Dakle, ovisnost temperature, a time i otpora termistora o gore navedenim faktorima, može se koristiti za mjerenje različitih neelektričnih veličina koje karakteriziraju plinoviti ili tekući medij. Pri projektiranju pretvarača nastoji se osigurati da izmjena topline termistora s medijem uglavnom bude određena izmjerenom neelektričnom veličinom.
Prema načinu rada, termistori se pregrijavaju i bez namjernog pregrijavanja. U pretvaračima bez pregrijavanja, struja koja prolazi kroz termistor praktički ne uzrokuje pregrijavanje, a temperatura potonjeg određena je temperaturom medija; ovi pretvarači se koriste za mjerenje temperature. U pretvaračima pregrijavanja električna struja uzrokuje pregrijavanje, ovisno o svojstvima medija. Pretvarači pregrijavanja koriste se za mjerenje brzine, gustoće, sastava medija itd. Budući da na termistore pregrijavanja utječe temperatura medija, za kompenzaciju ovog učinka obično se koriste metode sklopova.
Za mjerenje temperature najčešći su termistori izrađeni od platine ili bakrene žice.
Standardni platinasti termistori koriste se za mjerenje temperature u rasponu od -260 do + 1100 ° C, bakreni - u rasponu od -200 do +200 ° C (GOST 6651-78). Niskotemperaturni platinasti termistori (GOST 12877-76) koriste se za mjerenje temperatura u rasponu od -261 do -183 ° C.
Na sl. 11-7, a prikazuje uređaj platinskog termistora. U kanalima keramičke cijevi 2 postoje dva (ili četiri) dijela spirale 3 od platinaste žice, spojene u seriju. Vodovi su zalemljeni na krajeve spirale 4, služi za spajanje termistora na mjerni krug. Pričvršćivanje vodova i brtvljenje keramičke cijevi vrši se glazurom /. Kanali cijevi su prekriveni bezvodnim prahom glinice, koji djeluje kao izolator i držač spirale. Prah bezvodnog aluminijevog oksida, koji ima visoku toplinsku vodljivost i mali toplinski kapacitet, osigurava dobar prijenos topline i nisku inerciju termistora. Za zaštitu termistora od mehaničkih i kemijskih utjecaja vanjskog okruženja, postavlja se u zaštitne armature (sl. 11-7, b) od nehrđajućeg čelika.
Početni otpori (pri 0 ° C) platinskih standardnih termistora su jednaki 1, 5, 10, 46, 50, 100 i 500 ohma, bakra - 10, 50, 53 i 100 oma.
Dopuštena vrijednost struje koja teče kroz termistor kada je spojen na mjerni krug mora biti takva da promjena otpora termistora tijekom zagrijavanja ne prelazi 0,1% početnog otpora.
Statičke karakteristike pretvorbe u obliku tablica (kalibracija) i dopuštena odstupanja tih karakteristika za standardne termistore dane su u GOST 6651-78.
Osim platine i bakra, nikal se ponekad koristi za izradu termistora.
Za mjerenje temperature koriste se i poluvodički termistori (termistori) raznih tipova koji se odlikuju većom osjetljivošću (TKS termistori).
zalihe su negativne i na 20°C je 10-15 puta veća od TCR bakra i platine) i imaju veće otpore (do 1 MΩ) pri vrlo malim veličinama. Nedostatak termistora je loša ponovljivost i nelinearnost karakteristika pretvorbe:
gdje rt i Ro- otpornost termistora na temperaturama T i Da; Da- početna temperatura radnog područja; V- koeficijent.
Termistori se koriste u temperaturnom rasponu od -60 do + 120 ° C.
Za mjerenje temperatura od -80 do -f- 150 °C koriste se termalne diode i termotranzistori kod kojih se otpor mijenja pod utjecajem temperature R- i-spoj i pad napona na ovom spoju. Naponska osjetljivost termotranzistora je 1,5-2,0 mV / K, što znatno premašuje osjetljivost standardnih termoelementa (vidi tablicu 11-1). Ovi pretvarači su obično uključeni u mosne sklopove i sklopove u obliku djelitelja napona.
Prednosti toplinskih dioda i toplinskih tranzistora su visoka osjetljivost, mala veličina i niska inercija, visoka pouzdanost i niska cijena; nedostaci - uski temperaturni raspon i loša ponovljivost statičkih karakteristika pretvorbe. Utjecaj potonjeg nedostatka smanjuje se upotrebom posebnih sklopova.
Toplinska inercija standardnih termistora prema GOST 6651-78 karakterizira indeks toplinske inercije u ^, definiran kao vrijeme potrebno da temperaturna razlika između medija i bilo koje točke pretvarača unesenog u njega postane jednaka 0,37 od tu vrijednost kada se pretvarač uvede u okolinu s konstantnom temperaturom, koju je imala u vrijeme početka redovnog toplinskog režima. Indeks toplinske inercije određen je onim dijelom krivulje prijelaznog toplinskog procesa pretvarača, koji odgovara redovnom načinu rada, odnosno ima eksponencijalni karakter (na polulogaritamskoj skali - ravna crta). Vrijednost e ^ za različite tipove standardnih pretvarača kreće se od nekoliko desetaka sekundi do nekoliko minuta.
Kada su potrebni termistori niske inercije, za njihovu se izradu koristi vrlo tanka žica (mikrožica) ili termistori malog volumena (perla) ili termotranzistori.
Riža. 11-8 (prikaz, stručni). Pretvarač analizatora plina na principu mjerenja toplinske vodljivosti
Rs. 11-9 (prikaz, stručni). Ovisnost toplinske vodljivosti plina o tlaku
Termistori se koriste u instrumentima za analizu plinskih smjesa. Mnoge mješavine plinova razlikuju se jedna od druge i od zraka po toplinskoj vodljivosti.
U instrumentima za analizu plina - analizatorima plina - za mjerenje toplinske vodljivosti koristi se pregrijani platinski termistor (Sl. 11-8), smješten u komori 2 s analiziranim plinom. Konstrukcija termistora, armature i komore, kao i vrijednost struje grijanja, odabrani su tako da se izmjena topline s medijem odvija uglavnom zbog toplinske vodljivosti plinovitog medija.
Da bi se isključio utjecaj vanjske temperature, osim radne temperature, koristi se kompenzacijska komora s termistorom, napunjena plinom konstantnog sastava. Obje komore su izrađene kao jedna cjelina, što komorama osigurava iste temperaturne uvjete. Tijekom mjerenja radni i kompenzacijski termistori su spojeni na susjedne krakove mosta, što dovodi do kompenzacije utjecaja temperature.
Termistori se koriste u uređajima za mjerenje stupnja razrjeđivanja. Na sl. 11-9 prikazana je ovisnost toplinske vodljivosti plina između tijela A i B, od njegovog pritiska.
Dakle, toplinska vodljivost plina postaje ovisna o broju molekula po jedinici volumena, tj. o tlaku (stupanj razrjeđivanja). Ovisnost toplinske vodljivosti plina o tlaku koristi se u vakuumskim mjeračima - uređajima za mjerenje stupnja razrjeđivanja.
Za mjerenje toplinske vodljivosti u vakuumskim mjeračima koriste se metalni (platinasti) i poluvodički termistori, smješteni u stakleni ili metalni cilindar, koji je spojen na kontrolirano okruženje.
Termistori se koriste u uređajima za mjerenje protoka plina - anemometrima s vrućom žicom. Stacionarna temperatura termistora pregrijavanja smještenog na putu protoka plina ovisi o brzini protoka. U ovom slučaju, konvekcija (prisilna) bit će glavni način razmjene topline između termistora i medija. Promjena otpora termistora zbog odvođenja topline s njegove površine pokretnim medijem funkcionalno je povezana s brzinom medija.
Konstrukcija i vrsta termistora, armature i struje termistora grijanja odabrani su tako da se svi putovi prijenosa topline, osim konvektivnih, smanjuju ili isključuju.
Prednosti anemometara s vrućom žicom su visoka osjetljivost i brzina. Ovi uređaji omogućuju mjerenje brzina od 1 do 100-200 m/s pomoću mjernog kruga s kojim se temperatura termistora automatski održava gotovo konstantnom.
Elektrolitički pretvarači. Elektrolitički pretvarači temelje se na ovisnosti električnog otpora otopine elektrolita o njegovoj koncentraciji. Uglavnom se koriste za mjerenje koncentracije otopina.
Na sl. 11-10, na primjer, prikazani su grafikoni ovisnosti specifične električne vodljivosti nekih otopina elektrolita o koncentraciji s otopljene tvari. Iz ove slike proizlazi da je, u određenom rasponu varijacije koncentracije, ovisnost električne vodljivosti o koncentraciji nedvosmislena i da se može koristiti za određivanje s.
Riža. 11-10 (prikaz, stručni). Ovisnost specifične električne vodljivosti otopina elektrolita o koncentraciji otopljene tvari
Riža. 11-11 (prikaz, stručni). Laboratorijski elektrolitički pretvarač
Pretvarač koji se u laboratorijskim uvjetima koristi za mjerenje koncentracije je posuda s dvije elektrode (elektrolitička ćelija) (sl. 11-11). Za industrijska kontinuirana mjerenja, pretvarači su protočni, a često se koriste strukture u kojima stijenke posude (metalne) imaju ulogu druge elektrode.
Električna vodljivost otopina ovisi o temperaturi. Dakle, pri korištenju elektrolitičkih pretvarača potrebno je eliminirati utjecaj temperature. Taj se problem rješava stabilizacijom temperature otopine pomoću hladnjaka (grijača) ili korištenjem krugova za temperaturnu kompenzaciju s bakrenim termistorima, budući da koeficijenti temperaturne vodljivosti bakrenih i elektrolitnih otopina imaju suprotne predznake.
Kada istosmjerna struja prolazi kroz pretvarač, dolazi do elektrolize otopine, što dovodi do izobličenja rezultata mjerenja. Stoga se mjerenja otpora otopine obično provode na izmjeničnoj struji (700-1000 Hz), najčešće koristeći mosne sklopove.
Induktivni pretvarači. Princip rada pretvarača temelji se na ovisnosti induktivnosti ili međusobnog induktiviteta namota na magnetskom krugu o položaju, geometrijskim dimenzijama i magnetskom stanju elemenata njihovog magnetskog kruga.
Riža. 11-12 (prikaz, stručni). Magnetski krug s prazninama i dva namota
Induktivitet i međusobna induktivnost mogu se mijenjati djelovanjem na duljinu b, poprečni presjek zračnog presjeka magnetskog kruga s, na gubitak snage u magnetskom krugu i na druge načine. To se može postići npr. pomicanjem pomične jezgre (armature) / (Sl. 11-12) u odnosu na nepokretnu 2, uvođenje nemagnetne metalne ploče 3 u zračni raspor itd.
Na sl. 11-13 shematski prikazuju različite vrste induktivnih pretvarača. Induktivni pretvarač (sl. 11-13, a) s promjenjivom duljinom zračnog raspora b karakterizira nelinearna ovisnost L = f(b). Takav se pretvarač obično koristi kada se armatura pomiče za 0,01-5 mm. Znatno manja osjetljivost, ali linearna ovisnost L = f(s) razlikuju se pretvarači s promjenjivim poprečnim presjekom zračnog raspora (sl. 11-13, b). Ovi pretvarači se koriste za pomake do 10-15 mm.
Riža. 11-13 (prikaz, stručni). Induktivni pretvarači s promjenjivom duljinom zazora (a), s promjenjivim presjekom zazora (b), diferencijal (v), diferencijalni transformator (g), diferencijalni transformator s otvorenim magnetskim krugom (e) magnetoelastična (e)
Armatura u induktivnom pretvaraču doživljava (neželjenu) privlačnu silu od elektromagneta
gdje W m- energija magnetskog polja; L- induktivitet pretvarača; / je struja koja prolazi kroz namot pretvarača.
Induktivni diferencijalni pretvarači su široko rasprostranjeni (sl. 11-13, v), u kojoj se pod utjecajem izmjerene vrijednosti istodobno mijenjaju dva jaza elektromagneta i, štoviše, s različitim predznacima. Diferencijalni pretvarači u kombinaciji s odgovarajućim mjernim krugom (obično premosni) imaju veću osjetljivost, manju nelinearnost pretvorbene karakteristike, imaju manji utjecaj vanjskih čimbenika i smanjenu rezultirajuću silu na armaturu od elektromagneta od nediferencijalnih pretvarača.
Na sl. 11-13, G prikazuje sklop za uključivanje diferencijalnog induktivnog pretvarača, u kojem su izlazne veličine međusobne induktivnosti. Takvi pretvarači nazivaju se međusobno induktivni ili transformatorski. Kada se primarni namot napaja izmjeničnom strujom i kada je armatura simetrična, položaj armature u odnosu na elektromagnete, EMF na izlaznim stezaljkama je nula. Kada se armatura pomiče, EMF se pojavljuje na izlaznim stezaljkama.
Za pretvaranje relativno velikih pomaka (do 50-100 mm) koriste se transformatorski pretvarači s otvorenim magnetskim krugom (sl. 11-13, O).
Koriste se transformatorski pretvarači kuta rotacije koji se sastoje od fiksnog statora i pomičnog rotora s namotima. Namot statora se napaja izmjeničnom strujom. Rotacija rotora uzrokuje promjenu vrijednosti i faze EMF inducirane u njegovom namotu. Takvi se pretvarači koriste pri mjerenju velikih kutnih pomaka.
Induktozini se koriste za mjerenje malih kutnih pomaka (sl. 11-14). Rotor / i stator 2 induktozin se isporučuje s tiskanim namotima 3, koji ima oblik radijalnog rastera. Princip djelovanja induktozina sličan je gore opisanom. Primjenom namota tiskanjem moguće je dobiti veliki broj koraka namota polova, što osigurava visoku osjetljivost pretvarača na promjene kuta rotacije.
Riža. 11-14 (prikaz, stručni). Uređaj(i) i vrsta tiskanog namota (b) inductosina
Ako je feromagnetska jezgra pretvarača podvrgnuta mehaničkom naprezanju F, tada će se zbog promjene magnetske permeabilnosti materijala jezgre promijeniti magnetski otpor kruga, što će za posljedicu imati promjenu induktiviteta L i međusobnu induktivnost M namota. Magnetoelastični pretvarači temelje se na ovom principu (sl. 11-13, e).
Dizajn pretvarača je određen rasponom mjerenog pomaka. Dimenzije pretvarača odabiru se na temelju potrebne snage izlaznog signala.
Za mjerenje izlaznog parametra induktivnih pretvarača najviše se koriste mostni (ravnotežni i neravnotežni) krugovi, kao i kompenzacijski (u automatskim uređajima) za diferencijalne transformatorske pretvarače.
Induktivni pretvarači se koriste za pretvaranje pomaka i drugih neelektričnih veličina koje se mogu pretvoriti u pomak (sila, tlak, zakretni moment itd.).
U usporedbi s drugim pretvaračima pomaka, induktivne pretvarače odlikuju visoki izlazni signali, jednostavnost i pouzdanost u radu.
Nedostatak im je obrnuti učinak pretvarača na objekt koji se proučava (učinak elektromagneta na armaturu) i utjecaj inercije armature na frekvencijske karakteristike uređaja.
Riža. 11-15 (prikaz, stručni). Kapacitivni pretvarači s promjenjivim razmakom između ploča (a), diferencijalom (b), diferencijalom s promjenjivom aktivnom površinom ploča (c) i s promjenjivom dielektričnom konstantom medija između ploča (d)
Kapacitivni pretvarači. Kapacitivni pretvarači temelje se na ovisnosti kapacitivnosti kondenzatora o dimenzijama, međusobnom rasporedu njegovih ploča i o dielektričnoj konstanti medija između njih.
Na sl. 11-15 shematski prikazuje raspored različitih kapacitivnih pretvarača. Pretvarač na sl. 11-15, a je kondenzator čija se jedna ploča pomiče pod djelovanjem mjerene vrijednosti NS u odnosu na fiksnu ploču. Statička karakteristika transformacije C (b) je nelinearna. Osjetljivost pretvarača raste sa smanjenjem udaljenosti 6. Takvi se pretvarači koriste za mjerenje malih pomaka (manjih od 1 mm).
Mali radni pomak ploča dovodi do pogrešaka zbog promjene udaljenosti između ploča s temperaturnim fluktuacijama. Odabirom veličina dijelova pretvarača i materijala ta se pogreška smanjuje.
U kapacitivnim pretvaračima postoji (neželjena) sila privlačenja između ploča
gdje W 3- energija električnog polja; U i C su napon i kapacitet između ploča, respektivno.
Koriste se i diferencijalni pretvarači (sl. 11-15, b), koji imaju jednu pomičnu i dvije fiksne ploče. Pod utjecajem izmjerene vrijednosti NS ovi pretvarači istovremeno mijenjaju svoje kapacitete. Na sl. 11-15, v prikazuje diferencijalni kapacitivni pretvarač s promjenjivom aktivnom površinom ploča. Takav se pretvarač koristi za mjerenje relativno velikih linearnih (više od 1 mm) i kutnih pomaka. U ovim pretvaračima je lako dobiti potrebnu karakteristiku pretvorbe profiliranjem ploča.
Pretvarači (e) se koriste za mjerenje razine tekućina, sadržaja vlage u tvarima, debljine dielektričnih proizvoda itd. Na primjer (sl. 11-15, G) dan je uređaj kapacitivnog odašiljača razine. Kapacitet između elektroda spuštenih u posudu ovisi o razini tekućine, budući da promjena razine dovodi do promjene prosječne dielektrične konstante medija između elektroda. Promjenom konfiguracije ploča moguće je dobiti željeni karakter ovisnosti očitanja instrumenta o volumenu (masi) tekućine.
Za mjerenje izlaznog parametra kapacitivnih pretvarača koriste se premosni sklopovi i sklopovi koji koriste rezonantne sklopove. Potonji omogućuju stvaranje uređaja visoke osjetljivosti, sposobnih reagirati na pomake reda veličine 10 ~ 7 mm. Krugovi s kapacitivnim pretvaračima obično se napajaju strujom povećane frekvencije (do desetaka megaherca), što je uzrokovano željom da se poveća signal koji ulazi u mjerni uređaj i potrebom da se smanji ranžirni učinak izolacijskog otpora.
Ionizacijski pretvarači. Pretvarači se temelje na fenomenu ionizacije plina ili luminescencije određenih tvari pod utjecajem ionizirajućeg zračenja.
Ako je komora koja sadrži plin izložena zračenju, na primjer, p-zrakama, tada će struja teći između elektroda uključenih u električni krug (slika 11-16). Ova struja ovisi o naponu primijenjenom na elektrode, o gustoći i sastavu plinskog medija, veličini komore i elektroda, svojstvima i intenzitetu ionizirajućeg zračenja itd. Ove ovisnosti se koriste za mjerenje različitih neelektričnih veličina. : gustoća i sastav plinskog medija, geometrijske dimenzije dijelova itd.
Riža. 11-16 (prikaz, stručni). Krug ionizacijskog pretvarača
Riža. 11-17 (prikaz, stručni). Strujna naponska karakteristika ionizacijskog pretvarača
Kao ionizirajuća sredstva koriste se a-, p- i y-zrake radioaktivnih tvari, znatno rjeđe - rendgenske zrake i neutronsko zračenje.
Za mjerenje stupnja ionizacije koriste se pretvarači - ionizacijske komore i ionizacijski brojači, čije djelovanje odgovara različitim dijelovima strujno-naponske karakteristike plinskog jaza između dviju elektroda. Na sl. 11-17 prikazuje ovisnost struje u komori (sl. 11-16) s konstantnim sastavom plina o primijenjenom naponu U i intenzitet zračenja. Lokacija uključena A karakteristike, struja raste izravno proporcionalno naponu, zatim se njezin rast usporava i u presjeku B dostiže zasićenje. To ukazuje da svi ioni koji nastaju u komori dolaze do elektroda. Lokacija uključena V ionizacijska struja ponovno počinje rasti, što je uzrokovano sekundarnom ionizacijom kada primarni elektroni i ioni udare u neutralne molekule. Uz daljnje povećanje napona (odjeljak G) jonizacijska struja prestaje ovisiti o početnoj ionizaciji i počinje
kontinuirano pražnjenje (odjeljak D), koji više nije ovisan o učincima radioaktivnog zračenja.
Parcele A i B strujno-naponske karakteristike opisuju djelovanje ionizacijskih komora, te sekcija V i G - ionizacijski brojači. Uz ionizacijske komore i brojače, kao ionizacijski pretvarači koriste se scintilacijski (luminiscentni) brojači. Princip rada ovih brojača temelji se na pojavi fosfora u nekim tvarima (cink sulfid aktiviran srebrom, kadmij sulfid i dr.) - pod djelovanjem radioaktivnog zračenja svjetlosnih bljeskova (scintilacija), koji se bilježe u brojačima. fotomultiplikatorima. Svjetlina ovih bljeskova i, posljedično, struja fotomultiplikatora određuju se radioaktivnim zračenjem.
Izbor vrste ionizacijskog pretvarača u velikoj mjeri ovisi o ionizirajućem zračenju.
Alfa zrake (jezgre atoma helija) imaju veliku ionizirajuću moć, ali imaju nisku prodornu moć. U čvrstim tvarima, a-zrake se apsorbiraju u vrlo tankim slojevima (jedinice do desetaka mikrometara). Stoga, kada se koriste a-zrake, a-emiter se postavlja unutar pretvarača.
Beta zrake su tok elektrona (pozitrona); imaju mnogo nižu ionizirajuću sposobnost od a-zraka, ali imaju veću prodornu moć. Duljina puta u krutim tvarima doseže nekoliko milimetara. Stoga se emiter može nalaziti unutar i izvan pretvarača.
Promjene udaljenosti između elektroda, područja preklapanja elektroda ili položaja izvora zračenja u odnosu na ionizacijske komore ili brojače utječu na vrijednost ionizacijske struje. Stoga se te ovisnosti koriste za mjerenje različitih mehaničkih i geometrijskih veličina.
Na sl. 11-18 prikazuje primjer ionizacijskog membranskog manometra, gdje je / emiter; 2 - membrana; 3 - fiksna elektroda izolirana od membrane. Između elektroda 2 a 3 primjenjuje se dovoljna razlika potencijala da se postigne struja zasićenja. Kad se tlak promijeni R membrana se savija, mijenjajući udaljenost između elektroda i vrijednost ionizacijske struje.
Riža. 11-18 (prikaz, stručni). Ionizacijski membranski manometar
Riža. 11-19 (prikaz, stručni). Mjerač plina
Gama zrake su elektromagnetske vibracije vrlo male valne duljine (10 ~ 8 -10 ~ "cm), koje proizlaze iz radioaktivnih transformacija. Gama zrake imaju veliku sposobnost prodiranja.
Izvedbe ionizacijskih komora i brojača su raznolike i ovise o vrsti zračenja.
Za registraciju pojedinačnih čestica, kao i za mjerenje malog γ-zračenja, naširoko se koriste tzv. V i G strujno-naponske karakteristike. Uređaj mjerača plina prikazan je na Sl. 11-19 (prikaz, stručni). Brojač se sastoji od metalnog cilindra /, unutar kojeg je razvučena tanka volframova žica 2. Obje ove elektrode smještene su u stakleni cilindar. 3 sek inertni plin. Kada je plin ioniziran, u krugu brojila pojavljuju se strujni impulsi čiji se broj broji.
Radioaktivni izotopi se obično koriste kao izvori a-, p- i y-zračenja. Izvori zračenja koji se koriste u mjernoj tehnici moraju imati značajno vrijeme poluraspada i dovoljnu energiju zračenja (kobalt-60, stroncij-90, plutonij-239 itd.).
Glavna prednost uređaja koji koriste ionizirajuće zračenje je mogućnost beskontaktnog mjerenja, što je od velike važnosti, primjerice, kod mjerenja u agresivnim ili eksplozivnim sredinama, kao i u okruženjima pod visokim tlakom ili visokim temperaturama. Glavni nedostatak ovih uređaja je potreba za korištenjem biološke zaštite pri visokoj aktivnosti izvora zračenja.
13.2 Generatorski mjerni pretvarači
Opće informacije. U generatorskim pretvaračima izlazna veličina je EMF ili naboj, funkcionalno povezan s izmjerenom neelektričnom veličinom.
Termoelektrični pretvarači. Ovi pretvarači se temelje na termoelektričnom učinku u krugu termoelementa.
S temperaturnom razlikom između točaka / i 2 spoja dva različita vodiča A i B(Sl. 11-20, a), tvoreći termoelement, u krugu termoelementa nastaje termo-EMF.
Za mjerenje termo-EMF-a, električni mjerni uređaj (milivoltmetar, kompenzator) uključen je u krug termoelementa (sl. 11-20, b). Točka spajanja vodiča (elektroda) naziva se radni kraj termoelementa, točke 2 i 2" - slobodni krajevi.
Da bi termo-EMF u krugu termoelementa bio nedvosmisleno određen temperaturom radnog kraja, temperatura slobodnih krajeva termoelementa mora ostati ista i nepromijenjena.
Riža. 11-20 (prikaz, stručni). Termopar(i) i način spajanja uređaja na krug termoelementa (b)
Kalibracija termoelektričnih termometara - uređaja koji koriste termoelemente za mjerenje temperature, obično se izvodi pri temperaturi slobodnog kraja od O ° C. Također se sastavljaju kalibracijske tablice za standardne termoelemente pod uvjetom da je temperatura slobodnih krajeva O°C. U praktičnoj primjeni termoelektričnih termometara temperatura slobodnih krajeva termoelementa obično nije jednaka O°C i stoga je potrebno uvesti korekciju.
Za proizvodnju termoelemenata koji se trenutno koriste za mjerenje temperature uglavnom se koriste posebne legure.
Za mjerenje visokih temperatura koriste se termoelementi tipa TPP, TPR i TBR. Za mjerenja s povećanom točnošću koriste se termoelementi izrađeni od plemenitih metala (TPP i TPR). U ostalim slučajevima koriste se termoelementi od običnih metala (TCA, TCA).
Za zaštitu od vanjskih utjecaja (tlak, korozivni plinovi, itd.), elektrode termoelementa se postavljaju u zaštitne armature, strukturno slične spojevima termistora (Sl. 11-7, b).
Radi praktičnosti stabilizacije temperature slobodnih krajeva, ponekad se termoelement produžuje korištenjem tzv. produžne žice izrađene ili od odgovarajućih termoelektrodnih materijala, ili od posebno odabranih materijala koji su jeftiniji od materijala elektroda i zadovoljavaju uvjet termoelektrične istovjetnosti s glavni termoelement u rasponu mogućih temperatura slobodnih krajeva (obično od 0 do 100 ° C). Drugim riječima, produžne žice moraju imati istu temperaturnu ovisnost termo-EMF u navedenom temperaturnom rasponu kao i glavni termoelement.
Inerciju termoelementa karakterizira pokazatelj toplinske tromosti. Poznate izvedbe termoelementa niske inercije, kod kojih je toplinska inercija 5-20 s. Termoparovi u konvencionalnim spojnicama imaju toplinsku inerciju od nekoliko minuta.
Za mjerenje brzine linearnih i kutnih pomaka koriste se indukcijski pretvarači. Izlazni signal ovih pretvarača može se integrirati ili diferencirati u vremenu pomoću električnih integrirajućih ili diferencirajućih uređaja. Nakon ovih transformacija, parametar informativnog signala postaje proporcionalan pomaku ili ubrzanju. Stoga se indukcijski pretvarači također koriste za mjerenje linearnih i kutnih pomaka i ubrzanja.
Indukcijski pretvarači se najviše koriste u instrumentima za mjerenje kutne brzine (tahometri) i u instrumentima za mjerenje parametara vibracija.
Indukcijski pretvarači za tahometre su mali (1-100 W) istosmjerni ili izmjenični generatori, obično neovisno pobuđeni od stalnog magneta, čiji je rotor mehanički spojen na ispitno vratilo. Kod korištenja generatora istosmjerne struje kutna brzina se prosuđuje prema EMF-u generatora, a kod generatora izmjenične struje kutna brzina se može odrediti iz vrijednosti EMF-a ili njegove frekvencije.
Na sl. Slike 11-21 prikazuju indukcijski pretvarač za mjerenje amplitude, brzine i ubrzanja povratnog gibanja. Pretvarač je cilindrična zavojnica / koja se kreće u prstenastom razmaku magnetskog kruga 2. Cilindrični trajni magnet 3 stvara konstantno radijalno magnetsko polje u prstenastom razmaku. Pri kretanju zavojnica prelazi linije sile magnetskog polja i u njoj se stvara EMF, proporcionalan brzini kretanja.
Riža. 11-21 (prikaz, stručni). Indukcijski pretvarač
Pogreške indukcijskih pretvarača određuju se uglavnom promjenama magnetskog polja s vremenom i temperaturnim promjenama, kao i temperaturnim promjenama otpora namota.
Glavne prednosti indukcijskih pretvarača su njihova komparativna jednostavnost dizajna, pouzdanost rada i visoka osjetljivost. Nedostatak je ograničeni frekvencijski raspon mjerenih vrijednosti.
Piezoelektrični pretvarači. Takvi pretvarači temelje se na korištenju izravnog piezoelektričnog efekta, koji se sastoji u pojavi električnih naboja na površini nekih kristala (kvarc, turmalin, željezna sol itd.) pod utjecajem mehaničkih naprezanja.
Od kristala kvarca izrezana je ploča čiji rubovi trebaju biti okomiti na optičku os Oz, mehanička os OU i električna os Oh kristal (sl. 11-22, a i b).
F x duž električne osi na licima NS pojavljuju se optužbe Q x = kF x, gdje k- piezoelektrični koeficijent (modulus).
Kada se na ploču primjenjuje sila F g duž mehaničke osi na istim plohama NS nastaju optužbe Q y = kF y a / b, gdje a i b- dimenzije rubova ploče.
Mehaničko djelovanje na ploču duž optičke osi ne uzrokuje pojavu naboja.
Uređaj piezoelektričnog pretvarača za mjerenje izmjeničnog tlaka plina prikazan je na Sl. 11-23 (prikaz, stručni). Pritisak R kroz metalnu membranu / prenosi se na u sendviču između metalnih odstojnika 2 kvarcne ploče 3.
Riža. 11-22 (prikaz, stručni). Kvarcni kristal (a) i ploča (b), isklesan iz njega
Lopta 4 potiče ravnomjernu raspodjelu tlaka na površini kvarcnih ploča. Srednja brtva spojena je na terminal 5, koji prolazi kroz rukavac od dobrog izolacijskog materijala. Kada je izložen pritisku R dolazi do razlike potencijala između kontakta 5 i kućišta odašiljača .
U piezoelektričnim pretvaračima uglavnom se koristi kvarc, u kojem su piezoelektrična svojstva kombinirana s visokom mehaničkom čvrstoćom i visokim izolacijskim svojstvima, kao i s neovisnošću piezoelektričnih karakteristika od temperature u širokom rasponu. Također se koristi polarizirana keramika od barij titanata, olovnog titanata i cirkonata.
Riža. 11-23 (prikaz, stručni). Piezoelektrični pretvarač tlaka
Dimenzije ploča i njihov broj odabiru se na temelju razmatranja dizajna i potrebne vrijednosti punjenja.
Naboj koji nastaje u piezoelektričnom pretvaraču "teče dolje" duž izolacije i ulaznog kruga mjernog uređaja. Stoga uređaji za mjerenje razlike potencijala na piezoelektričnim pretvaračima moraju imati visoku ulaznu impedanciju (10 12 -10 15 Ohm), što se praktički osigurava uporabom elektroničkih pojačala s visokom ulaznom impedancijom.
Zbog "drenaže" naboja, ovi pretvarači služe za mjerenje samo veličina koje se brzo mijenjaju (promjenjive sile, tlakovi, parametri vibracija, ubrzanja itd.).
Koriste se piezoelektrični pretvarači - piezorezonatori, u kojima se istodobno koriste izravni i reverzni piezoefekti. Potonje leži u činjenici da ako se na elektrode pretvarača primijeni izmjenični napon, tada će u piezoelektričnoj ploči nastati mehaničke vibracije, čija frekvencija (rezonantna frekvencija) ovisi o debljini h ploča, modul elastičnosti E i gustoću p njegovog materijala. Kada je takav pretvarač spojen na rezonantni krug generatora, frekvencija generiranih električnih oscilacija određena je frekvencijom f p. Prilikom promjene vrijednosti h, E ili p pod utjecajem mehaničkih ili toplinskih utjecaja, frekvencija / p će se promijeniti i, sukladno tome, promijenit će se frekvencija generiranih oscilacija. Ovaj princip se koristi za pretvaranje tlaka, sile, temperature i drugih veličina u frekvenciju.
Galvanski pretvarači. Pretvarači se temelje na ovisnosti EMF-a galvanskog kruga o kemijskoj aktivnosti iona elektrolita, odnosno o koncentraciji iona i redoks procesima u elektrolitu. Ovi pretvarači služe za određivanje reakcije otopine (kiseline, neutralne, alkalne), koja ovisi o aktivnosti vodikovih iona u otopini.
Destilirana voda ima slabu, ali dobro definiranu električnu vodljivost, što se objašnjava ionizacijom vode.Kemijska aktivnost a jednaka je umnošku ekvivalentne koncentracije i koeficijenta aktivnosti (teži jedinstvu s beskonačnim razrjeđivanjem otopine).
Otopimo li kiselinu u vodi koja tijekom disocijacije stvara H + ione, tada će koncentracija H + iona u otopini postati veća nego u čistoj vodi, a koncentracija OH ~ iona je manja zbog ponovnog spajanja nekih od H + ioni s OH ionima.
Dakle, reaktivnost vodikovih iona u otopini je karakteristika reakcije otopine. Reakcija otopine numerički je okarakterizirana negativnim logaritmom aktivnosti vodikovih iona - pH vrijednost.Za destiliranu vodu pH vrijednost je 7 pH jedinica.
Raspon promjena pH vodenih otopina na t = 22 ° C je 0-14 pH jedinica.
Za mjerenje pH koristi se metoda koja se temelji na mjerenju elektrodnog (graničnog) potencijala.
Ako je metalna elektroda uronjena u otopinu koja sadrži svoje istoimene ione, tada elektroda dobiva potencijal. Slično se ponaša i vodikova elektroda.
Za dobivanje elektrodnog potencijala između vodika i otopine potrebno je imati takozvanu vodikovu elektrodu. Vodikova elektroda može se stvoriti korištenjem svojstva vodika da se adsorbira na površini platine, iridija i paladija. Tipično, vodikova elektroda je platinasto-crna obložena platinska elektroda na koju se kontinuirano dovodi plinoviti vodik. Potencijal takve elektrode ovisi o koncentraciji vodikovih iona u otopini.
Nemoguće je praktično izmjeriti apsolutnu vrijednost graničnog potencijala. Stoga se galvanski pretvarač uvijek sastoji od dvije međusobno električno povezane polućelije: radne (mjerne) polućelije, koja je ispitna otopina s elektrodom, i usporedne (pomoćne) polućelije s konstantnim graničnim potencijalom. , koji se sastoji od elektrode i otopine s konstantnom koncentracijom. Kao usporedna polućelija koristi se vodikova elektroda s normalnom konstantnom koncentracijom vodikovih iona. U industrijskim mjerenjima koristi se prikladnija usporedna kalomelna elektroda.
Riža. 11-24 (prikaz, stručni). Galvanski pretvarač
Na sl. Slike 11-24 prikazuju odašiljač za mjerenje koncentracije vodikovih iona. Kalomelna elektroda služi kao usporedna polućelija. To je staklena posuda 4, na čije je dno stavljena mala količina žive, a na vrhu je kalomel pasta (Hg2Cb). Na pastu se izlije otopina kalijevog klorida (KC1). Potencijal nastaje na sučelju kalomel - živa. Za kontakt sa živom na dno posude zalemljena je platinska elektroda 5. Potencijal kalomelne elektrode ovisi o koncentraciji žive u kalomelu, a koncentracija živinih iona pak ovisi o koncentraciji klora. iona u otopini kalijevog klorida.
Vodikova elektroda je uronjena u ispitnu otopinu. Obje polućelije su povezane elektrolitičkim prekidačem, koji je cijev 2, obično ispunjen zasićenom otopinom KC1 i zatvoren polupropusnim čepovima 3. EMF takvog pretvarača je funkcija pH.
U uređajima industrijskog tipa koriste se prikladnije elektrode s antimonom ili kvinhidronom umjesto radnih vodikovih elektroda. Također se široko koriste takozvane staklene elektrode.
Kompenzacijski uređaji se uglavnom koriste za mjerenje EMF-a galvanskih pretvarača. Za staklene elektrode, mjerni krug mora imati visok ulazni otpor, budući da unutarnji otpor staklenih elektroda doseže 100-200 MΩ. Prilikom mjerenja pH galvanskim pretvaračima potrebno je izvršiti korekcije za utjecaj temperature.
PREDAVANJE 15.
Generatorski mjerni pretvarači
U generatorskim pretvaračima izlazna veličina je EMF ili naboj, funkcionalno povezan s izmjerenom neelektričnom veličinom.
Termoelektrični pretvarači (termoparovi).
Na temelju termoelektričnog efekta koji se javlja u krugu termoelementa. Ovi pretvarači se koriste za mjerenje temperature. Princip rada termoelementa ilustriran je na Sl. 15.1, a, koji prikazuje termoelektrični krug sastavljen od dva različita vodiča A i B ... Spojne točke 1 i 2 vodiča nazivaju se spojevi termoelemenata. Ako temperature t spojevi 1 i 2 su isti, tada u termoelektričnom krugu nema struje. Ako je temperatura jednog od spojeva (na primjer, spoja 1) viša od temperature spoja 2, tada u krugu nastaje termoelektromotorna sila (TEMF). E ovisno o temperaturnoj razlici između spojeva
E = f (t 1 - t 2). (15.1)
Ako se temperatura spoja 2 održava konstantnom, tada
E = f (t 1).
Ovaj odnos se koristi za mjerenje temperature pomoću termoelemenata. Za mjerenje TEMF-a, električni mjerni uređaj je uključen u razmak spoja 2 (slika 15.1, b). Spoj 1 naziva se vrućim (radnim) spojem, a spoj 2 se naziva hladnim (krajevi 2 i 2 'se nazivaju slobodni krajevi).
Kako bi TEMF termoelementa bio jednoznačno određen temperaturom vrućeg spoja, potrebno je održavati temperaturu hladnog spoja uvijek istom.
Za izradu elektroda termoelementa koriste se i čisti metali i posebne legure standardiziranog sastava. Kalibracijske tablice za standardne termoelemente sastavljaju se pod uvjetom da je temperatura uspona jednaka 0 O C. U praksi nije uvijek moguće održati ovu temperaturu. U takvim slučajevima očitavanje termoelementa se korigira za temperaturu uspona. Postoje sheme za automatsku korekciju.
Konstrukcijski, termoelementi su izrađeni u obliku dvije izolirane termoelektrode s radnim spojem dobivenim zavarivanjem, smještenim u zaštitne armature koje štite termoelement od vanjskih utjecaja i oštećenja. Radni krajevi termoelementa dovedeni su u glavu termoelementa, opremljenu stezaljkama za spajanje termoelementa na električni krug.
Stol 15.1 prikazane su karakteristike industrijskih termoelemenata. Za mjerenje visokih temperatura koriste se termoelementi PP, PR i VR. Za mjerenja s povećanom točnošću koriste se termoelementi od plemenitih metala.
Ovisno o izvedbi, termoelementi mogu imati toplinsku inerciju karakteriziranu vremenskom konstantom od sekundi do nekoliko minuta, što ograničava njihovu upotrebu za mjerenje temperatura koje se brzo mijenjaju.
Osim spajanja mjernog uređaja na spoj termoelementa, moguće je spojiti uređaj na "elektrodu", t.j. u puknuće jedne od termoelektroda (slika 15.1, c). Takvo uključivanje, u skladu s (15.1), omogućuje mjerenje temperaturne razlike t 1 - t 2 ... Na primjer, može se izmjeriti pregrijavanje namota transformatora u odnosu na temperaturu okoline tijekom ispitivanja. Za to se radni spoj termoelementa ugrađuje u namot, a slobodni spoj se ostavlja na temperaturi okoline.
Tablica 15.1. Karakteristike termoelementa
Oznaka |
Raspon primjene, o C |
|
Bakar - Copel |
||
Chromel - Copel |
||
Chromel - alumel |
||
Platinasti rodij (10% Rh) - platina |
||
Platinasti rodij (30% Rh ) - platina rodij (6% Rh) |
||
volfram (5% Ponovno ) - volfram (20% Ponovno) |
Zahtjev za konstantnom temperaturom slobodnih krajeva termoelementa prisiljava ih da se uklone s mjesta mjerenja što je više moguće. U tu svrhu koriste se takozvane produžne ili kompenzacijske žice KP, spojene na slobodne krajeve termoelementa u skladu s polaritetom (slika 15.1, d). Kompenzacijske žice se sastoje od različitih vodiča, koji u rasponu mogućih temperaturnih fluktuacija slobodnih krajeva razvijaju u paru isti TEMF kao i termoelement. Stoga, ako su spojne točke kompenzacijskih žica na temperaturi t 2 , te temperaturu na mjestu gdje je termoelement spojen na uređaj t 0 , tada će termoelement TEMF odgovarati njegovoj kalibraciji na temperaturi slobodnih krajeva t 0.
Maksimalni TEMF razvijen standardnim termoelementima kreće se od jedinica do desetaka milivolti.
Za mjerenje TEMF-a mogu se koristiti magnetoelektrični, elektronički (analogni i digitalni) milivoltmetri i potenciometri istosmjerne struje. Prilikom korištenja milivoltmetara magnetoelektričnog sustava, treba imati na umu da je napon izmjeren milivoltmetrom na njegovim stezaljkama
gdje ja - struja u krugu termoelementa, i R V Je otpor milivoltmetra.
Budući da je izvor struje u krugu termoelement, onda
I = E / (R V + R VN),
gdje je R VN - otpor dijela kruga izvan milivoltmetra (tj. elektrode termoelementa i kompenzacijske žice). Stoga će napon izmjeren milivoltmetrom biti jednak
U = E / (1+ R VN / R V).
Dakle, očitanja milivoltmetra više se razlikuju od TEMF termoelementa, što je veći omjer R BiH / R V ... Kako bi se smanjila pogreška zbog utjecaja vanjskog otpora, milivoltmetri dizajnirani za rad s termoelementima (tzv. pirometrijski milivoltmetri) kalibriraju se za određenu vrstu termoelementa i na određenu nazivnu vrijednost R BH naznačeno na skali uređaja. Pirometrijski milivoltmetri serijski se proizvode s klasama točnosti od 0,5 do 2,0.
Ulazna impedancija elektroničkih milivoltmetara je vrlo visoka, a učinak otpora R BH na očitanja je zanemariva.
Piezoelektrični pretvarači.
Takvi pretvarači temelje se na korištenju izravnog piezoelektričnog efekta, koji se sastoji u pojavi električnih naboja na površini nekih kristala (kvarc, turmalin, Rochelleova sol itd.) pod utjecajem mehaničkih naprezanja. Neki polarizirani keramički materijali (barijev titanat, olovni cirkonat titanat) također imaju piezoelektrični učinak.
Ako od kvarcnog kristala izrežete ploču u obliku paralelepipeda s plohama koje se nalaze okomito na optički 0 z, mehanički 0 god i električni 0 NS osi kristala (slika 15.2), zatim kada se sila primjenjuje na ploču F x usmjerena duž električne osi, na licima NS pojavljuju se optužbe
Q x = K p F x, (15.2)
gdje je K str - piezoelektrični koeficijent (modulus).
Kada se na ploču primjenjuje sila F g duž mehaničke osi, na istim rubovima NS nastaju optužbe
Q y = K p F y a / b,
gdje su a i b - dimenzije rubova ploče. Mehaničko djelovanje na ploču duž optičke osi ne uzrokuje pojavu naboja.
Piezoelektrični efekt je naizmjeničan; kada se promijeni smjer primijenjene sile, predznaci naboja na površini lica mijenjaju se u suprotne. Materijali zadržavaju svoja piezoelektrična svojstva samo na temperaturama ispod Curiejeve točke.
Veličina piezoelektričnog koeficijenta (modula) K n i temperatura Curie točke za kvarc i obične keramičke piezoelektrike dane su u tablici. 15.2.
Proizvodnja pretvarača od piezoelektrične keramike mnogo je lakša nego od monokristala. Keramički senzori se proizvode po tehnologiji uobičajenoj za radiokeramičke proizvode - prešanjem ili brizganjem; na keramiku se nanose elektrode, na elektrode se zavaruju vodovi. Za polarizaciju se keramički proizvodi stavljaju u jako električno polje, nakon čega poprimaju svojstva piezoelektričnih materijala.
Elektromotorna sila koja nastaje na elektrodama piezoelektričnog pretvarača je prilično značajna - nekoliko volti. Međutim, ako je sila koja se primjenjuje na pretvarač konstantna, tada je teško izmjeriti EMF, budući da je naboj mali i brzo se odvodi kroz ulazni otpor voltmetra. Ako je sila promjenjiva, a istovremeno je period promjene sile mnogo manji od vremenske konstante pražnjenja određene kapacitivnošću pretvarača i otporom na curenje, tada proces propuštanja gotovo da nema utjecaja na izlazni napon uređaja. konverter. Kad se snaga promijeni F prema zakonu F = F m sin t EMF se također mijenja sinusno.
Dakle, mjerenje neelektričnih veličina koje se mogu pretvoriti u izmjeničnu silu koja djeluje na piezoelektrični pretvarač svodi se na mjerenje izmjeničnog napona ili EMF-a.
Tablica 15.2. Kvarcni i keramički piezoelektrični parametri
Materijal (marka) |
Curiejeva točka, o C |
|
barijev titanat (TB-1) olovni cirkonat titanat (TsTS-19) |
70,0x10 -12 119,0x10 -12 |
Piezoelektrični mjerni pretvarači naširoko se koriste za mjerenje parametara kretanja: linearno i vibracijsko ubrzanje, udar, zvučni signali.
Ekvivalentni krug piezoelektričnog pretvarača prikazan je na Sl. 15.3, a) u obliku generatora s unutarnjim kapacitetom S ... Budući da je snaga takvog piezoelektričnog elementa iznimno mala, za mjerenje izlaznog napona (10) potrebno je koristiti uređaje s velikom ulaznom impedancijom. 11 ... 10 15 Ohma).
Za povećanje korisnog signala piezoelektrični senzori su izrađeni od nekoliko elemenata spojenih u seriju.
Uređaj piezoelektričnog senzora za mjerenje ubrzanja vibracija prikazan je na Sl. 15.3, b). Piezoelektrični element (obično piezokeramički) napunjen poznatom masom m , smješten u kućište 1 i kroz stezaljke 2 uključen je u krug elektroničkog milivoltmetra V ... Zamjena u formulu za naboj koji nastaje na licima izraz F = ma, gdje je a - ubrzanje, a uzimajući u obzir (15.2), dobivamo
U = K u a,
gdje je K u - faktor konverzije napona senzora.
STRANA 6
EMBED Visio.Crtež.6
Otporni termometri.
Otporni termometri, kao i termoparovi, dizajnirani su za mjerenje temperature plinovitih, čvrstih i tekućih tijela, kao i površinske temperature. Princip rada termometara temelji se na korištenju svojstava metala i poluvodiča za promjenu njihovog električnog otpora s temperaturom. Za vodiče izrađene od čistih metala, ova ovisnost u temperaturnom rasponu od -200 ° C do 0 ° C ima oblik:
R t = R 0,
i u temperaturnom rasponu od 0°C do 630°C
R t = R 0 [ 1+ At + Bt 2],
gdje R t, R 0- otpor vodiča na temperaturi t i 0°C; A, B, S - koeficijenti; t- temperatura, °C.
U temperaturnom rasponu od 0 ° C do 180 ° C, ovisnost otpora vodiča o temperaturi opisuje se približnom formulom
R t = R 0 [ 1+ αt],
gdje α - temperaturni koeficijent otpora materijala vodiča (TCR).
Za gole metalne vodiče α ≈ 6-10 -3 ... 4-10 -3 stupnja -1.
Mjerenje temperature otpornim termometrom svodi se na mjerenje njegovog otpora R t, s naknadnim prijelazom na temperaturu prema formulama ili kalibracijskim tablicama.
Razlikovati žičane i poluvodičke otporne termometre. Žičani otporni termometar je tanka žica izrađena od čistog metala, pričvršćena na okvir od materijala otpornog na temperaturu (osjetni element), smješten u zaštitnu armaturu (slika 6.4).
Slika 6.4 - Osjetni element otpornog termometra
Vodovi iz senzorskog elementa spojeni su na glavu termometra. Izbor za proizvodnju otpornih termometara žica od čistih metala, a ne od legura, posljedica je činjenice da je TCR čistih metala veći od onog kod legura i stoga su termometri na bazi čistih metala osjetljiviji.
Industrija proizvodi otporne termometre od platine, nikla i bakra. Kako bi se osigurala izmjenjivost i ujednačena kalibracija termometara, vrijednosti njihovog otpora su standardizirane R 0 i TCS.
Poluvodički otporni termometri (termistori) su perle, diskovi ili šipke izrađene od poluvodičkog materijala s vodovima za spajanje na mjerni krug.
Industrija serijski proizvodi mnoge vrste termistora u različitim izvedbama.
Dimenzije termistora su u pravilu male - oko nekoliko milimetara, a neke vrste su desetinke milimetra. Radi zaštite od mehaničkih oštećenja i izlaganja okolišu, termistori su zaštićeni staklenim ili emajliranim premazima, kao i metalnim poklopcima.
Termistori obično imaju otpore od jedinica do stotina kilo-oma; njihov je TCR u području radne temperature za red veličine veći od onog kod žičanih termometara. Kao materijali za radnu tekućinu termistora koriste se mješavine oksida nikla, mangana, bakra, kobalta, koje se miješaju s vezivom, daju mu traženi oblik i sinteriraju na visokoj temperaturi. Termistori se koriste za mjerenje temperatura u rasponu od -100 do 300°C. Inercija termistora je relativno niska. Njihovi nedostaci uključuju nelinearnost temperaturne ovisnosti otpora, nedostatak zamjenjivosti zbog velikog širenja nominalnog otpora i TCR-a, kao i nepovratnu promjenu otpora tijekom vremena.
Za mjerenja u temperaturnom području blizu apsolutne nule koriste se germanijevi poluvodički termometri.
Mjerenje električnog otpora termometara provodi se pomoću AC i DC mostova ili kompenzatora. Značajka termometrijskih mjerenja je ograničenje mjerne struje kako bi se isključilo zagrijavanje radnog tijela termometra. Za žičane otporne termometre preporuča se odabrati mjernu struju tako da snaga koju rasipa termometar ne prelazi 20 ... 50 mW. Dopuštena disipacija snage u termistorima je znatno manja i preporuča se eksperimentalno odrediti za svaki termistor.
Transduktori osjetljivi na naprezanje (mjerači naprezanja).
U praksi projektiranja često je potrebno mjeriti mehanička naprezanja i deformacije u elementima konstrukcije. Najčešći pretvarači ovih veličina u električni signal su mjerači napetosti. Rad mjerača naprezanja temelji se na svojstvu metala i poluvodiča da mijenjaju svoj električni otpor pod djelovanjem sila koje se na njih primjenjuju. Najjednostavniji mjerač naprezanja može biti komad žice, čvrsto pričvršćen na površinu deformiranog dijela. Istezanje ili stezanje dijela uzrokuje proporcionalno širenje ili kontrakciju žice, uslijed čega se mijenja njezin električni otpor. U granicama elastičnih deformacija, relativna promjena otpora žice povezana je s njezinim relativnim istezanjem omjerom:
ΔR / R = K T Δl / l,
gdje l, R- početna duljina i otpor žice; Δl, ΔR- prirast duljine i otpora; K T- koeficijent tensenzitivnosti.
Vrijednost koeficijenta mjerenja naprezanja ovisi o svojstvima materijala od kojeg je mjerač naprezanja izrađen, kao i o načinu pričvršćivanja mjerača naprezanja na proizvod. Za metalne žice raznih metala K T = 1... 3,5.
Razlikovati žičane i poluvodičke mjerače naprezanja. Za izradu žičanih mjerača deformacije koriste se materijali koji imaju dovoljno visok koeficijent deformacije i niski temperaturni koeficijent otpora. Najčešći materijal za izradu žičanih mjerača je konstantanska žica promjera 20 ... 30 mikrona.
Strukturno, mjerači naprezanja žice su rešetka koja se sastoji od nekoliko žičanih petlji zalijepljenih na tanku papirnatu (ili drugu) podlogu (slika 6.5). Ovisno o materijalu podloge, mjerači naprezanja mogu raditi na temperaturama od -40 do + 400 °C.
Slika 6.5 - Mjerač naprezanja
Postoje izvedbe mjerača naprezanja pričvršćenih na površinu dijelova s cementima, sposobnih za rad na temperaturama do 800 ° C.
Glavne karakteristike mjerača napetosti su nazivni otpor R, baza l i mjerni koeficijent K T Industrija proizvodi širok raspon mjerača naprezanja s osnovnom veličinom od 5 do 30 mm, nominalnim otporom od 50 do 2000 Ohma, s faktorom mjerenja naprezanja od 2 ± 0,2.
Daljnji razvoj žičanih mjerača naprezanja su folijski i filmski mjerači naprezanja, čiji je osjetljivi element rešetka folijskih traka ili najtanji metalni film koji se nanosi na podloge na bazi laka.
Mjerači naprezanja izrađuju se na bazi poluvodičkih materijala. Učinak deformacije je najizraženiji u germaniju, siliciju itd. Glavna razlika između poluvodičkih mjerača deformacije i žičanih mjerača je velika (do 50%) promjena otpora tijekom deformacije zbog velike vrijednosti koeficijenta deformacije.
Induktivni pretvarači.
Induktivni pretvarači se koriste za mjerenje pomaka, dimenzija, odstupanja u obliku i položaju površina. Pretvarač se sastoji od fiksne prigušnice s magnetskom jezgrom i armature, koja je također dio magnetskog kruga, koja se kreće u odnosu na induktor. Za postizanje najveće moguće induktivnosti magnetska jezgra zavojnice i armatura izrađeni su od feromagnetskih materijala. Kada se armatura pomiče (povezana, na primjer, sa sondom mjernog uređaja), mijenja se induktivnost zavojnice, a time i struja koja teče u namotu. Na slici 6.6 prikazani su dijagrami induktivnih pretvarača s promjenjivim zračnim rasporom. δ (Slika 6.6 a) koristi se za mjerenje pomaka unutar 0,01 ... 10 mm; s promjenjivom površinom zračnog raspora S 0(Slika 6.6 b), koristi se u rasponu od 5 ... 20 mm.
Slika 6.6 - Induktivni pretvarači pomaka
6.2. Operacijska pojačala
Operativno pojačalo(OA) je DC diferencijalno pojačalo s vrlo visokim pojačanjem. Za naponsko pojačalo prijenosna funkcija (pojačanje) određena je izrazom
Da bi se pojednostavili proračuni dizajna, pretpostavlja se da idealno operacijsko pojačalo ima sljedeće karakteristike:
1 Pojačanje otvorene petlje je beskonačno.
2 Ulazna impedancija R d jednako beskonačnosti.
3 Izlazna impedancija R o = 0.
4 Širina pojasa je beskonačna.
5 V o= 0 for V 1 = V 2(bez napona pomaka nule). Posljednja karakteristika je vrlo važna. Jer V1-V2 = Vo / A onda ako glas ima konačnu vrijednost, a koeficijent A je beskonačno velik (tipična vrijednost 100000) imat ćemo
V 1 - V 2= 0 i V 1 = V 2.
Budući da je ulazna impedancija za diferencijalni signal ( V 1 - V 2) je također vrlo velika, zatim struja kroz R d Ove dvije pretpostavke uvelike pojednostavljuju dizajn krugova na operacijskom pojačalu.
Pravilo 1. Kada op-pojačalo radi u linearnom području, isti naponi djeluju na njegova dva ulaza.
Pravilo 2. Ulazne struje za oba ulaza op-pojačala su nula.
Razmotrite osnovne blokove krugova na op-pojačalu. U većini ovih sklopova, op-pojačalo se koristi u konfiguraciji zatvorene petlje.
6.2.1. Pojačalo s jediničnim pojačanjem (repetitor napona)
Ako ubacite neinvertirajuće pojačalo Ri jednako beskonačnosti, a Rf jednak nuli, tada dolazimo do sheme prikazane na slici 6.7.
Slika 6.7 - Pratilac napona
Prema pravilu 1, ulazni napon također djeluje na invertirajući ulaz op-pojačala. V i, koji se izravno prenosi na izlaz kruga. Stoga, V o = V i, a izlazni napon slijedi (ponavlja) ulazni napon. Kod mnogih analogno-digitalnih pretvarača ulazna impedancija ovisi o vrijednosti istog ulaznog signala. Pratilac napona osigurava da je ulazni otpor konstantan.
6.2.2. Zbirke
Invertirajuće pojačalo može dodati više ulaznih napona. Svaki ulaz zbrojivača povezan je s invertirajućim ulazom op-pojačala preko ponderirajućeg otpornika. Invertirajući ulaz naziva se čvor za zbrajanje jer se ovdje zbrajaju sve ulazne i povratne struje. Osnovni shematski dijagram zbrojnog pojačala prikazan je na slici 6.8.
Kao u konvencionalnom invertirajućem pojačalu, napon na invertirajućem ulazu mora biti nula, stoga je struja koja teče u op-amp također nula. Tako,
Slika 6.8 - Osnovni shematski dijagram pojačala za zbrajanje
Budući da nulti napon djeluje na invertirajući ulaz, tada nakon odgovarajućih zamjena dobivamo:
Otpornik R f određuje ukupni dobitak kruga. Otpori R 1 , R 2 ,...R n postavite vrijednosti faktora težine i ulaznih otpora odgovarajućih kanala.
6.2.3. Integratori
Integrator je elektronički sklop koji proizvodi izlazni signal proporcionalan integralu (tekom vremena) ulaznog signala.
Slika 6.9 - Shematski dijagram analognog integratora
Slika 6.9 prikazuje shematski dijagram jednostavnog analognog integratora. Jedan izlaz integratora spojen je na čvor za zbrajanje, a drugi na izlaz integratora. Stoga je napon na kondenzatoru ujedno i izlazni napon. Izlazni signal integratora ne može se opisati jednostavnim algebarskim odnosom, budući da se pri fiksnom ulaznom naponu izlazni napon mijenja brzinom određenom parametrima V i, R i S... Dakle, da biste pronašli izlazni napon, morate znati trajanje ulaznog signala. Napon na početno ispražnjenom kondenzatoru:
gdje i f- kroz kondenzator i t i- vrijeme integracije. Za pozitivu V i imamo i f = V i / R... Ukoliko i f = ja i tada, uzimajući u obzir inverziju signala, dobivamo:
Iz ove relacije proizlazi da V o određuje se integralom (s suprotnim predznakom) ulaznog napona u području od 0 do t i pomnoženo s faktorom skale 1 / RS... napon V ic Je li napon na kondenzatoru u početnom trenutku ( t = 0).
6.2.4. Diferencijatori
Diferencijator proizvodi izlazni signal proporcionalan brzini promjene ulaznog signala tijekom vremena. Slika 6.10 prikazuje shematski dijagram jednostavnog diferencijatora.
Slika 6.10 - Shematski dijagram diferencijatora
Struja kroz kondenzator je:
Ako je izvedenica dV i / dt pozitivno, trenutno ja i teče u takvom smjeru da se stvara negativni izlazni napon V o... Tako,
Ova metoda diferencijacije signala čini se jednostavnom, ali u njenoj praktičnoj provedbi postoje problemi s osiguranjem stabilnosti kruga na visokim frekvencijama. Nije svako operacijsko pojačalo prikladno za korištenje u diferencijatoru. Kriterij odabira je izvedba op-pojačala: trebate odabrati op-pojačalo s visokom maksimalnom stopom napona i proizvodom s visokim pojačanjem i širinom pojasa. Op-pojačala velike brzine na tranzistorima s efektom polja dobro rade u diferencijatorima.
6.2.5. Komparatori
Komparator je elektronički sklop koji uspoređuje dva ulazna napona i proizvodi izlaz na temelju stanja ulaza. Osnovni shematski dijagram komparatora prikazan je na slici 6.11.
Slika 6.11 - Shematski dijagram komparatora
Kao što možete vidjeti, ovdje op-amp radi s otvorenom povratnom spregom. Na jedan od njegovih ulaza primjenjuje se referentni napon, a na drugi nepoznati (uspoređivani) napon. Izlaz komparatora pokazuje je li nepoznati ulaz iznad ili ispod referentnog napona. U krugu na slici 6.11 referentni napon V r se dovodi na neinvertirajući ulaz, a nepoznati signal se dovodi na invertirajući ulaz V i.
Na V i > V r napon se postavlja na izlazu komparatora V 0=-V r(negativni napon zasićenja). Inače, dobivamo V 0 = +V r... Možete mijenjati položaje ulaza - to će dovesti do inverzije izlaznog signala.
6.3. Prebacivanje mjernog signala
U informacijskoj i mjernoj tehnologiji, kod implementacije analognih mjernih pretvorbi, često je potrebno izvesti električne veze između dvije ili više točaka mjernog kruga kako bi se izazvao potrebni prijelazni proces, raspršila energija koju pohranjuje reaktivni element (npr. , ispraznite kondenzator), spojite napajanje mjernog kruga, uključite memoriju analogne ćelije, uzmite uzorak kontinuiranog procesa tijekom uzorkovanja itd. Osim toga, mnogi mjerni instrumenti provode mjerne pretvorbe uzastopno na velikom broju električnih veličina raspoređenih u prostoru. Za provedbu navedenog koriste se mjerni prekidači i mjerni ključevi.
Prekidač za mjerenje naziva se uređaj koji pretvara prostorno razdvojene analogne signale u signale odvojene u vremenu, i obrnuto.
Mjerne sklopke za analogne signale karakteriziraju sljedeći parametri:
- dinamički raspon komutiranih vrijednosti; greška prijenosnog koeficijenta;
Brzina (frekvencija prebacivanja i/ili vrijeme potrebno za izvođenje jedne operacije prebacivanja); broj uključenih signala;
Maksimalni broj uključenja (za sklopke s kontaktnim mjernim ključem) .
Ovisno o vrsti mjernih ključeva koji se koriste u prekidaču, kontakt i beskontaktno prekidači. Mjerna sklopka je uređaj s dva terminala s izraženom nelinearnošću strujno-naponske karakteristike. Prijelaz ključa iz jednog stanja (zatvoreno) u drugo (otvoreno) izvodi se pomoću upravljačkog elementa.
6.4. Analogno digitalno pretvaranje
Analogno-digitalna pretvorba sastavni je dio mjernog postupka. U pokaznim uređajima, ova operacija odgovara čitanju brojčanog rezultata od strane eksperimentatora. U digitalnim i procesorskim mjernim instrumentima analogno-digitalna pretvorba se obavlja automatski, a rezultat ili ide izravno na zaslon, ili se unosi u procesor za obavljanje naknadnih mjernih pretvorbi u numeričkom obliku.
Metode analogno-digitalne pretvorbe u mjerenjima razvijene su duboko i temeljito i svode se na prikaz trenutnih vrijednosti ulaznog djelovanja u fiksnim vremenskim točkama odgovarajućom kombinacijom koda (brojem). Fizička osnova analogno-digitalne pretvorbe je gatiranje i usporedba s fiksnim referentnim razinama. Najrasprostranjeniji su ADC-ovi bit-po-bitnog kodiranja, sekvencijalnog brojanja, balansiranja praćenja i neki drugi. Pitanja metodologije analogno-digitalne pretvorbe koja su povezana s trendovima razvoja ADC-a i digitalnih mjerenja u narednim godinama uključuju, posebice:
Uklanjanje nejasnoća čitanja u najbržim ADC-ovima za usporedbu, koji postaju sve rašireniji razvojem integralne tehnologije;
Postizanje tolerancije kvarova i poboljšanje mjeriteljskih karakteristika ADC-a temeljenog na redundantnom Fibonaccijevom brojevnom sustavu;
Aplikacija za analogno-digitalnu pretvorbu statističke metode ispitivanja.
6.4.1 Digitalni, analogni i analogno-digitalni pretvarači
Digitalno-analogni (DAC) i analogno-digitalni pretvarači (ADC) sastavni su dio sustava automatskog upravljanja i regulacije. Osim toga, budući da je velika većina mjerenih fizičkih veličina analogna, a njihova obrada, indikacija i registracija u pravilu se provode digitalnim metodama, DAC i ADC se široko koriste u automatskim mjernim instrumentima. Dakle, DAC i ADC su dio digitalnih mjernih instrumenata (voltmetri, osciloskopi, spektralni analizatori, korelatori itd.), programabilni izvori napajanja, displeji na katodnim cijevima, ploteri, radarski sustavi, instalacije za nadzorne elemente i mikrosklopovi, važne su komponente razni pretvarači i generatori, ulazno-izlazni uređaji za računalne informacije. U telemetriji i televiziji otvaraju se široki izgledi za korištenje DAC-a i ADC-a. Serijska proizvodnja malih i relativno jeftinih DAC-ova i ADC-a omogućit će još širu primjenu diskretnih kontinuiranih metoda pretvorbe u znanosti i tehnologiji.
Postoji tri varijante konstruktivne tehnološke izvedbe DAC-a i ADC-a: modularni, hibrid i sastavni.
Istodobno, udio proizvodnje DAC-a i ADC-a integriranih sklopova (PS) u ukupnom volumenu njihove proizvodnje stalno raste, čemu uvelike doprinosi raširena uporaba mikroprocesora i metoda digitalne obrade podataka.
DAC- uređaj koji stvara analogni signal (napon ili struju) na izlazu, proporcionalan ulaznom digitalnom signalu. U tom slučaju vrijednost izlaznog signala ovisi o vrijednosti referentnog napona U na koji definira punu skalu izlaznog signala. Ako koristite bilo koji analogni signal kao referentni napon, tada će izlazni signal DAC-a biti proporcionalan umnošku ulaznih digitalnih i analognih signala. U ADC-u, digitalni izlazni kod je određen omjerom pretvorenog analognog ulaznog signala i referentnog signala pune skale. Ovaj odnos je također ispunjen ako se referentni signal mijenja prema nekom zakonu. ADC se može zamisliti kao mjerač omjera ili djelitelj napona s digitalnim izlazom.
6.4.2. Principi rada, osnovni elementi i blok dijagrami ADC-a
Trenutno je razvijen veliki broj tipova ADC-a koji zadovoljavaju različite zahtjeve. U nekim slučajevima, prevladavajući zahtjev je visoka točnost, u drugima - brzina pretvorbe.
Prema principu rada, sve postojeće vrste ADC-a mogu se podijeliti u dvije skupine:
ü ADC s usporedbom ulaznog pretvorenog signala s diskretnim razinama napona;
ü ADC integrirajućeg tipa.
U ADC-u koji uspoređuje ulazni signal koji se pretvara s diskretnim razinama napona, koristi se proces pretvorbe čija je bit generirati napon s razinama ekvivalentnim odgovarajućim digitalnim kodovima i usporediti te razine napona s ulaznim naponom kako bi se odredio digitalni ekvivalent ulaznog signala. U tom slučaju se razine napona mogu formirati istovremeno, uzastopno ili kombinirano.
Korak po korak pilasti ADC jedan je od najjednostavnijih pretvarača (slika 6.12).
Slika 6.12 - Blok dijagram ADC sekvencijalnog brojanja
CC - shema usporedbe; Sč - brojač impulsa; RP - memorijski registar; DAC je digitalno-analogni pretvarač.
Na signalu "Start" brojač se postavlja u nulto stanje, nakon čega, kako sat pulsira frekvencijom od f T izlazni napon DAC-a raste u linearnom koraku. Po dostizanju napona U van vrijednosti U ulazni sklop za usporedbu prestaje brojati impulse u brojaču S h, a kod s izlaza potonjeg upisuje se u memorijski registar. Širina bita i razlučivost takvih ADC-a određena je dubinom bita i razlučivosti DAC-a koji se u njemu koristi. Vrijeme pretvorbe ovisi o razini ulaznog pretvorenog napona. Za ulazni napon koji odgovara punoj vrijednosti skale, S h mora biti popunjen i istovremeno mora formirati puni kod na DAC ulazu. To zahtijeva vrijeme konverzije 11-bitnog DAC-a u (2 n-1) puta period sata. Za brzu analogno-digitalnu pretvorbu, korištenje takvih ADC-a je nepraktično.
U ADC-u za praćenje (slika 6.13), zbrajanje S h zamijenjen reverzibilnim brojačem RS h za praćenje promjene ulaznog napona. KN izlazni signal određuje smjer brojanja ovisno o tome prelazi li ulazni napon ADC-a izlazni napon DAC-a.
Slika 6.13 - Blok dijagram ADC tipa praćenja
Prije početka mjerenja RS h se postavlja na stanje koje odgovara sredini ljestvice (01 ... 1). Prvi ciklus konverzije ADC-a za praćenje analogan je ciklusu pretvorbe u nizu ADC-a. U budućnosti se ciklusi konverzije značajno smanjuju, budući da ovaj ADC uspijeva pratiti mala odstupanja ulaznog signala za nekoliko razdoblja takta, povećavajući ili smanjujući broj impulsa snimljenih u RS h, ovisno o predznaku neslaganja između trenutne vrijednosti preračunatog napona U ulazni i izlazni napon DAC-a.
ADC-i sukcesivne aproksimacije (bitwise balansiranja) našli su najrašireniju primjenu zbog prilično jednostavne implementacije, a istovremeno osiguravaju visoku razlučivost, točnost i brzinu, imaju nešto manju brzinu, ali znatno veću rezoluciju u usporedbi s ADC-ima koji implementiraju metodu paralelne pretvorbe. (Slika 6.14).
Za povećanje brzine rada kao upravljački uređaj koristi se razdjelnik impulsa RI i uzastopni aproksimacijski registar. Usporedba ulaznog napona s referentnim (DAC povratni napon) provodi se počevši od vrijednosti koja odgovara najznačajnijem bitu generiranog binarnog koda.
Kada se ADC pokrene uz pomoć RI, RPP se postavlja u početno stanje: 1000 ... 0. U tom slučaju na DAC izlazu se formira napon koji odgovara polovici raspona pretvorbe, što se osigurava uključivanjem njegovog najznačajnijeg bita.
Slika 6.14 - Blok dijagram bitova balansiranja ADC-a
SS - krug za usporedbu: T - flip-flop, RPP - sukcesivni aproksimacijski registar; RI - razdjelnik impulsa.
Ako je ulazni signal manji od signala iz DAC-a, kod 0100 ... 0 se generira na digitalnim ulazima DAC-a u sljedećem ciklusu uz pomoć RPP-a na digitalnim ulazima DAC-a, što odgovara uključivanje 2. najznačajnijeg bita. Kao rezultat toga, izlaz DAC-a je prepolovljen.
Ako ulazni signal premašuje signal iz DAC-a, u sljedećem ciklusu se na digitalnim ulazima DAC-a generira kod 0110 ... 0 i uključuje se dodatni 3. bit. U ovom slučaju, izlazni napon DAC-a, koji se povećao za jedan i pol puta, ponovno se uspoređuje s ulaznim naponom itd. Opisani postupak se ponavlja n puta (gdje n Je broj ADC bitova).
Kao rezultat toga, na izlazu DAC-a će se generirati napon koji se razlikuje od ulaznog napona za najviše jedan najmanji bitni dio DAC-a. Rezultat pretvorbe uzima se iz izlaza RPP-a.
Prednost ove sheme je mogućnost izgradnje višebitnih (do 12 bita i više) pretvarača relativno velike brzine (s vremenom konverzije reda nekoliko stotina nanosekundi).
U ADC-u za izravno očitavanje (paralelni tip) (slika 6.15), ulazni signal se istovremeno primjenjuje na ulaze svih SC, broj T koji je određen kapacitetom ADC-a i jednak je m = 2n-1, gdje n- broj ADC bitova. U svakom SC-u, signal se uspoređuje s referentnim naponom koji odgovara težini određene kategorije i uzima se iz čvorova otporničkog djelitelja koji napaja ION.
Izlazne signale KH obrađuje logički dekoder, koji generira paralelni kod, koji je digitalni ekvivalent ulaznog napona. Takvi ADC-i imaju najveću brzinu. Nedostatak takvih ADC-a je u tome što se povećanjem dubine bita broj potrebnih elemenata praktički udvostručuje, što otežava izgradnju višebitnih ADC-a ovog tipa. Točnost pretvorbe ograničena je točnošću i stabilnošću CV-a i djelitelja otpornika. Da bi se povećala dubina bita pri velikoj brzini, implementirani su dvostupanjski ADC-i, dok se bitovi nižeg reda izlaznog koda uklanjaju s izlaza drugog stupnja DS-a, a bitovi višeg reda uklanjaju se s izlaza DS-a prve etape.
Slika 6.15 - Blok dijagram paralelnog ADC-a
ADC s modulacijom širine impulsa(jednociklusna integracija)
ADC karakterizira činjenica da je razina analognog ulaznog signala U ulaz se pretvara u impuls čije trajanje t imp je funkcija vrijednosti ulaznog signala i digitalizira se prebrojavanjem broja perioda referentne frekvencije koji se uklapaju između početka i kraja impulsa. Izlazni napon integratora pod djelovanjem spojen na njegov ulaz U na mijenja se od nulte razine brzinom:
U trenutku kada izlazni napon integratora postane jednak ulaznom U in, aktivira se KN, zbog čega se završava formiranje trajanja impulsa, tijekom kojeg se broj razdoblja referentne frekvencije broji u ADC brojačima.
Trajanje impulsa određeno je vremenom tijekom kojeg je napon U u promjenama od nulte razine do U u:
Prednost ovog pretvarača je u njegovoj jednostavnosti, dok su nedostaci relativno mala brzina i niska točnost.
Slika 6.15 - Blok dijagram jednociklusnog integrirajućeg ADC-a
Pitanja za kontrolu asimilacije znanja:
1 Koji se fizikalni principi koriste u primarnim pretvaračima?
2 Kako se IP klasificira prema vrsti mjerene vrijednosti?
3 Glavni kriteriji za usklađivanje primarnih pretvarača s objektom mjerenja.
4 IP struktura, principi rada, funkcija transformacije i značajke aplikacije.
5 Objasnite osnovne sklopove na operacionim pojačalima (invertirajuća i neinvertirajuća pojačala, repetitori napona itd.).
6 Koje su mjeriteljske karakteristike analognih kalkulatora (zbrajači, integratori, diferencijatori)?
7 Mjerne sklopke, njihove karakteristike, ekvivalentni sklopovi, oznake na shemama.
8 Implementacija analogno-digitalne pretvorbe u ADC sekvencijalnog brojanja.
9 Načela rada. Osnovni elementi, blok dijagrami i karakteristike ADC-a i DAC-a.
Tema 18
Mjerni pretvarači (senzori)
Niti jedan upravljački sustav ne može raditi bez informacija o stanju kontrolnog objekta i njegovom odgovoru na kontrolno djelovanje. Element sustava koji pruža takve informacije je mjerni pretvarač-senzor .
Broj tipova senzora znatno premašuje broj mjernih veličina, budući da se ista fizička veličina može mjeriti različitim metodama i senzorima različite izvedbe.
Većinu senzora karakterizira električno mjerenje ne samo električnih i magnetskih, već i drugih fizikalnih veličina. Ovakav pristup je zbog prednosti električnih mjerenja, s obzirom na činjenicu da se električni signali mogu lako i brzo prenositi na velike udaljenosti, električne veličine se lako, brzo i točno pretvaraju u digitalni kod, te osiguravaju visoku točnost i osjetljivost.
Mnoge karakteristike mogu se uzeti kao klasifikacijska obilježja senzora: oblik funkcije pretvorbe; vrsta ulazne i izlazne količine; princip rada; konstruktivnu izvedbu.
Prema vrsti korištene energije senzori se mogu podijeliti na električne, mehaničke, pneumatske i hidraulične. Ovisno o vrsti izlaznog signala: analogni, diskretni, relejni, s prirodnim ili unificiranim izlaznim signalom.
Po prirodi transformacije ulazne vrijednosti u izlaznu: parametarski, generatorski, frekvencijski, fazni.
Po vrsti mjerene fizikalne veličine: linearni i kutni pomaci, tlak, temperatura, koncentracija tvari itd.
Princip rada parametarskih pretvarača je pretvaranje neelektričnih ulaznih veličina u parametre električnih krugova: otpor R, induktivnost L, kapacitet S, međusobna induktivnost M... Za napajanje ovih pretvarača potrebni su vanjski izvori napajanja. Ovi senzori uključuju: otporne, induktivne, transformatorske, kapacitivne pretvarače.
Generatorski pretvarači pretvaraju ulazne veličine u EMF. Ne zahtijevaju energiju iz dodatnih izvora energije.
To su indukcijski, termoelektrični, piezoelektrični, fotoelektrični pretvarači.
Fazni i frekvencijski pretvarači mogu biti parametarski i generatorski.
Reostat - izrađen u obliku reostata, čiji se pomični kontakt pomiče pod utjecajem ulazne izmjerene vrijednosti. Najčešće je senzor reostata uključen u mjerni sustav prema potenciometarskom krugu, ponekad se nazivaju potenciometrijski senzori.
Izlazna vrijednost senzora je električni otpor koji je funkcionalno povezan s položajem pomičnog kontakta. Takvi senzori se koriste za pretvaranje kutnih ili nelinearnih pomaka u odgovarajuću promjenu otpora, struje, napona.
Također se mogu koristiti za mjerenje tlaka, protoka, razine. Također se često koriste kao srednji pretvarači neelektričnih veličina u električne.
U uređajima za automatizaciju široko se koriste žičani reostatski pretvarači, koji se razlikuju po visokoj točnosti i stabilnosti funkcije pretvorbe, a imaju niski temperaturni koeficijent otpora (TCR).
Nedostaci uključuju nisku rezoluciju, relativno nizak otpor (do desetaka kOhma), ograničenu upotrebu u izmjeničnoj struji zbog preostale induktivnosti i kapaciteta namota.
Namotavanje se izvodi izoliranom žicom zavoj do zavoja ili zadanim korakom. Konstantan, manganin se koriste kao žica.
Ovaj tip senzora ne reagira na znak ulaznog signala, radi i na istosmjernu i na izmjeničnu struju.
Mjerači naprezanja... Njihov se rad temelji na učinku deformacije koji se sastoji u promjeni aktivnog otpora vodljivih i poluvodičkih materijala tijekom njihove mehaničke deformacije.
Karakteristika učinka deformacije materijala je koeficijent deformacije DO t, definiran kao omjer promjene otpora prema promjeni duljine vodiča
Konstantin - DO t = 2
nikrom - DO t = 2,2
Chrome - DO t = 2,5
Mjerni mjerači se koriste za mjerenje tlaka tekućina i plinova, pri mjerenju elastičnih deformacija materijala: pritisaka savijanja, uvijanja.
Kao tenziorezistivni materijal mogu se koristiti metali s niskim TCR: manganin, konstantan, nikrom, živa, visokotemperaturne legure, poluvodički materijali: germanij, silicij. Najrasprostranjeniji su metalni mjerači naprezanja. Dijele se na žicu i foliju, pri čemu je potonja savršenija.
Pretvarači ugljena. Njihov princip rada temelji se na promjeni kontaktnog otpora između čestica ugljena s promjenom tlaka. Koriste se za mjerenje napora, pritisaka, malih pomaka. Razlikovati stupove ugljena i tenzolite.
Prvi je set od 10-15 podložaka za uzemljenje izrađenih od ugljika za elektrode.
Karakteristika ugljičnog pretvarača je nelinearna, ima promjenjivu osjetljivost. Nestabilni su u radu, karakteristike ovise o temperaturi i vlažnosti okoliša, kvaliteti pripreme površine.
Potonji su male veličine i težine. Koriste se za mjerenje brzo promjenjivih i udarnih naprezanja u malim pokretnim dijelovima, dok rade i na napetost i na kompresiju. Koeficijent osjetljivosti tensolitnih pretvarača veći je od koeficijenta osjetljivosti mjerača napetosti i iznosi DO= 15 ¸ 20.
Izrađuje se u obliku traka koje se sastoje od mješavine grafita, čađe, bakelitnog laka i drugih komponenti. Ove trake su zalijepljene na ispitni komad.
Otporni pretvarači, unatoč svojim inherentnim nedostacima, još uvijek se široko koriste.
Kapacitivni pretvarači... Princip rada temelji se na promjeni kapacitivnosti kondenzatora pod utjecajem ulazne transformirane vrijednosti
gdje je e relativna dielektrična konstanta dielektrika; e 0 - dielektrična konstanta vakuuma; S- površina ploča; d je debljina dielektrika ili razmak između ploča.
Kapacitivni senzori se koriste za mjerenje kutnih i linearnih pomaka, linearnih dimenzija, razine, sila, koncentracije vlage itd.
Kod kapacitivnih ravnoparalelnih senzora mijenja se ravnina preklapanja S(varijabilna površina preklapanja) statička karakteristika je linearna.
Kod kapacitivnih pretvarača s promjenjivim zračnim rasporom, karakteristika je nelinearna.
Pretvornici i promjene dielektrične vodljivosti medija između elektroda naširoko se koriste za mjerenje razine tekućih i rasutih tvari, analizu sastava i koncentracije tvari u kemijskoj industriji, industriji prerade nafte, za brojanje proizvoda i protuprovalne alarme. Imaju linearnu statičku karakteristiku.
Kapacitet mjernih pretvarača, ovisno o konstrukcijskim značajkama, kreće se od desetinki do nekoliko tisuća pikofarada, što dovodi do potrebe korištenja porasta frekvencije Hz za napajanje senzora napona.
To je značajan nedostatak takvih pretvarača.
Dielektrična svojstva medija ponekad se mijenjaju temperaturom ili mehaničkim naprezanjem. Ovi efekti se također koriste za stvaranje odgovarajućih pretvarača.
Promjena propusnosti pod utjecajem temperature opisuje se izrazom
,
gdje je e t dielektrična konstanta materijala na temperaturi T; e 0 - dielektrična konstanta na temperaturi T 0; a - temperaturni koeficijent; ...
Ovisnost e o sili koja se na njega primjenjuje ima sličan oblik R
,
gdje je osjetljivost materijala na relativnu promjenu dielektrične konstante
.
Što je manji razmak d između elektroda, to je veći početni kapacitet pretvarača. Međutim, smanjenje zazora ograničeno je dielektričnom čvrstoćom međuelektrodnog medija i prisutnošću sile elektrostatičkog privlačenja ploča.
Pogreške kapacitivnih pretvarača uglavnom su određene utjecajem temperature i vlage na geometrijske dimenzije i dielektričnu konstantu medija. Oni su praktički neinercijski elementi.
DO zaslugama uključuju: jednostavnost dizajna, malu veličinu i težinu, visoku osjetljivost, visoku rezoluciju pri niskoj razini ulaznog signala, odsutnost pomičnih kontakata za prikupljanje struje, veliku brzinu, mogućnost dobivanja potrebnog zakona transformacije odabirom odgovarajućih projektnih parametara, ne utjecaj ulaznog kruga na mjerni krug.
Reaktancija opterećenja je odabrana jednaka vrijednosti i suprotnog predznaka unutarnjem otporu senzora.
