Ministerul Educației al Republicii Belarus

Instituție educațională

„Universitatea de Stat din Belarus

informatică și radio electronică"

Departamentul de Metrologie şi Standardizare

Traductoare parametrice de măsurare

Ghid pentru munca de laborator E.5B

pentru studenții specialității 54 01 01 - 02

„Metrologie, standardizare și certificare”

toate formele de educație

UDC 621.317.7 + 006.91 (075.8)

BBK 30.10ya73

Întocmit de V.T. Revin, L.E. Bataille

Instrucțiunile metodologice conțin scopul lucrării, informații succinte din teorie, o descriere a amenajării laboratorului, o sarcină de laborator și procedura de realizare a lucrării, precum și instrucțiuni pentru întocmirea unui raport și întrebări de testare pentru a testa cunoștințele elevilor. . Sunt luate în considerare principalele tipuri de traductoare parametrice de măsurare (reostat, inductiv și capacitiv), principalele lor caracteristici și circuite de includere în circuitul de măsurare. Finalizarea lucrărilor de laborator presupune determinarea caracteristicilor metrologice de bază (funcție de conversie, sensibilitate, eroare de bază, eroare în determinarea sensibilității) ale traductoarelor de măsurare considerate, precum și însuşirea tehnicii de măsurare a mărimilor neelectrice cu ajutorul traductoarelor de măsurare și găsirea erorilor în determinarea valori ale mărimilor neelectrice.

UDC 621.317.7 + 006.91 (075.8)

BBK 30,10 și 73

1 Scopul lucrării

1.1 Studiul principiului de funcționare, proiectare și caracteristici principale ale convertoarelor de măsură reostatice, capacitive și inductive de mărimi neelectrice în cele electrice.

1.2 Studiul metodelor de măsurare a mărimilor neelectrice folosind traductoare de măsurare reostatice, capacitive și inductive.

1.3 Determinarea practică a principalelor caracteristici ale traductoarelor de măsură și măsurarea mișcărilor liniare și unghiulare cu ajutorul acestora.

2 Scurte informații din teorie

O caracteristică a măsurătorilor moderne este necesitatea de a determina valorile multor mărimi fizice, dintre care majoritatea sunt mărimi neelectrice. Instrumentele electrice de măsurare sunt utilizate pe scară largă pentru măsurarea mărimilor neelectrice, datorită mai multor avantaje semnificative ale acestora. Acestea includ precizie ridicată de măsurare, sensibilitate și viteză ridicată a instrumentelor de măsurare, capacitatea de a efectua măsurători la distanță, conversia automată a informațiilor de măsurare, controlul automat al procesului de măsurare etc. O caracteristică a instrumentelor electrice de măsurare destinate măsurării mărimilor neelectrice este prezența obligatorie a unui convertor primar de măsurare a unei mărimi neelectrice într-una electrică.

Traductorul de măsurare primar stabilește o relație funcțională neechivocă între mărimea electrică de ieșire Y și mărimea neelectrică de intrare X: Y= f(X).

În funcție de tipul de semnal de ieșire, traductoarele de măsurare primare sunt împărțite în parametrice și generatoare.

ÎN parametrice La traductoarele de măsurare, mărimea de ieșire este un parametru al circuitului electric: rezistența R, inductanța L, inductanța reciprocă M sau capacitatea C. Când se utilizează traductoare de măsurare parametrice, este întotdeauna necesară o sursă de alimentare suplimentară, a cărei energie este utilizată pentru a genera ieșirea. semnal al traductorului.

ÎN generator La traductoarele de măsurare, mărimile de ieșire sunt fem, curent, tensiune sau sarcină. Atunci când se utilizează transmițătoare generatoare, sursele de alimentare auxiliare sunt utilizate numai pentru a amplifica semnalul recepționat.

Conform principiului de funcționare, traductoarele de măsurare parametrice sunt împărțite în reostatice, sensibile la deformare (extensometre), sensibile la temperatură (termorezistoare, termistoare), capacitive, inductive și ionizare.

Dependența valorii de ieșire a traductorului de măsurare Y de valoarea de intrare X, descrisă de expresie Y = f (X), numit functia de transformare. Adesea valoarea de ieșire a convertorului Y depinde nu numai de cantitatea măsurată de intrare X, dar și de la vreun factor extern Z. Prin urmare, în formă generală, funcția de transformare poate fi reprezentată printr-o dependență funcțională: Y = f (X, Z).

Atunci când dezvoltă traductoare de măsurare de mărimi neelectrice, aceștia se străduiesc să obțină o funcție de conversie liniară. Pentru a descrie o funcție de transformare liniară, este suficient să setați doi parametri: valoarea inițială a valorii de ieșire Y 0 (nivel zero), corespunzătoare zero sau altă valoare inițială a valorii de intrare X și parametrul S, care caracterizează panta a functiei de transformare.

În acest caz, funcția de transformare poate fi reprezentată după cum urmează:

Parametrul S, care caracterizează panta funcției de conversie, se numește sensibilitatea convertorului. Sensibilitatea traductorului acesta este raportul dintre modificarea valorii de ieșire a traductorului de măsurare ΔY și modificarea valorii de intrare ΔX care a provocat-o:

. (2)

Sensibilitatea convertorului este o mărime care are o dimensiune, iar dimensiunea depinde de natura cantităților de intrare și de ieșire. Pentru un convertor reostatic, de exemplu, sensibilitatea are dimensiunea Ohm/mm, pentru un convertor termoelectric - mV/K, pentru o celulă foto - μA/lm, pentru un motor - rpm/(sV) sau Hz/V, pentru un galvanometru - mm/μA și etc.

Cea mai importantă problemă în proiectarea și utilizarea unui traductor de măsurare este asigurarea consistenței sensibilității acestuia. Sensibilitatea ar trebui să depindă cât mai puțin posibil de valorile cantității de intrare X (în acest caz, funcția de transformare este liniară), rata de schimbare a lui X, timpul de funcționare al convertorului, precum și influența altor mărimi fizice care caracterizează nu obiectul în sine, ci mediul său (astfel de mărimi se numesc influenţând). Cu o funcție de transformare neliniară, sensibilitatea depinde de valorile mărimii de intrare: S = S(X) .

Gama de valori ale mărimilor neelectrice convertite cu ajutorul unui traductor de măsurare este limitată, pe de o parte, de limita de conversie și, pe de altă parte, de pragul de sensibilitate.

Limită de conversie convertorul este valoarea maximă a cantității de intrare care poate fi acceptată de convertor fără a o deteriora sau a distorsiona funcția de conversie.

Pragul de sensibilitate– aceasta este modificarea minimă a valorii valorii de intrare care poate provoca o modificare vizibilă a valorii de ieșire a convertorului.

Raport Y = f(X) exprimă în formă generală teoretică legile fizice care stau la baza funcționării convertoarelor. În practică, funcția de conversie este determinată experimental sub formă numerică ca rezultat al calibrării convertorului. În acest caz, pentru un număr de valori precis cunoscute ale lui X, se măsoară valorile corespunzătoare ale lui Y , ceea ce face posibilă construirea unei curbe de calibrare (Figura 1, A). Folosind curba de calibrare construită, din valorile mărimii electrice Y obținute în urma măsurării, se pot găsi valorile corespunzătoare ale mărimii neelectrice dorite X (Figura 1, b).

A– construirea unei curbe de calibrare pe baza valorilor măsurate ale valorilor X și Y;

b utilizarea unei curbe de calibrare pentru a determina valoarea de intrare X

Figura 1 - Caracteristica de calibrare a traductorului de măsurare

Cea mai importantă caracteristică a oricărui traductor de măsurare este sa eroare de bază, care este determinat de principiul de funcționare, imperfecțiunea designului convertorului sau tehnologia de fabricație a acestuia și se manifestă atunci când cantitățile influențate au valori normale sau se află în intervalul valorilor normale.

Eroarea principală a traductorului de măsurare poate avea mai multe componente, din cauza:

Inexactitatea instrumentelor de măsură standard cu care a fost determinată funcția de transformare;

Diferența dintre caracteristica de calibrare reală și funcția de conversie nominală; o expresie aproximativă (tabulară, grafică, analitică) a funcției de transformare;

Coincidența incompletă a funcției de conversie când mărimea neelectrică măsurată crește și scade (histereza funcției de conversie);

Reproductibilitatea incompletă a caracteristicilor traductorului de măsurare (cel mai adesea sensibilitate).

La calibrarea unei serii de convertoare de același tip, se dovedește că caracteristicile lor sunt oarecum diferite unele de altele, ocupând o anumită bandă. Prin urmare, pașaportul traductorului de măsurare conține o caracteristică medie numită nominal. Diferențele dintre caracteristicile nominale (certificat) și reale ale convertorului sunt considerate erori ale acestuia.

Calibrarea traductorului de măsurare (determinarea funcției de conversie reală) se realizează cu ajutorul instrumentelor de măsurare a mărimilor neelectrice și electrice. Ca exemplu, Figura 2 prezintă o diagramă bloc a unei instalații pentru calibrarea unui convertor reostatic. O riglă este folosită ca mijloc de măsurare a deplasării liniare (cantitate neelectrică), iar un contor digital L, C, R E7-8 este utilizat ca mijloc de măsurare a mărimii electrice - rezistență activă.

Figura 2 – Schema bloc a instalației pentru calibrarea convertorului reostatic

Procesul de calibrare a convertorului este următorul. Folosind un mecanism de mișcare, contactul în mișcare (motorul) convertorului reostatic este instalat secvențial pe marcajele digitizate ale scării riglei, iar la fiecare marcaj se măsoară rezistența activă a convertorului cu ajutorul dispozitivului E7-8. Valorile măsurate ale deplasării liniare și ale rezistenței active sunt introduse în tabelul de calibrare 1.

tabelul 1

În acest caz, obținem funcția de conversie a traductorului de măsurare, specificată sub formă tabelară. Pentru a obține o reprezentare grafică a funcției de transformare, trebuie să utilizați recomandările din Figura 1. A.

Trebuie totuși avut în vedere faptul că măsurarea deplasării liniare și a rezistenței active a fost efectuată cu o eroare cauzată de erorile instrumentale ale instrumentelor de măsură utilizate. În acest sens, determinarea funcției de transformare a fost efectuată și cu o anumită eroare (Figura 3).

Figura 3 – Erori în determinarea funcției de transformare

Deoarece sensibilitatea convertorului S, dată de panta funcției de conversie este determinată de formula (2), apoi calculul erorii în determinarea sensibilității convertorului Δ S trebuie efectuată pe baza unui algoritm de calcul al erorii rezultatului măsurării indirecte. În general, formula de calcul pentru Δ S după cum urmează:

Unde
,

Δ y 1 Și Δ y 2 – erori în determinarea valorilor de ieșire y 1 și y 2,

Δ X 1 Și Δ X 2 – erori în determinarea mărimilor de intrare x 1 şi x 2.

Erorile suplimentare ale traductorului de măsurare, datorită principiului său de funcționare, proiectării imperfecte și tehnologiei de fabricație, apar atunci când cantitățile de influență se abat de la valorile normale.

Pe lângă caracteristicile discutate mai sus, convertoarele de măsurare a mărimilor neelectrice în cele electrice se caracterizează prin: variația semnalului de ieșire, impedanța de ieșire, caracteristicile dinamice. Cele mai importante caracteristici tehnice includ și: dimensiuni, greutate, rezistență la suprasarcini mecanice, termice, electrice și de altă natură, fiabilitate, ușurință în instalare și întreținere, siguranță la explozie, cost de fabricație etc. .

Traductoarele variază bazat pe principiul conversiei semnalului.

Când conversie directă analogică(Figura 4) mărimea neelectrică măsurată X este furnizată la intrarea traductorului de măsurare primar (PMT). Mărimea electrică de ieșire Y a convertorului este măsurată de un dispozitiv de măsurare electrică (EIM), care include un traductor de măsurare și un dispozitiv indicator.

Figura 4 - Schema bloc a unui dispozitiv cu conversie analogică directă a mărimii neelectrice măsurate

În funcție de tipul mărimii de ieșire și de cerințele dispozitivului, un dispozitiv de măsurare electrică poate avea grade diferite de complexitate. Într-un caz este un milivoltmetru magnetoelectric, iar în celălalt este un dispozitiv digital de măsurare. De obicei, scara unui dispozitiv indicator EIP este calibrată în unități ale mărimii neelectrice care se măsoară. Mărimea neelectrică măsurată poate fi convertită în mod repetat pentru a potrivi limitele măsurării sale cu limitele conversiei PIP și pentru a obține un tip de acțiune de intrare mai convenabil pentru PIP. Pentru a efectua astfel de transformări, intrați în dispozitiv prefaţăcorp convertoare de mărimi neelectrice în cele neelectrice.

Cu un număr mare de convertoare intermediare în dispozitivele de conversie directă, eroarea totală crește semnificativ. Pentru a reduce eroarea, utilizați diferential detraductoare de masura, care au o eroare aditivă mai mică, o funcție de conversie neliniară mai mică și o sensibilitate mai mare în comparație cu dispozitivele de conversie directă.

Figura 5 prezintă o diagramă bloc a unui dispozitiv cu un traductor de măsurare diferenţială (DMT). Convertorul include o legătură diferențială DS cu două ieșiri, două canale de conversie (P1 și P2) și un dispozitiv de scădere VU. Când valoarea măsurată de intrare x se schimbă de la valoarea inițială x 0 la valoarea (x 0 + Δx), valorile de ieșire x 1 și x 2 la ieșirea DS primesc incremente cu semne diferite. După conversia lor în P1 și P2, valorile de ieșire ale convertoarelor y 1 și y 2 sunt scăzute. Ca rezultat, valoarea de ieșire a DIP (y = y 1 -y 2), furnizată mecanismului de măsurare al IM, este proporțională numai cu incrementul Δx a mărimii neelectrice măsurate.

Figura 5 – Schema bloc a unui dispozitiv cu conversie diferențială a mărimii neelectrice măsurate

În dispozitive cu transformare bazata pe principiul compensarii (echilibrare)în dispozitivul de comparare al convertorului are loc o comparație măsurabile mărime și omogenă cu acesta schimbătoare valoarea creată de nodul de feedback al UOS (Figura 6) Compararea valorilor se efectuează până când acestea sunt complet echilibrate. Convertizoarele inverse sunt folosite ca noduri de feedback, transformând o cantitate electrică într-una neelectrică (de exemplu, lămpi cu incandescență, convertoare electromecanice etc.).

Figura 6 – Schema bloc a unui dispozitiv cu traductor de măsurare de compensare

Dispozitivele de comparație compensatorie, în comparație cu dispozitivele de conversie directă, permit obținerea unei precizii mai mari, performanțe mai mari și consumă mai puțină energie de la obiectul de cercetare.

Instrumentele electrice pentru măsurarea mărimilor neelectrice pot fi fie analogice, fie digitale.

Convertoare reostate

Convertizoarele reostate se bazează pe o modificare a rezistenței electrice a unui conductor sub influența unei variabile de intrare - mișcare liniară sau unghiulară. Un traductor reostatic este un reostat (un cadru cu o înfășurare de sârmă aplicată pe el), al cărui contact în mișcare face o mișcare liniară sau unghiulară sub influența mărimii neelectrice măsurate. Reprezentările schematice ale unor modele de convertoare reostate sunt prezentate în Figura 6. a-c. Dimensiunile convertorului sunt determinate de valorile maxime ale deplasării măsurate, rezistența înfășurării și puterea electrică disipată în înfășurare. Pentru a obține o funcție de transformare neliniară, se folosesc convertoare reostatice funcționale. Tipul dorit de funcție de conversie este obținut prin profilarea cadrului convertorului (Figura 6, V).

La convertoarele reostatice, caracteristica de conversie statică are o natură în trepte, deoarece rezistența se modifică în trepte egale cu rezistența unei spire. Acest lucru determină apariția unei erori corespunzătoare, a cărei valoare maximă poate fi reprezentată ca:

, (4)

unde R este rezistența maximă a unei spire;

R este rezistența totală a convertorului.

ÎN rheochordaceae La convertoarele în care contactul în mișcare alunecă de-a lungul axei firului, această eroare poate fi evitată.

Convertizoarele reostate sunt incluse în circuitele de măsurare sub formă de punți echilibrate și neechilibrate, divizoare de tensiune etc.

Figura 7 – Traductoare de măsurare reostatice

Principalele dezavantaje ale convertoarelor reostatice sunt prezența unui contact de alunecare, necesitatea unor mișcări relativ mari și, uneori, un efort semnificativ de mișcare. Avantajele includ simplitatea designului și capacitatea de a obține semnale de ieșire semnificative.

Convertizoarele reostate sunt folosite pentru a măsura deplasări liniare și unghiulare relativ mari, precum și alte mărimi neelectrice care pot fi transformate în deplasare (forță, presiune etc.).

Convertoare inductive

Principiul de funcționare al convertoarelor inductive se bazează pe dependența inductanței proprii sau reciproce a înfășurărilor pe circuitul magnetic de poziția relativă, dimensiunile geometrice și rezistența magnetică a elementelor circuitului magnetic. Din inginerie electrică se știe că inductanța L înfăşurarea situată pe miezul magnetic (miezul magnetic) este determinată de expresia:

, (5)

unde Z M este rezistența magnetică a circuitului magnetic;

w- numărul de spire ale înfășurării.

Inductanță mutuală M două înfăşurări situate pe un miez magnetic cu rezistenţă magnetică Z M, este definit ca

, (6)

Unde w 1 Și w 2 - numărul de spire ale primei și celei de-a doua înfășurări.

Rezistența magnetică este determinată de expresia:

, ` (7)

Relațiile de mai sus arată că inductanța și inductanța reciprocă pot fi modificate prin modificarea lungimii δ sau a secțiunii transversale S a secțiunii de aer a circuitului magnetic, pierderea de putere P în circuitul magnetic etc.

Figura 8 prezintă schematic diferitele tipuri de convertoare inductive. O modificare a inductanței reciproce poate fi realizată, de exemplu, prin deplasarea miezului mobil (armatura) 1 în raport cu miezul fix 2, introducând o placă metalică nemagnetică 3 în spațiul de aer (Figura 8). A).

Figura 8 – Traductoare de măsurare inductive

Convertor inductiv cu lungime variabilă a spațiului de aer  (Figura 8, b) se caracterizează printr-o dependență neliniară L = f ( ). Un astfel de convertor are o sensibilitate ridicată și este de obicei utilizat la mutarea armăturii circuitului magnetic în intervalul de la 0,01 la 5 mm.

Sensibilitate semnificativ mai mică, dar dependență liniară a funcției de conversie L = f(S) Convertizoarele cu secțiune transversală variabilă a spațiului de aer diferă (Figura 8, V). Astfel de traductoare sunt utilizate atunci când se măsoară deplasări de până la 10 - 15 mm.

Convertizoarele diferențiale inductive sunt utilizate pe scară largă (Figura 8, G), în care o armătură mobilă este plasată între două miezuri fixe cu înfășurări. Când ancora se mișcă sub influența mărimii măsurate, lungimile se modifică simultan și cu semne diferite δ 1 Și δ 2 golurile de aer ale convertorului, în timp ce inductanța unei înfășurări va crește, iar cealaltă va scădea. Convertizoarele diferențiale sunt utilizate în combinație cu circuitele de măsurare în punte. În comparație cu convertoarele nediferențiale, acestea au o sensibilitate mai mare, o neliniaritate mai mică a funcției de conversie și sunt mai puțin influențate de factori externi.

Pentru a converti mișcări relativ mari (până la 50 - 100 mm), se folosesc convertoare transformatoare cu un circuit magnetic deschis (Figura 8, d).

Dacă miezul feromagnetic al convertorului este supus acțiunii mecanice de către o forță F, atunci din cauza unei modificări a permeabilității magnetice a materialului miezului, rezistența magnetică a circuitului se va modifica, ceea ce va implica și o modificare a inductanței L. și inductanța reciprocă M a înfășurărilor. Principiul de funcționare al convertoarelor magnetoelastice se bazează pe această dependență (Figura 8, e).

Traductoarele inductive sunt utilizate pentru măsurarea deplasărilor liniare și unghiulare, precum și a altor mărimi neelectrice care pot fi transformate în deplasare (forță, presiune, cuplu etc.). Proiectarea traductorului este determinată de gama de deplasări măsurate. Dimensiunile convertorului sunt selectate în funcție de puterea semnalului de ieșire necesară.

Pentru a măsura parametrul de ieșire a convertoarelor inductive, a circuitelor de măsurare în punte (de echilibru și neechilibru) și a generatorului, precum și a circuitelor cu folosind circuite rezonante, care au cea mai mare sensibilitate datorita abruptului mare a functiei de conversie.

În comparație cu alte traductoare de deplasare, traductoarele inductive se disting prin semnalele de ieșire de mare putere, simplitatea și fiabilitatea funcționării.

Principalele lor dezavantaje sunt: ​​efectul invers asupra obiectului studiat (efectul electromagnetului asupra armăturii) și influența inerției armăturii asupra caracteristicilor de frecvență ale dispozitivului.

Convertoare capacitive

Principiul de funcționare al traductoarelor capacitive de măsurare se bazează pe dependența capacității electrice a condensatorului de dimensiuni, poziția relativă a plăcilor sale și constanta dielectrică a mediului dintre ele.

Capacitatea electrică a unui condensator plat cu două plăci este descrisă prin expresia:

, (8)

Din această expresie este clar că un convertor capacitiv poate fi construit pe baza utilizării dependențelor C =f( ), C =f(S) sau C = f( ).

Figura 9 prezintă schematic proiectarea diferitelor convertoare capacitive.

Figura 9 – Traductoare capacitive de măsurare

Convertorul din figura 9, A este un condensator, dintre care o placă se mișcă sub influența mărimii neelectrice măsurate X în raport cu o placă staționară. Caracteristica statică a unui convertor folosind dependență C =f( ) este neliniar. Sensibilitatea traductorului crește odată cu scăderea distanței dintre plăci . Astfel de traductoare sunt folosite pentru a măsura mișcări mici (mai puțin de 1 mm).

Sunt de asemenea utilizate convertoare capacitive diferențiale (Figura 9, b), care au o placă mobilă și două fixe. Când sunt expuși la valoarea măsurată X, acești traductoare modifică simultan capacitățile C1 și C2.

În figura 9, V prezintă un convertor capacitiv diferențial cu o zonă variabilă a plăcii active, care utilizează dependența C =f(S) . Traductoarele cu acest design sunt utilizate pentru a măsura deplasări relativ mari. La aceste convertoare, caracteristica de conversie necesară poate fi obținută cu ușurință prin profilarea plăcilor.

Transformatoare care folosesc dependența C =f( ) folosit pentru a măsura nivelul lichidelor, umiditatea substanțelor, grosimea produselor dielectrice etc. Ca exemplu în figura 9, G Este afișat dispozitivul convertorului capacitiv al contorului de nivel. Capacitatea dintre electrozii coborâți în vas depinde de nivelul lichidului.

Pentru a măsura parametrul de ieșire al traductoarelor capacitive de măsurare, se folosesc poduri, circuite de măsurare a generatorului și circuite care utilizează circuite rezonante. Acestea din urmă fac posibilă crearea de dispozitive cu sensibilitate ridicată, capabile să răspundă la mișcări liniare de ordinul a 10 microni. Circuitele cu convertoare capacitive sunt de obicei alimentate cu curent de înaltă frecvență (până la zeci de MHz).

PRELEZA 15.

Traductoare de măsurare generatoare

În convertoarele generatoare, mărimea de ieșire este fem sau sarcina, raportată funcțional cu mărimea neelectrică măsurată.

Convertoare termoelectrice (termocupluri).

Pe baza efectului termoelectric care are loc în circuitul termocuplului. Aceste convertoare sunt folosite pentru a măsura temperatura. Principiul de funcționare al unui termocuplu este ilustrat în Fig. 15.1a, care prezintă un circuit termoelectric compus din doi conductori diferiți A și B . Punctele 1 și 2 care leagă conductorii se numesc joncțiuni de termocuplu. Dacă temperatura t joncțiunile 1 și 2 sunt identice, atunci nu există curent în circuitul termoelectric. Dacă temperatura uneia dintre joncțiuni (de exemplu, joncțiunea 1) este mai mare decât temperatura joncțiunii 2, atunci în circuit apare o forță termoelectromotoare (TEMF). E , în funcție de diferența de temperatură dintre joncțiuni

E = f (t 1 t 2). (15,1)

Dacă menținem constantă temperatura joncțiunii 2, atunci

E = f (t 1).

Această dependență este folosită pentru a măsura temperatura folosind termocupluri. Pentru a măsura TEMF, dispozitivul electric de măsurare este conectat la golul de la joncțiunea 2 (Fig. 15.1, b). Joncțiunea 1 se numește joncțiune fierbinte (de lucru), iar joncțiunea 2 se numește joncțiune rece (capetele 2 și 2 sunt numite capete libere).

Pentru ca TEMF al unui termocuplu să fie determinat fără ambiguitate de temperatura joncțiunii fierbinți, este necesar să se mențină întotdeauna aceeași temperatură a joncțiunii reci.

Pentru fabricarea electrozilor de termocuplu se folosesc atât metale pure, cât și aliaje speciale cu compoziție standardizată. Tabelele de calibrare pentru termocuplurile standard sunt întocmite cu condiția ca temperatura capetelor libere să fie egală cu 0 O C. În practică, nu este întotdeauna posibilă menținerea acestei temperaturi. În astfel de cazuri, se introduce o corecție în citirile termocuplului pentru temperatura capetelor libere. Există scheme pentru introducerea automată a corecțiilor.

Din punct de vedere structural, termocuplurile sunt realizate sub forma a doi termoelectrozi izolați cu o joncțiune de lucru obținută prin sudare, plasați într-un fiting de protecție care protejează termocuplul de influențele externe și deteriorări. Capetele de lucru ale termocuplului sunt conduse în capul termocuplului, echipat cu cleme pentru conectarea termocuplului la circuitul electric.

În tabel 15.1 prezintă caracteristicile termocuplurilor produse de industrie. Pentru măsurarea temperaturilor ridicate se folosesc termocupluri PP, PR și VR. Termocuplurile din metale nobile sunt folosite pentru măsurători cu precizie sporită.

În funcție de proiectarea lor, termocuplurile pot avea inerție termică, caracterizată printr-o constantă de timp de la secunde la câteva minute, ceea ce limitează utilizarea lor pentru măsurarea temperaturilor în schimbare rapidă.

Pe lângă conectarea dispozitivului de măsurare la joncțiunea termocuplului, este posibil să conectați dispozitivul la „electrod”, adică. în golul unuia dintre termoelectrozi (Fig. 15.1, c). Această includere, în conformitate cu (15.1), permite măsurarea diferenței de temperatură t 1 t 2 . De exemplu, se poate măsura supraîncălzirea înfășurărilor transformatorului peste temperatura ambiantă în timpul testării acestuia. Pentru a face acest lucru, joncțiunea de lucru a termocuplului este încorporată în înfășurare, iar joncțiunea liberă este lăsată la temperatura ambiantă.

Tabelul 15.1. Caracteristicile termocuplurilor

Cerința pentru o temperatură constantă a capetelor libere ale termocuplului obligă, dacă este posibil, să le îndepărteze de la locul de măsurare. În acest scop, se folosesc așa-numitele fire de prelungire sau de compensare, conectate la capetele libere ale termocuplului menținând polaritatea (Fig. 15.1d). Firele de compensare sunt formate din conductori diferiți, care, în intervalul posibilelor fluctuații de temperatură ale capetelor libere, dezvoltă în perechi aceeași forță termică ca un termocuplu. Prin urmare, dacă punctele de conectare ale firelor de compensare sunt la o temperatură t 2 , și temperatura în punctul în care termocuplul este conectat la dispozitiv t 0 , atunci TEDS-ul termocuplului va corespunde calibrării acestuia la temperatura capetelor libere t 0 .

TEDS maxim dezvoltat de termocuplurile standard variază de la unități la zeci de milivolți.

Pentru măsurarea TEMF pot fi utilizate milivoltmetre magnetoelectrice, electronice (analogice și digitale) și potențiometre de curent continuu. Când utilizați milivoltmetre ale unui sistem magnetoelectric, trebuie avut în vedere că tensiunea măsurată de milivoltmetru la bornele sale

unde eu curent în circuitul termocuplului și R V rezistență milivoltmetru.

Deoarece sursa de curent din circuit este un termocuplu, atunci

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

unde R HV rezistența secțiunii circuitului exterioară milivoltmetrului (adică, electrozi de termocuplu și fire de compensare). Prin urmare, tensiunea măsurată cu un milivoltmetru va fi egală cu

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

Astfel, citirile unui milivoltmetru diferă mai mult de TEMF-ul unui termocuplu, cu cât raportul este mai mare. R BH / R V . Pentru a reduce eroarea din influența rezistenței externe, milivoltmetrele proiectate să funcționeze cu termocupluri (așa-numitele milivoltmetre pirometrice) sunt calibrate pentru un anumit tip de termocuplu și la o anumită valoare nominală R BH indicat pe scala instrumentului. Milivoltmetrele pirometrice sunt disponibile comercial în clase de precizie de la 0,5 la 2,0.

Rezistența de intrare a milivoltmetrelor electronice este foarte mare, iar influența rezistenței R BH citirile sunt neglijabile.

Traductoare piezoelectrice.

Astfel de convertoare se bazează pe utilizarea efectului piezoelectric direct, care constă în apariția unor sarcini electrice pe suprafața unor cristale (cuarț, turmalină, sare Rochelle etc.) sub influența solicitărilor mecanice. Unele materiale ceramice polarizate (titanat de bariu, titanat de zirconat de plumb) au, de asemenea, un efect piezoelectric.

Dacă tăiați o placă în formă de paralelipiped dintr-un cristal de cuarț cu marginile situate perpendicular pe 0 optic z , mecanic 0 y si electric 0 X axele cristalului (Fig. 15.2), apoi când se aplică o forță pe placă F x , îndreptată de-a lungul axei electrice, pe fețe X apar taxe

Q x = K p F x , (15,2)

unde K p coeficientul piezoelectric (modul).

Când se aplică forță pe placă F y de-a lungul axei mecanice, pe aceleași margini X apar taxe

Q y = K p F y a / b ,

unde a și b dimensiunile fețelor plăcii. Impactul mecanic asupra plăcii de-a lungul axei optice nu provoacă apariția sarcinilor.

Efectul piezoelectric este alternativ; când se schimbă direcția forței aplicate, semnele sarcinilor de pe suprafața fețelor se schimbă în sens opus. Materialele își păstrează proprietățile piezoelectrice numai la temperaturi sub punctul Curie.

Valoarea coeficientului piezoelectric (modul) K p iar temperatura punctului Curie pentru cuarț și piezoelectricele ceramice comune sunt date în tabel. 15.2.

Fabricarea traductoarelor din piezoceramică este mult mai simplă decât din monocristale. Senzorii ceramici sunt produși folosind tehnologia comună produselor radioceramice prin presare sau turnare prin injecție; Electrozii sunt aplicați pe ceramică, iar cablurile sunt sudate la electrozi. Pentru a polariza, produsele ceramice sunt plasate într-un câmp electric puternic, după care dobândesc proprietățile piezoelectricilor.

Forța electromotoare care apare pe electrozii traductorului piezoelectric este destul de semnificativă - o unitate de volți. Cu toate acestea, dacă forța aplicată convertorului este constantă, atunci este dificil să se măsoare emf, deoarece sarcina este mică și curge rapid prin rezistența de intrare a voltmetrului. Dacă forța este variabilă și perioada de schimbare a forței este mult mai mică decât constanta de timp de descărcare determinată de capacitatea convertorului și rezistența la scurgere, atunci procesul de scurgere nu are aproape niciun efect asupra tensiunii de ieșire a convertorului. Când forța se schimbă F conform legii F = F m sin  t EMF se modifică, de asemenea, sinusoid.

Astfel, măsurarea cantităților neelectrice care pot fi convertite într-o forță alternativă care acționează asupra unui traductor piezoelectric se reduce la măsurarea unei tensiuni alternative sau fem.

Tabelul 15.2. Parametrii piezoelectricilor din cuarț și ceramică

Traductoarele de măsurare piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă pentru a măsura parametrii de mișcare: accelerație liniară și vibrație, impact și semnale acustice.

Circuitul echivalent al traductorului piezoelectric este prezentat în Fig. 15.3,a) sub forma unui generator cu capacitate internă CU . Deoarece puterea unui astfel de element piezoelectric este extrem de scăzută, pentru a măsura tensiunea de ieșire este necesar să se utilizeze dispozitive cu o rezistență mare de intrare (10 11…10 15 Ohm).

Pentru a crește semnalul util, senzorii piezoelectrici sunt formați din mai multe elemente conectate în serie.

Dispozitivul unui senzor piezoelectric pentru măsurarea accelerației vibrațiilor este prezentat în Fig. 15.3, b). Element piezoelectric (de obicei din piezoceramică) încărcat cu o masă cunoscută m , plasat în carcasa 1 și conectat prin bornele 2 la circuitul electronic milivoltmetru V . Inlocuind in formula sarcina care apare pe fete expresia F = ma, unde a accelerație și ținând cont de (15.2), obținem

U = K u a ,

unde K u coeficientul de conversie de tensiune al senzorului.

PAGINA 6

EMBED Visio.Desen.6

PRELEZA 16.

Traductoare parametrice de măsurare

Termometre de rezistență.

Termometrele de rezistență, precum termocuplurile, sunt concepute pentru a măsura temperatura corpurilor gazoase, solide și lichide, precum și temperatura suprafeței. Principiul de funcționare al termometrelor se bazează pe utilizarea proprietății metalelor și semiconductorilor de a-și modifica rezistența electrică cu temperatura. Pentru conductorii din metale pure, această dependență în intervalul de temperatură de la 200 o C la 0 o C are forma:

Rt = R0,

și în intervalul de temperatură de la 0 o C până la 630 o C

Rt = R0)