Traductoare de măsurare rezistive. Traductoare primare de măsurare Exemple de convertoare primare parametrice

Cele mai importante caracteristici metrologice ale convertoarelor sunt: ​​caracteristica nominală de conversie statică, sensibilitatea, eroarea de bază, erorile suplimentare sau funcțiile de influență, variația semnalului de ieșire, impedanța de ieșire, caracteristicile dinamice etc.

Cele mai importante caracteristici non-metrologice includ dimensiunile, greutatea, ușurința de instalare și întreținere, siguranța la explozie, rezistența la suprasarcini mecanice, termice, electrice și de altă natură, fiabilitatea, costul de fabricație și exploatare etc.

În funcție de tipul de semnal de ieșire, toate traductoarele de măsurare sunt împărțite la parametriceși grupuri electrogene. Ele sunt, de asemenea, clasificate după principiul acțiunii. Doar traductoarele de măsurare cele mai utilizate pe scară largă sunt considerate mai jos.

13.1 Transmițătoare parametrice

Informatii generale.În convertoarele parametrice, mărimea de ieșire este parametrul circuitului electric (R, L, M, C). Când se utilizează convertoare parametrice, este necesară o sursă de alimentare suplimentară, a cărei energie este utilizată pentru a forma semnalul de ieșire al convertorului.

Convertoare reostate. Convertizoarele reostate se bazează pe o modificare a rezistenței electrice a unui conductor sub influența unei mărimi de intrare - deplasare. Un traductor reostat este un reostat, a cărui perie (contact mobil) se mișcă sub influența mărimii neelectrice măsurate. În fig. 11-5 prezintă schematic câteva opțiuni de proiectare pentru convertoarele reostate pentru unghiulare (Fig. 11-5, A)și deplasări liniare (Fig. 11-5, b și c). Convertorul constă dintr-o înfășurare aplicată pe cadru și o perie. Dielectricii și metalele sunt folosite pentru a face rame. Sârma pentru bobinare este realizată din aliaje (un aliaj de platină cu iridiu, constantan, nicrom și fechral). Firul izolat este de obicei folosit pentru înfășurare. După efectuarea înfășurării, izolația firului este curățată în punctele de contact cu peria. Peria convertor este realizată fie din fire, fie din benzi elastice plate și se folosesc atât metale pure (platină, argint), cât și aliaje (platină cu iridiu, bronz fosforic etc.).

Orez. 11-5. Traductoare reostate pentru unghiular (a), liniare (b) deplasări și pentru transformarea funcțională a deplasărilor liniare (in)

Dimensiunile traductorului sunt determinate de valoarea deplasării măsurate, rezistența înfășurării și puterea degajată în înfășurare.

Pentru a obține o funcție de transformare neliniară, se folosesc convertoare reostate funcționale. Transformarea dorită este adesea realizată prin profilarea cadrului traductorului (Fig. 11-5, v).

La convertoarele reostate considerate, caracteristica statică a transformării are o natură treptat, deoarece rezistența se modifică în salturi egale cu rezistența unei ture, ceea ce provoacă o eroare. Uneori folosesc traductoare de acordare, în care peria alunecă de-a lungul axei firului. Aceste convertoare nu au precizia specificată. Convertizoarele reostate sunt incluse în circuitele de măsurare sub formă de punți de echilibru și neechilibru, divizoare de tensiune etc.

Avantajele convertoarelor includ capacitatea de a obține o precizie ridicată de conversie, semnale de ieșire semnificative și simplitatea relativă a designului. Dezavantaje - prezența contactului de alunecare, nevoia de mișcări relativ mari și, uneori, efort semnificativ de mișcare.

Convertizoarele reostate sunt folosite pentru a converti deplasări relativ mari și alte cantități neelectrice (forțe, presiune, etc.) care pot fi convertite în deplasare.

Traductoare sensibile la deformare (extensometre). Funcționarea convertoarelor se bazează pe efectul de deformare, care constă în modificarea rezistenței active a unui conductor (semiconductor) sub acțiunea solicitărilor mecanice și a deformațiilor cauzate în acesta.

Orez. 11-6. Traductor bobinat sensibil la deformare

Dacă firul este supus unor solicitări mecanice, cum ar fi întinderea, atunci rezistența sa se va modifica. Modificarea rezistenței firului sub acțiune mecanică asupra acestuia se explică prin modificarea dimensiunilor geometrice (lungime, diametru) și a rezistivității materialului.

Traductoarele sensibile la deformare, care sunt utilizate pe scară largă astăzi (Fig. 11-6), sunt un zig-zag subțire așezat și lipit pe o fâșie de hârtie (substrat /) sârmă 2 (plasa de sarma). Convertorul este inclus în circuit folosind cabluri sudate sau lipite 3. Traductorul este lipit de suprafața piesei investigate astfel încât direcția deformației așteptate să coincidă cu axa longitudinală a rețelei de sârmă.

Pentru fabricarea convertoarelor se folosește în principal sârmă constantan cu un diametru de 0,02-0,05 mm (S == 1,9 - 2,1). Constantanul are un coeficient de temperatură scăzut al rezistenței electrice, ceea ce este foarte important, deoarece modificarea rezistenței traductoarelor în timpul deformărilor, de exemplu, a pieselor din oțel, este proporțională cu modificarea rezistenței traductorului la schimbarea temperaturii. Ca substrat, se folosește hârtie subțire (0,03-0,05 mm), precum și o peliculă de lac sau adeziv, iar la temperaturi ridicate - un strat de ciment.

De asemenea, se folosesc traductoare din folie, în care în loc de sârmă se folosesc tensiometre din folie și film, obținute prin sublimarea unui material sensibil la deformare cu depunerea lui ulterioară pe un substrat.

Pentru lipirea firului de substrat și a întregului convertor pe piesă, se folosesc adezivi (soluție de celuloid în acetonă, BF-2, BF-4, clei de bachelită etc.). Pentru temperaturi ridicate (peste 200 ° C) se folosesc cimenturi rezistente la căldură, lacuri și adezivi organosiliciici etc.

Convertizoarele sunt realizate în diferite dimensiuni în funcție de scop. Cel mai adesea, convertoarele sunt utilizate cu o lungime a grătarului (bază) de 5 până la 50 mm și o rezistență de 30-500 Ohm.

O modificare a temperaturii determină o modificare a caracteristicilor de transformare ale tensometrelor, care se explică prin dependența de temperatură a rezistenței traductorului și diferența dintre coeficienții de temperatură de expansiune liniară a materialului extensometrului și a piesei studiate. Influențele temperaturii sunt de obicei eliminate prin utilizarea unor tehnici adecvate de compensare a temperaturii.

Traductorul de extensometru lipit nu poate fi scos dintr-o parte și lipit pe alta. Prin urmare, pentru a determina caracteristicile de conversie (coeficientul S), se recurge la calibrarea selectivă a traductoarelor, care dă valoarea coeficientului S cu o eroare de ± 1%. Metodele de determinare a caracteristicilor tensometrelor sunt reglementate de standard. Avantajele acestor convertoare sunt liniaritatea caracteristicilor de conversie statică, dimensiunile și greutatea reduse și simplitatea designului. Dezavantajul lor este sensibilitatea lor scăzută.

În acele cazuri când este necesară o sensibilitate mare, se folosesc traductoare sensibile la deformare, realizate sub formă de benzi de material semiconductor. Coeficientul S al unor astfel de convertoare ajunge la câteva sute. Cu toate acestea, reproductibilitatea caracteristicilor convertoarelor semiconductoare este slabă. În prezent, extensometrele cu semiconductor integrat sunt produse în serie, formând o punte sau semipunte cu elemente de compensare termică.

Punțile de echilibru și de neechilibru sunt folosite ca circuite de măsurare pentru extensometre. Extensometrele sunt folosite pentru a măsura deformații și alte mărimi neelectrice: forțe, presiuni, momente etc.

Convertoare sensibile la temperatură (termistoare). Principiul de funcționare al traductoarelor se bazează pe dependența rezistenței electrice a conductorilor sau conductoarelor pvc de temperatură.

Schimbul de căldură are loc între termistor și mediul de testare în timpul măsurării. Întrucât termistorul este în acest caz inclus în circuitul electric, cu ajutorul căruia i se măsoară rezistența, prin el trece un curent care eliberează căldură în el. Schimbul de căldură al termistorului cu mediul are loc datorită conductivității termice a mediului și convecției în acesta, conductivității termice a termistorului însuși și a fitingurilor la care este atașat și, în final, datorită radiației. Intensitatea transferului de căldură și, în consecință, temperatura termistorului depinde de dimensiunile și forma geometrică a acestuia, de proiectarea fitingurilor de protecție, de compoziția, densitatea, conductibilitatea termică, vâscozitatea și alte proprietăți fizice ale mediului gazos sau lichid. care înconjoară termistorul, precum și asupra temperaturii și vitezei de mișcare a mediului ...

Orez. 11-7. Dispozitivul (a) și aspectul fitingurilor (b) ale termistorului de platină

Astfel, dependența temperaturii și, prin urmare, rezistența termistorului de factorii enumerați mai sus, poate fi utilizată pentru a măsura diferite cantități neelectrice care caracterizează un mediu gazos sau lichid. La proiectarea unui convertor, se depune eforturi pentru a se asigura că schimbul de căldură al termistorului cu mediul este determinat în principal de mărimea neelectrică măsurată.

În funcție de modul de funcționare, termistorii se supraîncălzi și fără supraîncălzire intenționată. La convertoarele fără supraîncălzire, curentul care trece prin termistor practic nu provoacă supraîncălzire, iar temperatura acestuia din urmă este determinată de temperatura mediului; acești traductoare sunt utilizate pentru măsurarea temperaturii. În convertoarele de supraîncălzire, curentul electric provoacă supraîncălzire, în funcție de proprietățile mediului. Traductoarele de supraîncălzire sunt utilizate pentru a măsura viteza, densitatea, compoziția mediului etc. Deoarece termistorii de supraîncălzire sunt afectați de temperatura mediului, metodele de circuit sunt de obicei folosite pentru a compensa acest efect.

Pentru măsurarea temperaturii, cele mai comune termistoare sunt fabricate din sârmă de platină sau cupru.

Termistorii standard din platină sunt utilizați pentru a măsura temperatura în intervalul de la -260 la + 1100 ° C, cupru - în intervalul de la -200 la +200 ° C (GOST 6651-78). Termistorii de platină de joasă temperatură (GOST 12877-76) sunt utilizați pentru măsurarea temperaturilor în intervalul de la -261 la -183 ° C.

În fig. 11-7, A arată dispozitivul termistorului de platină. În canalele tubului ceramic 2 există două (sau patru) secțiuni ale spiralei 3 realizat din fir de platina, conectat in serie. Plumburile sunt lipite la capetele spiralei 4, folosit pentru a conecta termistorul la circuitul de măsurare. Fixarea cablurilor și etanșarea tubului ceramic se realizează cu glazură /. Canalele tubului sunt acoperite cu pulbere de alumină anhidră, care acționează ca un izolator și de reținere pentru spirală. Pulberea de oxid de aluminiu anhidru, care are o conductivitate termică ridicată și o capacitate termică scăzută, asigură un bun transfer de căldură și o inerție scăzută a termistorului. Pentru a proteja termistorul de influențele mecanice și chimice ale mediului extern, acesta este plasat în fitinguri de protecție (Fig. 11-7, b) din oțel inoxidabil.

Rezistențele inițiale (la 0 ° C) ale termistoarelor standard din platină sunt egale cu 1, 5, 10, 46, 50, 100 și 500 ohmi, cupru - 10, 50, 53 și 100 ohmi.

Valoarea admisibilă a curentului care curge prin termistor atunci când este conectat la circuitul de măsurare trebuie să fie astfel încât modificarea rezistenței termistorului în timpul încălzirii să nu depășească 0,1% din rezistența inițială.

Caracteristicile statice ale conversiei sub formă de tabele (calibrare) și abaterile permise ale acestor caracteristici pentru termistorii standard sunt date în GOST 6651-78.

Pe lângă platină și cupru, nichelul este uneori folosit pentru a face termistori.

Pentru măsurarea temperaturii, se folosesc și termistori semiconductori (termistori) de diferite tipuri, care se caracterizează printr-o sensibilitate mai mare (termistori TKS).

depozitele sunt negative și la 20°C este de 10-15 ori mai mare decât TCR-ul de cupru și platină) și au rezistențe mai mari (până la 1 MΩ) la dimensiuni foarte mici. Dezavantajul termistorilor este reproductibilitatea slabă și neliniaritatea caracteristicilor de conversie:

Unde rtși Ro- rezistenta termistorului la temperaturi Tși Acea; Acea- temperatura initiala a domeniului de lucru; V- coeficient.

Termistorii sunt utilizați în intervalul de temperatură de la -60 la + 120 ° C.

Pentru a măsura temperaturi de la -80 la -f- 150 ° C, se folosesc diode termice și termotranzistoare, în care rezistența se modifică sub influența temperaturii R- joncțiunea i și căderea de tensiune la această joncțiune. Sensibilitatea la tensiune a termotranzistorului este de 1,5-2,0 mV / K, ceea ce depășește semnificativ sensibilitatea termocuplurilor standard (vezi Tabelul 11-1). Aceste convertoare sunt de obicei incluse în circuitele punte și circuitele sub formă de divizor de tensiune.

Avantajele diodelor termice și ale tranzistoarelor termice sunt sensibilitatea ridicată, dimensiunea mică și inerția redusă, fiabilitatea ridicată și costul scăzut; dezavantaje - un interval de temperatură îngust și reproductibilitatea slabă a caracteristicilor statice ale conversiei. Influența acestui din urmă dezavantaj este redusă prin utilizarea circuitelor speciale.

Inerția termică a termistoarelor standard conform GOST 6651-78 este caracterizată de indicele de inerție termică în ^, definit ca timpul necesar pentru ca diferența de temperatură dintre mediu și orice punct al convertorului introdus în acesta să devină egală cu 0,37 din acea valoare atunci când convertorul este introdus într-un mediu cu o temperatură constantă, pe care o avea la momentul declanșării unui regim termic regulat. Indicele de inerție termică este determinat din acea parte a curbei procesului termic tranzitoriu a convertorului, care corespunde modului obișnuit, adică are un caracter exponențial (pe o scară semilogaritmică - o linie dreaptă). Valoarea lui e ^ pentru diferite tipuri de traductoare standard variază de la câteva zeci de secunde la câteva minute.

Atunci când sunt necesare termistori cu inerție scăzută, pentru fabricarea lor se folosesc un fir foarte subțire (microwire) sau termistori de volum mic (sferă) sau termotranzistoare.

Orez. 11-8. Convertor analizor de gaz bazat pe principiul de măsurare a conductibilității termice

Rs. 11-9. Dependența conductibilității termice a gazului de presiune

Termistorii sunt utilizați în instrumentele pentru analiza amestecurilor de gaze. Multe amestecuri de gaze diferă între ele și de aer în conductivitate termică.

În instrumentele de analiză a gazelor - analizoare de gaz - se folosește un termistor de platină supraîncălzit pentru măsurarea conductivității termice (Fig. 11-8), plasat într-o cameră 2 cu gazul analizat. Designul termistorului, fitingurilor și camerei, precum și valoarea curentului de încălzire, sunt alese astfel încât schimbul de căldură cu mediul să se realizeze în principal datorită conductivității termice a mediului gazos.

Pentru a exclude influența temperaturii exterioare, pe lângă temperatura de funcționare, se utilizează o cameră de compensare cu un termistor, umplut cu un gaz cu compoziție constantă. Ambele camere sunt realizate ca o singură unitate, ceea ce asigură camerelor aceleași condiții de temperatură. În timpul măsurătorilor, termistorii de lucru și de compensare sunt conectați la brațele adiacente ale podului, ceea ce duce la compensarea efectului temperaturii.

Termistorii sunt utilizați în dispozitivele de măsurare a gradului de rarefacție. În fig. 11-9 arată dependența conductibilității termice a gazului între corpuri Ași B, din presiunea lui.

Astfel, conductivitatea termică a unui gaz devine dependentă de numărul de molecule pe unitate de volum, adică de presiune (gradul de rarefacție). Dependența conductibilității termice a unui gaz de presiune este utilizată în vacuometre - dispozitive pentru măsurarea gradului de rarefacție.

Pentru a măsura conductibilitatea termică în vacuometre, se folosesc termistori de metal (platină) și semiconductori, plasați într-un cilindru de sticlă sau metal, care este conectat la mediul controlat.

Termistorii sunt utilizați în dispozitivele de măsurare a debitului de gaz - anemometre cu fir fierbinte. Temperatura la starea de echilibru a unui termistor de supraîncălzire plasat pe calea de curgere a gazului depinde de debitul. În acest caz, convecția (forțată) va fi principala cale de schimb de căldură între termistor și mediu. Modificarea rezistenței termistorului datorită eliminării căldurii de pe suprafața acestuia de către mediul în mișcare este legată funcțional de viteza mediului.

Designul și tipul termistorului, fitingurile și curentul termistorului de încălzire sunt alese astfel încât toate căile de transfer de căldură, cu excepția celei convective, să fie reduse sau excluse.

Avantajele anemometrelor cu fir fierbinte sunt sensibilitatea și viteza ridicate. Aceste dispozitive permit măsurarea vitezelor de la 1 la 100-200 m/s folosind un circuit de măsurare cu care temperatura termistorului este menținută automat aproape constantă.

Convertoare electrolitice. Convertizoarele electrolitice se bazează pe dependența rezistenței electrice a unei soluții de electrolit de concentrația acesteia. Ele sunt utilizate în principal pentru măsurarea concentrației soluțiilor.

În fig. 11-10, de exemplu, sunt prezentate grafice ale dependențelor conductivității electrice specifice a unor soluții de electroliți de concentrație. Cu solut. Din această figură rezultă că, într-un anumit interval de variație a concentrației, dependența conductivității electrice de concentrație este neechivocă și poate fi utilizată pentru a determina Cu.

Orez. 11-10. Dependența conductibilității electrice specifice a soluțiilor de electroliți de concentrația solutului

Orez. 11-11. Convertor electrolitic de laborator

Traductorul utilizat în condiții de laborator pentru măsurarea concentrației este un vas cu doi electrozi (celula electrolitică) (Fig. 11-11). Pentru măsurătorile industriale continue, traductoarele sunt cu flux, iar structurile sunt adesea folosite în care pereții vasului (metal) joacă rolul celui de-al doilea electrod.

Conductivitatea electrică a soluțiilor depinde de temperatură. Astfel, atunci când se utilizează convertoare electrolitice, este necesar să se elimine influența temperaturii. Această problemă se rezolvă prin stabilizarea temperaturii soluției folosind un frigider (încălzitor) sau folosind circuite de compensare a temperaturii cu termistoare de cupru, deoarece coeficienții de temperatură de conductivitate ai soluțiilor de cupru și electroliți au semne opuse.

Când curentul continuu trece prin convertor, are loc electroliza soluției, ceea ce duce la denaturarea rezultatelor măsurătorii. Prin urmare, măsurătorile rezistenței unei soluții sunt de obicei efectuate pe curent alternativ (700-1000 Hz), cel mai adesea folosind circuite în punte.

Convertoare inductive. Principiul de funcționare al convertoarelor se bazează pe dependența inductanței sau a inductanței reciproce a înfășurărilor pe circuitul magnetic de poziția, dimensiunile geometrice și starea magnetică a elementelor circuitului lor magnetic.

Orez. 11-12. Circuit magnetic cu goluri și două înfășurări

Inductanța și inductanța reciprocă pot fi modificate acționând asupra lungimii b, secțiunii transversale a secțiunii de aer a circuitului magnetic s, asupra pierderii de putere în circuitul magnetic și în alte moduri. Acest lucru poate fi realizat, de exemplu, prin deplasarea miezului mobil (armatura) / (Fig. 11-12) în raport cu cel staționar 2, introducerea unei plăci metalice nemagnetice 3 în golul de aer etc.

În fig. 11-13 prezintă schematic diferite tipuri de convertoare inductive. Un convertor inductiv (Fig. 11-13, a) cu o lungime variabilă a spațiului de aer b este caracterizat printr-o dependență neliniară L = f(b). Un astfel de traductor este utilizat de obicei atunci când armătura se mișcă cu 0,01-5 mm. Sensibilitate semnificativ mai mică, dar dependență liniară L = f(s) convertoarele cu secțiune variabilă a întrefierului diferă (fig. 11-13, b). Aceste traductoare sunt folosite pentru deplasari de pana la 10-15 mm.

Orez. 11-13. Traductoare inductive cu lungime variabilă (a), cu secțiune variabilă (b), diferenţial (v), transformator diferențial (g), transformator diferențial cu circuit magnetic deschis (e) magnetoelastic (e)

Armatura dintr-un convertor inductiv se confruntă cu o forță de atracție (nedorită) din partea electromagnetului

Unde W m- energia câmpului magnetic; L- inductanța convertorului; / este curentul care trece prin înfășurarea convertorului.

Convertizoarele diferențiale inductive sunt răspândite (Fig. 11-13, v),în care, sub influența valorii măsurate, două goluri de electromagneți se modifică simultan și, în plus, cu semne diferite. Traductoarele diferențiale în combinație cu un circuit de măsurare adecvat (de obicei punte) au o sensibilitate mai mare, o neliniaritate mai mică a caracteristicii de conversie, suferă o influență mai mică a factorilor externi și o forță rezultată redusă asupra armăturii de la electromagnet decât traductoarele nediferențiale.

În fig. 11-13, G prezintă un circuit pentru pornirea unui convertor inductiv diferenţial, în care mărimile de ieşire sunt inductanţe reciproce. Astfel de convertoare se numesc mutual inductiv sau transformator. Când înfășurarea primară este alimentată cu curent alternativ și când armătura este simetrică, poziția armăturii față de electromagneți, EMF la bornele de ieșire este zero. Când armătura se mișcă, EMF apare pe bornele de ieșire.

Pentru a converti deplasări relativ mari (până la 50-100 mm), se folosesc convertoare transformatoare cu circuit magnetic deschis (Fig. 11-13, O).

Se folosesc convertoare transformatoare ale unghiului de rotație, constând dintr-un stator fix și un rotor mobil cu înfășurări. Înfășurarea statorului este alimentată cu curent alternativ. Rotirea rotorului determină o modificare a valorii și fazei EMF induse în înfășurarea acestuia. Astfel de traductoare sunt utilizate atunci când se măsoară deplasări unghiulare mari.

Inductozinele sunt utilizate pentru măsurarea deplasărilor unghiulare mici (Fig. 11-14). Rotor / și stator 2 inductosina este furnizată cu înfășurări imprimate 3, având forma unui raster radial. Principiul de acțiune al inductozinei este similar cu cel descris mai sus. Prin aplicarea înfășurărilor prin imprimare, este posibil să se obțină un număr mare de trepte de înfășurare a polilor, ceea ce asigură o sensibilitate ridicată a convertorului la modificările unghiului de rotație.

Orez. 11-14. Dispozitiv(e) și tipul de înfășurare tipărită (b) inductosina

Dacă miezul feromagnetic al invertorului este supus la solicitări mecanice F, apoi, din cauza unei modificări a permeabilității magnetice a materialului miezului, rezistența magnetică a circuitului se va modifica, ceea ce va implica o modificare a inductanței Lși inductanța reciprocă Mînfăşurări. Traductoarele magnetoelastice se bazează pe acest principiu (Fig. 11-13, e).

Proiectarea traductorului este determinată de intervalul deplasării măsurate. Dimensiunile traductorului sunt selectate în funcție de puterea semnalului de ieșire necesară.

Pentru măsurarea parametrului de ieșire al convertoarelor inductive, circuitele în punte (de echilibru și neechilibru), precum și un circuit de compensare (în dispozitivele automate) pentru convertoarele de transformator diferențial, sunt utilizate pe scară largă.

Traductoarele inductive sunt utilizate pentru a converti deplasarea și alte mărimi neelectrice care pot fi convertite în deplasare (forță, presiune, cuplu etc.).

În comparație cu alte traductoare de deplasare, traductoarele inductive se disting prin semnale mari de ieșire, simplitate și fiabilitate în funcționare.

Dezavantajul lor este efectul invers al traductorului asupra obiectului studiat (efectul electromagnetului asupra armăturii) și efectul inerției armăturii asupra caracteristicilor de frecvență ale dispozitivului.

Orez. 11-15. Traductoare capacitive cu o distanță variabilă între plăci (a), diferență (b), diferență cu o zonă activă variabilă a plăcilor (c) și cu o constantă dielectrică în schimbare a mediului dintre plăci (d)

Convertoare capacitive. Convertizoarele capacitive se bazează pe dependența capacității unui condensator de dimensiuni, aranjarea reciprocă a plăcilor sale și de constanta dielectrică a mediului dintre ele.

În fig. 11-15 prezintă schematic dispunerea diferitelor convertoare capacitive. Convertorul din fig. 11-15, A este un condensator, dintre care o placă se mișcă sub acțiunea valorii măsurate X raportat la placa fixa. Caracteristica statică a transformării C (b) este neliniară. Sensibilitatea traductorului crește odată cu descreșterea distanței 6. Astfel de traductoare sunt utilizate pentru măsurarea deplasărilor mici (mai puțin de 1 mm).

O mică mișcare de lucru a plăcilor duce la erori de modificare a distanței dintre plăci cu fluctuații de temperatură. Prin alegerea dimensiunilor pieselor convertizorului și materialelor, această eroare este redusă.

În traductoarele capacitive, există o forță de atracție (nedorită) între plăci

Unde W 3- energia câmpului electric; Uși C sunt tensiunea și, respectiv, capacitatea dintre plăci.

Se folosesc și traductoare diferențiale (Fig. 11-15, b), care au o placă mobilă și două fixe. Sub influența valorii măsurate X aceste convertoare își schimbă capacitățile în același timp. În fig. 11-15, v prezintă un convertor capacitiv diferenţial cu o zonă activă variabilă a plăcilor. Un astfel de traductor este utilizat pentru a măsura deplasări liniare relativ mari (mai mult de 1 mm) și unghiulare. În aceste convertoare, este ușor să obțineți caracteristica de conversie necesară prin profilarea plăcilor.

Traductoarele (e) sunt utilizate pentru a măsura nivelul lichidelor, conținutul de umiditate al substanțelor, grosimea produselor dielectrice etc. De exemplu (Fig. 11-15, G) este dat dispozitivul transmițătorului capacitiv de nivel. Capacitatea dintre electrozii coborâți în vas depinde de nivelul lichidului, deoarece o modificare a nivelului duce la o modificare a constantei dielectrice medii a mediului dintre electrozi. Prin modificarea configurației plăcilor se poate obține caracterul dorit al dependenței citirilor instrumentului de volumul (masa) lichidului.

Pentru a măsura parametrul de ieșire al convertoarelor capacitive, se folosesc circuite punte și circuite care utilizează circuite rezonante. Acestea din urmă fac posibilă crearea de dispozitive cu sensibilitate ridicată, capabile să răspundă la deplasări de ordinul a 10 ~ 7 mm. Circuitele cu convertoare capacitive sunt de obicei alimentate cu un curent de frecvență crescută (până la zeci de megaherți), care este cauzat de dorința de a crește semnalul care intră în dispozitivul de măsurare și de necesitatea de a reduce efectul de șuntare al rezistenței de izolație.

Convertoare de ionizare. Convertizoarele se bazează pe fenomenul de ionizare a gazelor sau luminiscența anumitor substanțe sub influența radiațiilor ionizante.

Dacă o cameră care conține un gaz este expusă la iradiere, de exemplu, cu raze P, atunci un curent va curge între electrozii incluși în circuitul electric (Fig. 11-16). Acest curent depinde de tensiunea aplicată electrozilor, de densitatea și compoziția mediului gazos, de dimensiunea camerei și a electrozilor, de proprietățile și intensitatea radiațiilor ionizante etc. Aceste dependențe sunt utilizate pentru măsurarea diferitelor cantități neelectrice. : densitatea și compoziția mediului gazos, dimensiunile geometrice ale pieselor etc.

Orez. 11-16. Circuit convertor de ionizare

Orez. 11-17. Caracteristica curent-tensiune a convertorului de ionizare

Ca agenți ionizanți, se folosesc razele a-, p- și y ale substanțelor radioactive, mult mai rar - razele X și radiațiile neutronice.

Pentru a măsura gradul de ionizare, se folosesc convertoare - camere de ionizare și contoare de ionizare, a căror acțiune corespunde diferitelor secțiuni ale caracteristicii curent-tensiune a intervalului de gaz dintre cei doi electrozi. În fig. 11-17 arată dependența curentului din cameră (Fig. 11-16) cu o compoziție constantă a gazului de tensiunea aplicată Uși intensitatea radiațiilor. Locația activată A caracteristici, curentul crește direct proporțional cu tensiunea, apoi creșterea acestuia încetinește și în secțiune B ajunge la saturație. Acest lucru indică faptul că toți ionii generați în cameră ajung la electrozi. Locația activată V curentul de ionizare începe să crească din nou, ceea ce este cauzat de ionizarea secundară atunci când electronii și ionii primari lovesc molecule neutre. Cu o creștere suplimentară a tensiunii (secțiunea G) curentul de ionizare încetează să mai depindă de ionizarea inițială și se instalează

descărcare continuă (secțiunea D), care nu mai este dependentă de efectele radiaţiilor radioactive.

Loturi A și B caracteristicile curent-tensiune descriu acțiunea camerelor de ionizare și a secțiunilor Vși G - contoare de ionizare. Pe lângă camerele și contoarele de ionizare, contoarele cu scintilație (luminiscente) sunt folosite ca convertoare de ionizare. Principiul de funcționare al acestor contoare se bazează pe apariția fosforului în unele substanțe (sulfură de zinc activată de argint, sulfură de cadmiu etc.) - sub acțiunea radiației radioactive a fulgerelor luminoase (scintilații), care se înregistrează în contoare. prin fotomultiplicatori. Luminozitatea acestor blițuri și, în consecință, curentul fotomultiplicator sunt determinate de radiația radioactivă.

Alegerea tipului de convertor de ionizare depinde în mare măsură de radiația ionizantă.

Razele alfa (nucleele atomului de heliu) au o putere de ionizare mare, dar au o putere de penetrare redusă. În solide, razele a sunt absorbite în straturi foarte subțiri (unități până la zeci de micrometri). Prin urmare, atunci când se utilizează raze a, emițătorul a este plasat în interiorul traductorului.

Razele beta sunt un flux de electroni (pozitroni); au o capacitate de ionizare mult mai mică decât razele a, dar au o putere de penetrare mai mare. Lungimea traseului în solide ajunge la câțiva milimetri. Prin urmare, emițătorul poate fi amplasat atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul convertorului.

Modificările distanței dintre electrozi, zona de suprapunere a electrozilor sau poziția sursei de radiație în raport cu camerele de ionizare sau contoare afectează valoarea curentului de ionizare. Prin urmare, aceste dependențe sunt folosite pentru a măsura diferite mărimi mecanice și geometrice.

În fig. 11-18 prezintă un exemplu de manometru cu diafragmă de ionizare, unde / este un emițător; 2 - membrana; 3 - un electrod fix izolat de membrana. Între electrozi 2 la 3 se aplică o diferență de potențial suficientă pentru a ajunge la curentul de saturație. Când presiunea se schimbă R membrana se flexează, modificând distanța dintre electrozi și valoarea curentului de ionizare.

Orez. 11-18. Manometru cu diafragmă de ionizare

Orez. 11-19. Contor de descărcare a gazelor

Razele gamma sunt vibratii electromagnetice de o lungime de unda foarte mica (10 ~ 8 -10 ~ "cm), care decurg din transformari radioactive.Razele gamma au o mare capacitate de penetrare.

Designurile camerelor de ionizare și contoarelor sunt variate și depind de tipul de radiație.

Pentru înregistrarea particulelor individuale, precum și pentru măsurarea radiațiilor γ mici, sunt utilizate pe scară largă așa-numitele contoare de descărcare de gaz, a căror acțiune este descrisă în secțiuni. Vși G caracteristici curent-tensiune. Dispozitivul contorului de descărcare de gaz este prezentat în Fig. 11-19. Contorul este format dintr-un cilindru metalic /, în interiorul căruia este întins un fir subțire de wolfram 2. Ambii electrozi sunt plasați într-un cilindru de sticlă. 3 sec gaz inert. Când gazul este ionizat, în circuitul contorului apar impulsuri de curent, al căror număr este numărat.

Izotopii radioactivi sunt utilizați de obicei ca surse de radiații a-, p- și y. Sursele de radiații utilizate în tehnologia de măsurare trebuie să aibă un timp de înjumătățire semnificativ și o energie de radiație suficientă (cobalt-60, stronțiu-90, plutoniu-239 etc.).

Principalul avantaj al dispozitivelor care utilizează radiații ionizante este posibilitatea măsurătorilor fără contact, care este de mare importanță, de exemplu, atunci când se măsoară în medii agresive sau explozive, precum și în medii cu presiune ridicată sau temperatură ridicată. Principalul dezavantaj al acestor dispozitive este necesitatea utilizării protecției biologice la o activitate ridicată a sursei de radiații.

13.2 Traductoare de măsurare a generatorului

Informatii generale.În convertoarele generatoare, mărimea de ieșire este EMF sau sarcină, raportată funcțional cu mărimea neelectrică măsurată.

Convertoare termoelectrice. Aceste convertoare se bazează pe un efect termoelectric în circuitul termocuplului.

Cu o diferență de temperatură între puncte / și 2 conexiuni a doi conductori diferiți A și B(Fig. 11-20, a), formând un termocuplu, în circuitul termocuplului ia naștere un termo-EMF.

Pentru a măsura termo-EMF, un dispozitiv electric de măsurare (milivoltmetru, compensator) este inclus în circuitul termocuplului (Fig. 11-20, b). Punctul de conectare al conductorilor (electrozilor) se numește capătul de lucru al termocuplului, punctele 2 și 2" - capete libere.

Pentru ca termo-EMF din circuitul termocuplului să fie determinat fără ambiguitate de temperatura capătului de lucru, temperatura capetelor libere ale termocuplului trebuie menținută aceeași și neschimbată.

Orez. 11-20. Termocuplu (e) și metoda de conectare a dispozitivului la circuitul termocuplului (b)

Calibrarea termometrelor termoelectrice - dispozitive care folosesc termocupluri pentru măsurarea temperaturii, se realizează de obicei la o temperatură liberă de O ° C. Tabelele de calibrare pentru termocuplurile standard sunt, de asemenea, compilate cu condiția ca temperatura capetelor libere să fie O ° C. În aplicarea practică a termometrelor termoelectrice, temperatura capetelor libere ale termocuplului nu este de obicei egală cu O ° C și, prin urmare, este necesar să se introducă o corecție.

Pentru fabricarea termocuplurilor utilizate în prezent pentru măsurarea temperaturii se folosesc în principal aliaje speciale.

Pentru măsurarea temperaturilor ridicate se folosesc termocupluri de tip TPP, TPR și TBR. Termocuplurile din metale nobile (TPP și TPR) sunt utilizate pentru măsurători cu o precizie sporită. În alte cazuri, se folosesc termocupluri din metal de bază (TCA, TCA).

Pentru a proteja împotriva influențelor externe (presiune, gaze agresive etc.), electrozii termocuplului sunt plasați în fitinguri de protecție, similare din punct de vedere structural cu fitingurile termistoarelor (Fig. 11-7, b).

Pentru confortul stabilizării temperaturii capetelor libere, uneori termocuplul este prelungit folosind așa-numitele fire de prelungire realizate fie din materiale termoelectrode adecvate, fie din materiale special selectate care sunt mai ieftine decât materialele electrozilor și care satisfac condiția de identitate termoelectrică cu termocuplul principal în intervalul de temperaturi posibile ale capetelor libere (de obicei de la 0 la 100 ° C). Cu alte cuvinte, firele de prelungire trebuie să aibă aceeași dependență de temperatură a termo-EMF în domeniul de temperatură specificat ca și cea a termocuplului principal.

Inerția termocuplurilor este caracterizată de un indicator al inerției termice. Modele cunoscute de termocupluri cu inerție redusă, în care inerția termică este de 5-20 s. Termocuplurile din fitingurile convenționale au o inerție termică de câteva minute.

Traductoarele de inducție sunt utilizate pentru a măsura viteza deplasărilor liniare și unghiulare. Semnalul de ieșire al acestor convertoare poate fi integrat sau diferențiat în timp folosind dispozitive electrice de integrare sau diferențiere. După aceste transformări, parametrul semnalului informativ devine proporțional, respectiv, cu deplasarea sau accelerația. Prin urmare, traductoarele de inducție sunt, de asemenea, utilizate pentru a măsura deplasările și accelerațiile liniare și unghiulare.

Convertizoarele cu inducție sunt cele mai utilizate în instrumentele de măsurare a vitezei unghiulare (turometre) și în instrumentele pentru măsurarea parametrilor de vibrație.

Traductoarele cu inducție pentru tahometre sunt generatoare mici (1-100 W) DC sau AC, de obicei excitate independent de un magnet permanent, al cărui rotor este conectat mecanic la arborele de testare. Când se utilizează un generator de curent continuu, viteza unghiulară este judecată de EMF-ul generatorului, iar în cazul unui generator de curent alternativ, viteza unghiulară poate fi determinată din valoarea EMF sau frecvența acestuia.

În fig. 11-21 prezintă un traductor de inducție pentru măsurarea amplitudinii, vitezei și accelerației unei mișcări alternative. Convertorul este o bobină cilindrică / care se deplasează în golul inelar al circuitului magnetic 2. Magnet permanent cilindric 3 creează un câmp magnetic radial constant în golul inelar. Când se mișcă, bobina traversează liniile de forță ale câmpului magnetic și în ea se generează un EMF, proporțional cu viteza de mișcare.

Orez. 11-21. Traductor de inducție

Erorile convertoarelor cu inducție sunt determinate în principal de modificările câmpului magnetic în timp și cu schimbările de temperatură, precum și de schimbările de temperatură ale rezistenței înfășurării.

Principalele avantaje ale convertoarelor cu inducție sunt simplitatea comparativă a designului, fiabilitatea funcționării și sensibilitatea ridicată. Dezavantajul este domeniul limitat de frecvență al valorilor măsurate.

Traductoare piezoelectrice. Astfel de convertoare se bazează pe utilizarea unui efect piezoelectric direct, care constă în apariția unor sarcini electrice pe suprafața unor cristale (cuarț, turmalină, sare feroasă etc.) sub influența solicitărilor mecanice.

O placă este tăiată dintr-un cristal de cuarț, ale cărui margini ar trebui să fie perpendiculare pe axa optică Oz, axul mecanic OU si axa electrica Oh cristal (Fig. 11-22, a și b).

F x de-a lungul axei electrice de pe feţe X apar taxe Q x = kF x, Unde k- coeficient (modul) piezoelectric.

Când se aplică o forță pe placă F y de-a lungul axei mecanice pe aceleaşi feţe X apar taxe Q y = kF y a / b, Unde Ași b- dimensiunile marginilor plăcii.

Acțiunea mecanică asupra plăcii de-a lungul axei optice nu provoacă apariția sarcinilor.

Dispozitivul unui traductor piezoelectric pentru măsurarea presiunii alternante a gazului este prezentat în Fig. 11-23. Presiune R printr-o membrană metalică / transferată în sandwich între distanțiere metalice 2 plăci de cuarț 3.

Orez. 11-22. Cristal de cuarț (a) și placă (b), sculptat din ea

Minge 4 promovează distribuția uniformă a presiunii pe suprafața plăcilor de cuarț. Garnitura din mijloc este conectată la borna 5, care trece printr-un manșon din material izolator bun. Când este expus la presiune R apare o diferență de potențial între pinul 5 și carcasa emițătorului .

În traductoarele piezoelectrice se folosește în principal cuarțul, în care proprietățile piezoelectrice sunt combinate cu rezistență mecanică ridicată și calități izolante ridicate, precum și cu independența caracteristicilor piezoelectrice de temperatură pe o gamă largă. Ceramica polarizată de titanat de bariu, titanat de plumb și zirconat sunt de asemenea utilizate.

Orez. 11-23. Traductor de presiune piezoelectric

Dimensiunile plăcilor și numărul acestora sunt selectate pe baza considerentelor de proiectare și a valorii de încărcare cerute.

Sarcina generată în traductorul piezoelectric „curge în jos” de-a lungul izolației și a circuitului de intrare al dispozitivului de măsurare. Prin urmare, dispozitivele care măsoară diferența de potențial pe traductoarele piezoelectrice trebuie să aibă o impedanță de intrare mare (10 12 -10 15 Ohm), care este practic asigurată prin utilizarea amplificatoarelor electronice cu o impedanță de intrare mare.

Datorită „drenării” încărcăturii, acești traductoare sunt folosite pentru a măsura doar cantități care se schimbă rapid (forțe variabile, presiuni, parametri de vibrație, accelerații etc.).

Se folosesc traductoare piezoelectrice - piezorezonatoare, în care se folosesc simultan piezoefectele directe și inverse. Acesta din urmă constă în faptul că, dacă se aplică o tensiune alternativă electrozilor traductorului, atunci în placa piezoelectrică vor apărea vibrații mecanice, a căror frecvență (frecvența de rezonanță) depinde de grosime. h placa, modulul de elasticitate Eși densitatea p a materialului său. Când un astfel de convertor este conectat la circuitul rezonant al generatorului, frecvența oscilațiilor electrice generate este determinată de frecvența f p. La schimbarea valorilor el sau p sub influența unor influențe mecanice sau termice, se va modifica frecvența / p și, în consecință, se va modifica frecvența oscilațiilor generate. Acest principiu este folosit pentru a converti presiunea, forța, temperatura și alte cantități în frecvență.

Convertoare galvanice. Convertizoarele se bazează pe dependența EMF a circuitului galvanic de activitatea chimică a ionilor de electrolit, adică de concentrația ionilor și procesele redox din electrolit. Aceste convertoare sunt utilizate pentru a determina reacția unei soluții (acide, neutre, alcaline), care depinde de activitatea ionilor de hidrogen din soluție.

Apa distilată are o conductivitate electrică slabă, dar bine definită, care se explică prin ionizarea apei.Activitatea chimică a este egală cu produsul dintre concentrația echivalentă și coeficientul de activitate (tinde spre unitate cu diluția infinită a soluției).

Dacă un acid, care formează ioni de H + în timpul disocierii, este dizolvat în apă, atunci concentrația ionilor de H + în soluție va deveni mai mare decât în ​​apa pură, iar concentrația de ioni OH ~ este mai mică datorită reunificării unora. a ionilor H + cu ionii OH.

Astfel, reactivitatea ionilor de hidrogen într-o soluție este o caracteristică a reacției soluției. Reacția soluției este caracterizată numeric prin logaritmul negativ al activității ionilor de hidrogen - valoarea pH-ului Pentru apa distilată, valoarea pH-ului este de 7 unități pH.

Gama de modificări ale pH-ului soluțiilor apoase la t = 22 ° С este de 0-14 unități de pH.

Pentru măsurarea pH-ului se folosește o metodă bazată pe măsurarea potențialului electrodului (limită).

Dacă un electrod metalic este scufundat într-o soluție care conține ionii săi cu același nume, atunci electrodul dobândește un potențial. Electrodul de hidrogen se comportă similar.

Pentru a obține un potențial de electrod între hidrogen și o soluție, este necesar să existe un așa-numit electrod de hidrogen. Un electrod de hidrogen poate fi creat profitând de proprietatea hidrogenului de a se adsorbi pe suprafața de platină, iridiu și paladiu. În mod obișnuit, electrodul de hidrogen este un electrod de platină acoperit cu negru platină căruia i se alimentează continuu hidrogen gazos. Potențialul unui astfel de electrod depinde de concentrația ionilor de hidrogen din soluție.

Este imposibil de măsurat practic valoarea absolută a potențialului de limită. Prin urmare, un convertor galvanic constă întotdeauna din două semicelule conectate electric între ele: o semicelulă de lucru (de măsurare), care este o soluție de testare cu un electrod și o semicelulă comparativă (auxiliară) cu un potențial de limită constant. , constând dintr-un electrod și o soluție cu o concentrație constantă. Un electrod de hidrogen cu o concentrație normală constantă de ioni de hidrogen este utilizat ca jumătate de celulă comparativă. În măsurătorile industriale, se folosește un electrod de calomel comparativ mai convenabil.

Orez. 11-24. Convertor galvanic

În fig. 11-24 prezintă un transmițător pentru măsurarea concentrației ionilor de hidrogen. Electrodul de calomel servește ca semicelulă comparativă. Este un vas de sticlă 4, pe fundul căreia se pune o cantitate mică de mercur, iar deasupra se află o pastă de calomel (Hg2Cb). O soluție de clorură de potasiu (KC1) se toarnă deasupra pastei. Potențialul apare la interfața calomel - mercur. Pentru contactul cu mercurul, în fundul vasului este lipit un electrod de platină 5. Potențialul electrodului de calomel depinde de concentrația de mercur din calomel, iar concentrația de ioni de mercur, la rândul său, depinde de concentrația de clor. ioni în soluția de clorură de potasiu.

Un electrod de hidrogen este scufundat în soluția de testat. Ambele semi-celule sunt conectate printr-un comutator electrolitic, care este un tub 2, umplut de obicei cu o soluție saturată de KC1 și închis cu dopuri semipermeabile 3. EMF-ul unui astfel de convertor este o funcție de pH.

În dispozitivele de tip industrial, se folosesc electrozi de antimoniu sau quinhidron mai convenabil în locul electrozilor de hidrogen de lucru. Așa-numiții electrozi de sticlă sunt, de asemenea, folosiți pe scară largă.

Dispozitivele de compensare sunt utilizate în principal pentru măsurarea EMF a convertoarelor galvanice. Pentru electrozii de sticlă, circuitul de măsurare trebuie să aibă o rezistență de intrare mare, deoarece rezistența internă a electrozilor de sticlă ajunge la 100-200 MΩ. La măsurarea pH-ului cu traductoare galvanice, trebuie făcute corecții pentru efectul temperaturii.

PRELEZA 15.

Traductoare de măsurare generatoare

În convertoarele generatoare, mărimea de ieșire este un EMF sau o sarcină, legată funcțional de mărimea neelectrică măsurată.

Convertoare termoelectrice (termocupluri).

Pe baza efectului termoelectric care are loc în circuitul termocuplului. Aceste traductoare sunt folosite pentru a măsura temperatura. Principiul de funcționare al termocuplului este ilustrat în Fig. 15.1, a, care prezintă un circuit termoelectric format din doi conductori diferiți A și B ... Punctele de legătură 1 și 2 ale conductorilor se numesc joncțiuni de termocuplu. Dacă temperaturile t joncțiunile 1 și 2 sunt aceleași, 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 funcţie de diferenţa de temperatură dintre joncţiuni

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

Dacă temperatura joncțiunii 2 este menținută constantă, atunci

E = f (t 1).

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

Pentru ca termocuplul TEMF să fie determinat fără ambiguitate de temperatura joncțiunii calde, este necesar să se mențină temperatura joncțiunii la rece întotdeauna aceeași.

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 ridicătorilor să fie egală cu 0 O C. În practică, nu este întotdeauna posibilă menținerea acestei temperaturi. În astfel de cazuri, citirea termocuplului este corectată pentru temperatura ascensoarelor. Există scheme de corectare automată.

Structural, termocuplurile sunt realizate sub forma a doi termoelectrozi izolați cu o joncțiune de lucru obținută prin sudare, plasați în fitinguri de protecție care protejează termocuplul de influențele externe și deteriorări. Capetele de lucru ale termocuplului sunt aduse în capul termocuplului, echipat cu cleme pentru conectarea termocuplului la circuitul electric.

Masa 15.1 prezintă caracteristicile termocuplurilor industriale. Termocuplurile PP, PR și VR sunt folosite pentru măsurarea temperaturilor ridicate. Termocuplurile din metale prețioase sunt folosite pentru măsurători cu precizie sporită.

În funcție de design, 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 se conecteze dispozitivul la „electrod”, adică. în ruptura unuia dintre termoelectrozi (Fig. 15.1, c). O astfel de includere, în conformitate cu (15.1), face posibilă măsurarea diferenței de temperatură t 1 - t 2 ... De exemplu, se poate măsura supraîncălzirea înfășurărilor transformatorului peste temperatura ambiantă în timpul testării. Pentru aceasta, joncțiunea de lucru a termocuplului este încorporată în înfășurare, iar joncțiunea liberă este lăsată la temperatura ambiantă.

Tabelul 15.1. Caracteristicile termocuplului

	Desemnare	Domeniu de aplicare, o C
Cupru - Copel
Chromel - Copel
Chromel - alumel
Platină rodiu (10% Rh) - platină
Platină rodiu (30% Rh ) - platină rodiu (6% Rh)
Tungsten (5% Re ) - wolfram (20% Re)

Cerința pentru o temperatură constantă a capetelor libere ale termocuplului obligă pe cât posibil să fie îndepărtate de la locul de măsurare. În acest scop se folosesc așa-numitele fire de prelungire sau de compensare ale KP, conectate la capetele libere ale termocuplului cu respectarea polarității (Fig. 15.1, d). Firele de compensare sunt formate din conductori diferiți, care, în intervalul posibilelor fluctuații de temperatură ale capetelor libere, dezvoltă într-o pereche același TEMF ca un termocuplu. Prin urmare, dacă punctele de conectare ale firelor de compensare sunt la o temperatură t 2 , și temperatura la locul unde termocuplul este conectat la dispozitiv t 0 , atunci termocuplul TEMF va corespunde calibrării sale la temperatura capetelor libere t 0.

TEMF 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 un milivoltmetru la bornele sale

unde eu - curent în circuitul termocuplului și R V Este rezistența milivoltmetrului.

Deoarece sursa de curent din circuit este un termocuplu, atunci

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

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

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

Astfel, citirile milivoltmetrului diferă mai mult de termocuplul TEMF, 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 scara aparatului. Milivoltmetrele pirometrice sunt produse în serie cu clase de precizie de la 0,5 la 2,0.

Impedanța de intrare a milivoltmetrelor electronice este foarte mare, iar efectul rezistenței R BH asupra citirilor este neglijabilă.

Traductoare piezoelectrice.

Astfel de convertoare se bazează pe utilizarea unui efect 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 fețe situate perpendicular pe 0 optic z, mecanic 0 y si electric 0 X axele cristalului (Fig. 15.2), apoi când se aplică forța pe placă F x îndreptate de-a lungul axei electrice, pe fețe X apar taxe

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

unde K p - coeficient (modul) piezoelectric.

Când se aplică o forță pe placă F y de-a lungul axei mecanice, pe aceleasi muchii X apar taxe

Q y = K p F y a / b,

unde a și b - dimensiunile marginilor plăcii. Acțiunea mecanică 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 unele opuse. Materialele își păstrează proprietățile piezoelectrice numai la temperaturi sub punctul Curie.

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

Fabricarea traductoarelor din ceramică piezoelectrică este mult mai ușoară decât din monocristale. Senzorii ceramici sunt produși după tehnologia uzuală pentru produsele radio-ceramice - prin presare sau turnare prin injecție; electrozii sunt aplicați pe ceramică, cablurile sunt sudate la electrozi. Pentru polarizare, produsele ceramice sunt plasate într-un câmp electric puternic, după care dobândesc proprietățile materialelor piezoelectrice.

Forța electromotoare care apare pe electrozii unui traductor piezoelectric este destul de semnificativă - câțiva volți. Cu toate acestea, dacă forța aplicată convertorului este constantă, atunci este dificil să se măsoare EMF, deoarece sarcina este mică și se scurge 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 puterea se schimbă F conform legii F = F m sin  t EMF se modifică și sinusoid.

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

Tabelul 15.2. Parametrii piezoelectrici de cuarț și ceramică

Material (marca)		Punctul Curie, o C
Titanat de bariu (TB-1) Titanat de zirconat de plumb (TsTS-19)	70,0x10 -12 119,0x10 -12

Traductoarele de măsurare piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă pentru măsurarea parametrilor de mișcare: accelerație liniară și vibrațională, șoc, 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, este necesar să se utilizeze dispozitive cu o impedanță mare de intrare pentru a măsura tensiunea de ieșire (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 piezoceramic) încărcat cu o masă cunoscută m , plasat în carcasa 1 și prin bornele 2 este inclus în circuitul unui milivoltmetru electronic 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 - factor de conversie de tensiune al senzorului.

PAGINA 6

EMBED Visio.Desen.6

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 proprietăților metalelor și semiconductorilor pentru a le modifica rezistența electrică cu temperatura. Pentru conductorii din metale pure, această dependență în domeniul de temperatură de la -200 ° C la 0 ° C are forma:

Rt = R0,

și în intervalul de temperatură de la 0 ° С la 630 ° С

R t = R 0 [ 1+ La + Bt 2],

Unde Rt, R0- rezistenta conductorului la temperatura tși 0 ° C; A, B,С - coeficienți; t- temperatura, ° С.

În intervalul de temperatură de la 0 ° C la 180 ° C, dependența rezistenței conductorului de temperatură este descrisă prin formula aproximativă

R t = R 0 [ 1+ αt],

Unde α - coeficientul de temperatură al rezistenţei materialului conductor (TCR).

Pentru conductoare metalice goale α ≈ 6-10 -3 ... 4-10 -3 grade -1.

Măsurarea temperaturii cu un termometru de rezistență se reduce la măsurarea rezistenței acesteia Rt, cu trecerea ulterioară la temperatură după formule sau tabele de calibrare.

Distingeți termometrele de rezistență cu fir și cu semiconductor. Un termometru de rezistență cu sârmă este un fir subțire din metal pur, fixat pe un cadru din material rezistent la temperatură (element senzor), plasat într-o armătură de protecție (Figura 6.4).

Figura 6.4 - Element senzor al termometrului de rezistență

Cablurile de la elementul de detectare sunt conectate la capul termometrului. Alegerea pentru fabricarea termometrelor de rezistență din fire din metale pure, și nu aliaje, se datorează faptului că TCR-ul metalelor pure este mai mare decât cel al aliajelor și, prin urmare, termometrele bazate pe metale pure sunt mai sensibile.

Industria produce termometre rezistente din platină, nichel și cupru. Pentru a asigura interschimbabilitatea și calibrarea uniformă a termometrelor, valorile rezistenței acestora sunt standardizate R 0și TCS.

Termometrele de rezistență (termistoare) cu semiconductori sunt margele, discuri sau tije din material semiconductor cu fire pentru conectarea la un circuit de măsurare.

Industria produce în serie multe tipuri de termistori în diferite modele.

Dimensiunile termistorilor, de regulă, sunt mici - aproximativ câțiva milimetri, iar unele tipuri sunt zecimi de milimetru. Pentru a proteja împotriva deteriorării mecanice și a expunerii la mediu, termistorii sunt protejați cu acoperiri de sticlă sau email, precum și capace metalice.

Termistorii au de obicei rezistențe de la unități la sute de kilo-ohmi; TCR-ul lor în intervalul de temperatură de funcționare este cu un ordin de mărime mai mare decât cel al termometrelor cu sârmă. Ca materiale pentru fluidul de lucru al termistorilor, se folosesc amestecuri de oxizi de nichel, mangan, cupru, cobalt, care sunt amestecate cu un liant, îi conferă forma necesară și sinterizat la o temperatură ridicată. Termistorii sunt utilizați pentru măsurarea temperaturilor în intervalul de la -100 la 300 ° C. Inerția termistoarelor este relativ scăzută. Dezavantajele lor includ neliniaritatea dependenței de temperatură a rezistenței, lipsa interschimbabilității din cauza răspândirii mari a rezistenței nominale și a TCR, precum și modificarea ireversibilă a rezistenței în timp.

Pentru măsurători în domeniul de temperatură apropiat de zero absolut, se folosesc termometre cu semiconductor cu germaniu.

Măsurarea rezistenței electrice a termometrelor se realizează folosind punți sau compensatoare AC și DC. O caracteristică a măsurătorilor termometrice este limitarea curentului de măsurare pentru a exclude încălzirea corpului de lucru al termometrului. Pentru termometrele de rezistență cu fir, se recomandă selectarea unui curent de măsurare astfel încât puterea disipată de termometru să nu depășească 20 ... 50 mW. Puterea de disipare admisă în termistori este mult mai mică și se recomandă determinarea ei experimental pentru fiecare termistor.

Traductoare sensibile la deformare (extensometre).

În practica de proiectare, este adesea necesară măsurarea tensiunilor mecanice și a tensiunilor în elementele structurale. Cele mai comune convertoare ale acestor cantități într-un semnal electric sunt tensometrele. Funcționarea extensometrelor se bazează pe proprietatea metalelor și semiconductorilor de a-și modifica rezistența electrică sub acțiunea forțelor aplicate acestora. Cel mai simplu tensiometru poate fi o bucată de sârmă, lipită rigid de suprafața piesei deformate. Întinderea sau contracția unei piese determină o dilatare sau contracție proporțională a firului, în urma căreia rezistența sa electrică se modifică. În limitele deformațiilor elastice, modificarea relativă a rezistenței firului este asociată cu alungirea relativă a acestuia prin raportul:

ΔR / R = K T Δl / l,

Unde l, R- lungimea initiala si rezistenta firului; Δl, ΔR- cresterea lungimii si rezistentei; K T- coeficient de tensosensibilitate.

Valoarea coeficientului extensometrului depinde de proprietățile materialului din care este fabricat extensometrul, precum și de metoda de atașare a extensometrului la produs. Pentru fire metalice din diferite metale K T = 1... 3,5.

Distingeți între tensometrele de sârmă și semiconductori. Pentru fabricarea extensometrelor din sârmă se folosesc materiale care au un coeficient de extensometru suficient de mare și un coeficient de rezistență la temperatură scăzut. Cel mai obișnuit material pentru fabricarea calometrelor de sârmă este sârma constantan cu un diametru de 20 ... 30 microni.

Din punct de vedere structural, extensometrele de sârmă sunt o zăbrele constând din mai multe bucle de sârmă lipite pe un substrat de hârtie subțire (sau alt) substrat (Figura 6.5). În funcție de materialul substratului, tensometrele pot funcționa la temperaturi de la -40 la + 400 ° C.

Figura 6.5 - Tensometru

Există modele de extensometre atașate la suprafața pieselor cu ciment, capabile să funcționeze la temperaturi de până la 800 ° C.

Principalele caracteristici ale tensometrelor sunt rezistența nominală R, baza lși coeficientul gabar K T Industria produce o gamă largă de tensometre cu o dimensiune de bază de la 5 la 30 mm, rezistențe nominale de la 50 la 2000 Ohm, cu un factor de extensometru de 2 ± 0,2.

O dezvoltare ulterioară a extensometrelor din sârmă sunt extensometrele din folie și film, al căror element sensibil este o rețea de benzi de folie sau cel mai subțire film metalic aplicat pe substraturi pe bază de lac.

Tensometrele sunt realizate pe baza de materiale semiconductoare. Efectul de deformare este cel mai pronunțat în germaniu, siliciu, etc. Principala diferență între calomenele cu semiconductor și calibrele de sârmă este o modificare mare (până la 50%) a rezistenței în timpul deformării, datorită valorii mari a coeficientului de deformare.

Convertoare inductive.

Traductoarele inductive sunt utilizate pentru măsurarea deplasărilor, dimensiunilor, abaterilor de formă și amplasare a suprafețelor. Convertorul constă dintr-un inductor fix cu un miez magnetic și o armătură, care este, de asemenea, parte a circuitului magnetic, care se deplasează în raport cu inductor. Pentru a obține cea mai mare inductanță posibilă, miezul magnetic al bobinei și armătura sunt realizate din materiale feromagnetice. Când armătura se mișcă (conectată, de exemplu, cu sonda dispozitivului de măsurare), inductanța bobinei se modifică și, prin urmare, curentul care curge în înfășurare se modifică. În figura 6.6 sunt prezentate diagramele convertoarelor inductive cu întrefier variabil. δ (Figura 6.6 A) folosit pentru măsurarea deplasării în intervalul 0,01 ... 10 mm; cu suprafață de aer variabilă S 0(Figura 6.6 b), folosit în intervalul de 5 ... 20 mm.

Figura 6.6 - Traductoare inductive de deplasare

6.2. Amplificatoare operaționale

Amplificator operațional(OA) este un amplificator diferenţial DC cu un câştig foarte mare. Pentru un amplificator de tensiune, funcția de transfer (câștig) este determinată de expresie

Pentru a simplifica calculele de proiectare, se presupune că un amplificator operațional ideal are următoarele caracteristici:

1 Câștigul în buclă deschisă este infinit.

2 Impedanță de intrare R d este egal cu infinitul.

3 Impedanta de iesire R o = 0.

4 Lățimea de bandă este infinită.

5 V o= 0 pentru V 1 = V 2(fără tensiune de compensare zero). Ultima caracteristică este foarte importantă. pentru că V1-V2 = Vo/A atunci dacă Vo are o valoare finită, iar coeficientul A este infinit de mare (valoare tipică 100000) vom avea

V 1 - V 2= 0 și V 1 = V 2.

Deoarece impedanța de intrare pentru semnalul diferențial este ( V 1 - V 2) este de asemenea foarte mare, apoi curentul prin R d Aceste două ipoteze simplifică foarte mult proiectarea circuitelor pe un amplificator operațional.

Regula 1. Când amplificatorul operațional funcționează în regiunea liniară, aceleași tensiuni acționează asupra celor două intrări ale sale.

Regula 2. Curenții de intrare pentru ambele intrări ale amplificatorului operațional sunt zero.

Luați în considerare blocurile de circuit de bază ale unui amplificator operațional. În majoritatea acestor circuite, amplificatorul operațional este utilizat într-o configurație în buclă închisă.

6.2.1. Amplificator cu câștig unitar (repetor de tensiune)

Dacă puneți un amplificator neinversător Ri egal cu infinitul, a Rf egal cu zero, atunci ajungem la schema prezentată în Figura 6.7.

Figura 6.7 - Următorul de tensiune

Conform regulii 1, tensiunea de intrare acționează și asupra intrării inversoare a amplificatorului operațional. V i, care este transferat direct la ieșirea circuitului. Prin urmare, V o = V i, iar tensiunea de ieșire urmează (repetă) tensiunea de intrare. Cu multe convertoare analog-digitale, impedanța de intrare depinde de valoarea aceluiași semnal de intrare. Un urmăritor de tensiune asigură că rezistența de intrare este constantă.

6.2.2. Aditivi

Un amplificator inversor poate adăuga mai multe tensiuni de intrare. Fiecare intrare a sumatorului este conectată la intrarea inversoare a amplificatorului operațional printr-un rezistor de ponderare. Intrarea de inversare se numește nod de însumare deoarece toți curenții de intrare și de feedback sunt însumați aici. Schema schematică de bază a amplificatorului de însumare este prezentată în Figura 6.8.

Ca și într-un amplificator inversor convențional, tensiunea la intrarea inversoare trebuie să fie zero, prin urmare curentul care curge în amplificatorul operațional este, de asemenea, zero. În acest fel,

Figura 6.8 - Schema de bază a unui amplificator de însumare

Deoarece tensiunea zero acționează asupra intrării inversoare, atunci după substituțiile corespunzătoare, obținem:

Rezistor R f determină câștigul total al circuitului. Rezistențe R 1 , R 2 ,...R n setați valorile factorilor de ponderare și ale rezistențelor de intrare ale canalelor corespunzătoare.

6.2.3. Integratori

Un integrator este un circuit electronic care produce un semnal de ieșire proporțional cu integrala (în timp) a semnalului de intrare.

Figura 6.9 - Schema schematică a unui integrator analogic

Figura 6.9 prezintă o diagramă schematică a unui integrator analogic simplu. O ieșire a integratorului este conectată la nodul de însumare, iar cealaltă este conectată la ieșirea integratorului. Prin urmare, tensiunea pe condensator este și tensiunea de ieșire. Semnalul de ieșire al integratorului nu poate fi descris printr-o relație algebrică simplă, deoarece la o tensiune de intrare fixă, tensiunea de ieșire se modifică la o rată determinată de parametri. V i, Rși CU... Astfel, pentru a găsi tensiunea de ieșire, trebuie să cunoașteți durata semnalului de intrare. Tensiunea pe condensatorul inițial descărcat:

Unde dacă- printr-un condensator si t i- timpul de integrare. Pentru un pozitiv V i noi avem dacă = V i/R... În măsura în care dacă = eu i apoi, ținând cont de inversarea semnalului, obținem:

Din această relaţie rezultă că V o este determinată de integrala (cu semnul opus) tensiunii de intrare în intervalul de la 0 la t iînmulțit cu factorul de scară 1 / RС... Voltaj V ic Este tensiunea pe condensator în momentul inițial de timp ( t = 0).

6.2.4. Diferențiatori

Diferențiatorul produce un semnal de ieșire proporțional cu rata de modificare în timp a semnalului de intrare. Figura 6.10 prezintă o diagramă schematică a unui diferențiator simplu.

Figura 6.10 - Schema schematică a diferențiatorului

Curentul prin condensator este:

Dacă derivatul dV i/dt pozitiv, curent eu i curge în așa direcție încât se generează o tensiune negativă de ieșire V o... În acest fel,

Această metodă de diferențiere a semnalului pare simplă, dar în implementarea sa practică există probleme cu asigurarea stabilității circuitului la frecvențe înalte. Nu orice amplificator operațional este potrivit pentru utilizare într-un diferențiator. Criteriul de selecție este performanța amplificatorului operațional: trebuie să alegeți un amplificator operațional cu o rată maximă de slew mare și un produs cu lățime de bandă de câștig mare. Amplificatoarele operaționale de mare viteză pe tranzistoarele cu efect de câmp funcționează bine în diferențieri.

6.2.5. Comparatoare

Un comparator este un circuit electronic care compară două tensiuni de intrare și produce o ieșire bazată pe starea intrărilor. Schema de bază a comparatorului este prezentată în Figura 6.11.

Figura 6.11 - Schema schematică a comparatorului

După cum puteți vedea, aici amplificatorul operațional funcționează cu o buclă de feedback deschisă. O tensiune de referință este aplicată uneia dintre intrările sale, iar celeilalte este aplicată o tensiune necunoscută (comparată). Ieșirea comparatorului indică dacă intrarea necunoscută este deasupra sau sub tensiunea de referință. În circuitul din Figura 6.11, tensiunea de referință V r este alimentat la intrarea neinversoare, iar un semnal necunoscut este alimentat la intrarea inversoare V i.

La V i > V r tensiunea este setată la ieșirea comparatorului V 0=-V r(tensiune negativă de saturație). Altfel, primim V 0 = +V r... Puteți schimba pozițiile intrărilor - acest lucru va duce la o inversare a semnalului de ieșire.

6.3. Comutarea semnalului de măsurare

În tehnologia informației și măsurării, la implementarea conversiilor de măsurare analogice, este adesea necesar să se realizeze conexiuni electrice între două sau mai multe puncte ale circuitului de măsurare pentru a provoca procesul tranzitoriu necesar, a disipa energia stocată de elementul reactiv (de exemplu , descărcați un condensator), conectați sursa de alimentare a circuitului de măsurare, porniți memoria celulei analogice, luați o probă dintr-un proces continuu în timpul eșantionării etc. În plus, multe instrumente de măsurare efectuează conversii de măsurare secvenţial pe un număr mare de mărimi electrice distribuite în spaţiu. Pentru a implementa cele de mai sus, se folosesc comutatoare de măsurare și chei de măsurare.

Comutator de măsurare se numește un dispozitiv care convertește semnale analogice separate spațial în semnale separate în timp și invers.

Comutatoarele de măsurare pentru semnale analogice sunt caracterizate de următorii parametri:

- intervalul dinamic al valorilor comutate; eroarea coeficientului de transmisie;

Viteza (frecvența de comutare și/sau timpul necesar pentru a efectua o operație de comutare); numărul de semnale comutate;

Numărul maxim de comutări (pentru comutatoare cu chei de măsurare a contactelor) .

În funcție de tipul de taste de măsurare utilizate în comutator, a lua legaturași fără contact comutatoare. Comutatorul de măsurare este un dispozitiv cu două terminale cu o neliniaritate pronunțată a caracteristicii curent-tensiune. Trecerea unei chei de la o stare (închisă) la alta (deschisă) se realizează cu ajutorul unui element de control.

6.4. Conversie analog în digital

Conversia analog-digitală este o parte integrantă a procedurii de măsurare. În dispozitivele indicatoare, această operație corespunde citirii rezultatului numeric de către experimentator. În instrumentele de măsurare digitale și cu procesor, conversia analog-digitală este efectuată automat, iar rezultatul fie merge direct pe afișaj, fie este introdus în procesor pentru a efectua conversii ulterioare de măsurare în formă numerică.

Metodele de conversie analog-digitală în măsurători sunt dezvoltate profund și temeinic și sunt reduse la reprezentarea valorilor instantanee ale acțiunii de intrare în momente fixe în timp prin combinația de cod (număr) corespunzătoare. Baza fizică a conversiei analog-digitale este porțile și compararea cu niveluri de referință fixe. Cele mai răspândite sunt ADC-urile de codificare bit cu bit, numărare secvențială, echilibrare de urmărire și altele. Problemele metodologiei de conversie analog-digitală care sunt asociate cu tendințele de dezvoltare a măsurătorilor ADC și digitale în următorii ani includ, în special:

Eliminarea ambiguității de citire în ADC-urile de comparație cu cea mai mare viteză, care sunt din ce în ce mai răspândite odată cu dezvoltarea tehnologiei integrale;

Realizarea tolerantei la erori si imbunatatirea caracteristicilor metrologice ale ADC pe baza sistemului de numere Fibonacci redundant;

Aplicație pentru conversia analog-digitală a metodei de testare statistică.

6.4.1 Convertoare digitale, analogice și analog-digitale

Convertoarele digital-analogic (DAC) și analog-digital (ADC) sunt o parte integrantă a sistemelor de control automat și reglare. În plus, deoarece majoritatea covârșitoare a mărimilor fizice măsurate sunt analogice, iar procesarea, indicarea și înregistrarea lor, de regulă, sunt efectuate prin metode digitale, DAC și ADC sunt utilizate pe scară largă în instrumentele de măsurare automate. Deci, DAC și ADC fac parte din instrumentele digitale de măsură (voltmetre, osciloscoape, analizoare de spectru, corelatoare etc.), sursele de alimentare programabile, afișajele pe tuburi catodice, plotterele, sistemele radar, instalațiile pentru elemente de monitorizare și microcircuite, sunt componente importante. diverse convertoare și generatoare, dispozitive de intrare-ieșire pentru informații computerizate. Se deschid perspective largi pentru utilizarea DAC și ADC în telemetrie și televiziune. Producția în serie de DAC și ADC de dimensiuni mici și relativ ieftine va permite utilizarea și mai largă a metodelor discrete de conversie continuă în știință și tehnologie.

Există Trei varietăți de execuție tehnologică constructivă a DAC și ADC: modulare, hibridși integrală.

În același timp, ponderea producției de circuite integrate (PS) DAC și ADC în volumul total al producției lor este în continuă creștere, ceea ce este în mare măsură facilitat de utilizarea pe scară largă a microprocesoarelor și a metodelor digitale de procesare a datelor.

DAC- un dispozitiv care creează un semnal analogic (tensiune sau curent) la ieșire, proporțional cu semnalul digital de intrare. În acest caz, valoarea semnalului de ieșire depinde de valoarea tensiunii de referință U pe care definește scara completă a semnalului de ieșire. Dacă utilizați orice semnal analogic ca tensiune de referință, atunci semnalul de ieșire DAC va fi proporțional cu produsul semnalelor digitale și analogice de intrare. Într-un ADC, codul de ieșire digitală este determinat de raportul dintre semnalul de intrare analogic convertit și semnalul de referință la scară completă. Această relație este îndeplinită și dacă semnalul de referință se modifică conform unor legi. Un ADC poate fi gândit ca un contor de raport sau un divizor de tensiune cu o ieșire digitală.

6.4.2. Principii de funcționare, elemente de bază și diagrame bloc ale ADC

În prezent, un număr mare de tipuri ADC au fost dezvoltate pentru a satisface o varietate de cerințe. În unele cazuri, cerința predominantă este precizia ridicată, în altele - viteza de conversie.

Conform principiului de funcționare, toate tipurile existente de ADC-uri pot fi împărțite în două grupuri:

ü ADC cu compararea semnalului convertit de intrare cu niveluri discrete de tensiune;

ü ADC de tip integrator.

Într-un ADC care compară semnalul de intrare convertit cu niveluri de tensiune discrete, este utilizat un proces de conversie, a cărui esență este de a genera o tensiune cu niveluri echivalente cu codurile digitale corespunzătoare și de a compara aceste niveluri de tensiune cu tensiunea de intrare pentru a determina echivalentul digital al semnalului de intrare. În acest caz, nivelurile de tensiune pot fi formate simultan, secvenţial sau combinat.

Un ADC cu dinți de ferăstrău pas cu pas este unul dintre cele mai simple convertoare (Figura 6.12).

Figura 6.12 - Diagrama bloc a ADC-ului de numărare secvenţială

CC - schema de comparatie; Сч - contor de impulsuri; RP - registru de memorie; DAC este un convertor digital-analogic.

Pe semnalul „Start”, contorul este setat la o stare zero, după care, ca impulsuri de ceas cu o frecvență de f T tensiunea de ieșire a DAC crește într-o manieră liniară. La atingerea tensiunii U valorile scoase U circuitul de comparație de intrare oprește numărarea impulsurilor în contor CU h, iar codul de la ieșirile acestuia din urmă este introdus în registrul de memorie. Lățimea de biți și rezoluția unor astfel de ADC-uri sunt determinate de adâncimea de biți și rezoluția DAC-ului utilizat în acesta. Timpul de conversie depinde de nivelul tensiunii convertite de intrare. Pentru o tensiune de intrare corespunzătoare valorii la scară completă, CU h trebuie completat și, în același timp, trebuie să formeze un cod la scară completă la intrarea DAC. Acest lucru necesită un timp de conversie DAC de 11 biți la (2 n-1) ori perioada ceasului. Pentru o conversie rapidă analog-digitală, utilizarea unor astfel de ADC-uri nu este practică.

În ADC de urmărire (Figura 6.13), însumarea CU h înlocuit cu un contor reversibil RS h pentru a urmări schimbarea tensiunii de intrare. Semnalul de ieșire KN determină direcția de numărare în funcție de dacă tensiunea de intrare ADC depășește sau nu tensiunea de ieșire a DAC.

Figura 6.13 - Schema bloc a tipului de urmărire ADC

Înainte de a începe măsurătorile RS h este setat la starea corespunzătoare mijlocului scalei (01 ... 1). Primul ciclu de conversie al ADC de urmărire este analog cu ciclul de conversie dintr-o secvență ADC. În viitor, ciclurile de conversie sunt reduse semnificativ, deoarece acest ADC reușește să urmărească mici abateri ale semnalului de intrare pentru mai multe perioade de ceas, crescând sau scăzând numărul de impulsuri înregistrate în RS h, în funcție de semnul discrepanței dintre valoarea curentă a tensiunii convertite U tensiunea de intrare și de ieșire a DAC.

ADC-urile de aproximare succesivă (echilibrare pe biți) au găsit cea mai răspândită utilizare datorită implementării lor destul de simple, asigurând în același timp rezoluție, precizie și viteză ridicate, au o viteză puțin mai mică, dar rezoluție semnificativ mai mare în comparație cu ADC-urile care implementează metoda de conversie paralelă. (Figura 6.14).

Pentru a crește viteza de funcționare, ca dispozitiv de control se utilizează un distribuitor de impulsuri RI și un registru de aproximare succesiv. Compararea tensiunii de intrare cu referința (tensiunea de feedback DAC) se realizează pornind de la valoarea corespunzătoare bitului cel mai semnificativ din codul binar generat.

Când ADC este pornit cu ajutorul RI, RPP este setat la starea sa inițială: 1000 ... 0. În acest caz, la ieșirea DAC se formează o tensiune corespunzătoare jumătate din intervalul de conversie, care este asigurată prin pornirea bitului său cel mai semnificativ.

Figura 6.14 - Diagrama bloc a echilibrării ADC pe biți

SS - circuit de comparație: T - flip-flop, RPP - registru de aproximare succesivă; RI - distribuitor de impulsuri.

Dacă semnalul de intrare este mai mic decât semnalul de la DAC, codul 0100 ... 0 este generat la intrările digitale ale DAC în ciclul următor cu ajutorul RPP-ului la intrările digitale ale DAC, care corespunde cu includerea celui de-al doilea bit cel mai semnificativ. Ca rezultat, ieșirea DAC este redusă la jumătate.

Dacă semnalul de intrare depășește semnalul de la DAC, în ciclul următor, codul 0110 ... 0 este generat la intrările digitale ale DAC și un al 3-lea bit suplimentar este activat. În acest caz, tensiunea de ieșire a DAC, care a crescut de o dată și jumătate, este din nou comparată cu tensiunea de intrare etc. Se repetă procedura descrisă n ori (unde n Este numărul de biți ADC).

Ca rezultat, la ieșirea DAC va fi generată o tensiune care diferă de tensiunea de intrare cu cel mult un bit cel mai puțin semnificativ al DAC. Rezultatul conversiei este preluat din rezultatul RPP.

Avantajul acestei scheme este posibilitatea de a construi convertoare multi-biți (până la 12 biți și mai mari) de viteză relativ mare (cu un timp de conversie de ordinul a câteva sute de nanosecunde).

În ADC cu citire directă (tip paralel) (Figura 6.15), semnalul de intrare este aplicat simultan intrărilor tuturor SC, numărul T care este determinată de capacitatea ADC și este egală cu m = 2n-1, unde n- numărul de biți ADC. În fiecare SC, semnalul este comparat cu o tensiune de referință corespunzătoare ponderii unei anumite categorii și luat de la nodurile divizorului de rezistență alimentat de ION.

Semnalele de ieșire ale KH sunt procesate de un decodor logic, care generează un cod paralel, care este un echivalent digital al tensiunii de intrare. Astfel de ADC-uri au cea mai mare viteză. Dezavantajul unor astfel de ADC-uri este că, odată cu creșterea adâncimii de biți, numărul de elemente necesare practic se dublează, ceea ce face dificilă construirea ADC-urilor multi-biți de acest tip. Precizia conversiei este limitată de precizia și stabilitatea CV-ului și a divizorului de rezistență. Pentru a crește capacitatea de biți la viteză mare, sunt implementate ADC-uri în două etape, în timp ce biții mai puțin semnificativi ai codului de ieșire sunt eliminați de la ieșirile DS a doua etapă, iar biții cei mai semnificativi sunt eliminați din ieșirile DS ale prima etapă.

Figura 6.15 - Schema bloc a unui ADC paralel

ADC cu modulare a lățimii impulsului(integrare cu un singur ciclu)

ADC se caracterizează prin faptul că nivelul semnalului analogic de intrare U intrarea este convertită într-un impuls, a cărui durată t imp este o funcție a valorii semnalului de intrare și este digitizată prin numărarea numărului de perioade ale frecvenței de referință care se încadrează între începutul și sfârșitul impulsului. Tensiunea de ieșire a integratorului sub acțiunea celui conectat la intrarea acestuia U pe se modifică de la nivelul zero la o rată:

În momentul în care tensiunea de ieșire a integratorului devine egală cu intrarea Uîn, este declanșat KN, în urma căruia se încheie formarea duratei pulsului, timp în care numărul de perioade ale frecvenței de referință este numărat în contoarele ADC.

Durata impulsului este determinată de timpul în care tensiunea Uîn schimbări de la nivelul zero la Uîn:

Avantajul acestui convertor constă în simplitatea sa, în timp ce dezavantajele sunt viteza relativ mică și precizia scăzută.

Figura 6.15 - Diagrama bloc a unui ADC integrator cu un singur ciclu

Întrebări pentru a controla asimilarea cunoștințelor:

1 Ce principii fizice sunt utilizate în convertoarele primare?

2 Cum este clasificată IP în funcție de tipul valorii măsurate?

3 Principalele criterii de potrivire a convertoarelor primare cu obiectul măsurării.

4 Structura IP, principiile de funcționare, funcția de transformare și caracteristicile aplicației.

5 Explicați blocurile de circuit de bază ale amplificatoarelor operaționale (amplificatoare inversoare și neinversoare, repetoare de tensiune etc.).

6 Care sunt caracteristicile metrologice ale calculatoarelor analogice (adunatoare, integratoare, diferențiatoare)?

7 Întrerupătoare de măsurare, caracteristicile acestora, circuite echivalente, denumiri pe schemele de circuite.

8 Implementarea conversiei analog-digital în ADC de numărare secvenţială.

9 Principii de funcționare. Elemente de bază, diagrame bloc și caracteristici ale ADC și DAC.

Subiectul 18

Traductoare de măsurare (senzori)

Niciun sistem de control nu poate funcționa fără informații despre starea obiectului de control și răspunsul acestuia la acțiunea de control. Un element al sistemelor care furnizează astfel de informații este traductor-senzor de masura .

Numărul de tipuri de senzori depășește semnificativ numărul de cantități măsurate, deoarece aceeași mărime fizică poate fi măsurată prin metode diferite și senzori de design diferite.

Majoritatea senzorilor se caracterizează prin măsurarea electrică nu numai a cantităților electrice și magnetice, ci și a altor mărimi fizice. Această abordare se datorează avantajelor măsurătorilor electrice, având în vedere faptul că semnalele electrice pot fi transmise ușor și rapid pe distanțe mari, mărimile electrice sunt ușor, rapid și precis convertite într-un cod digital, și asigură o acuratețe și sensibilitate ridicate.

Multe caracteristici pot fi luate ca caracteristici de clasificare ale senzorilor: forma funcției de conversie; tip de cantitate de intrare și de ieșire; principiul de funcționare; performanță constructivă.

După tipul de energie utilizată, senzorii pot fi împărțiți în electrici, mecanici, pneumatici și hidraulici. În funcție de tipul semnalului de ieșire: analog, discret, releu, cu un semnal de ieșire natural sau unificat.

După natura transformării valorii de intrare în ieșire: parametric, generator, frecvență, fază.

După tipul mărimii fizice măsurate: deplasări liniare și unghiulare, presiune, temperatură, concentrație de substanțe etc.

Principiul de funcționare al convertoarelor parametrice este de a converti cantitățile de intrare neelectrice în parametri ai circuitelor electrice: rezistență R, inductanță L, capacitate CU, inductanță mutuală M... Pentru alimentarea acestor convertoare sunt necesare surse de alimentare externe. Acești senzori includ: convertoare rezistive, inductive, transformatoare, capacitive.

Convertoarele generatoare convertesc cantitățile de intrare în EMF. Nu necesită energie din surse suplimentare de energie.

Acestea sunt convertoare de inducție, termoelectrice, piezoelectrice, fotoelectrice.

Convertizoarele de fază și frecvență pot fi atât parametrice, cât și generatoare.

Reostat - realizat sub forma unui reostat, al cărui contact mobil se mișcă sub influența valorii măsurate de intrare. Cel mai adesea, un senzor reostat este inclus în sistemul de măsurare conform unui circuit potențiometru, uneori fiind numiți senzori potențiometrici.

Valoarea de ieșire a senzorului este rezistența electrică legată funcțional de poziția contactului în mișcare. Astfel de senzori sunt utilizați pentru a converti deplasările unghiulare sau neliniare într-o modificare corespunzătoare a rezistenței, curentului, tensiunii.

De asemenea, pot fi folosite pentru a măsura presiunea, debitul, nivelul. De asemenea, sunt adesea folosiți ca convertoare intermediare de cantități neelectrice în cele electrice.

În dispozitivele de automatizare, sunt utilizate pe scară largă convertoarele reostate de sârmă, care se disting prin precizie ridicată și stabilitatea funcției de conversie și au un coeficient de rezistență la temperatură scăzut (TCR).

Dezavantajele includ rezoluția scăzută, rezistența relativ scăzută (până la zeci de kOhm), utilizarea limitată în curent alternativ datorită inductanței reziduale și capacității de înfășurare.

Înfășurarea se efectuează cu o sârmă izolată rotire în rotire sau cu un pas dat. Constantan, manganina sunt folosite ca fir.

Acest tip de senzor nu reacționează la semnul semnalului de intrare; funcționează atât pe curent continuu, cât și pe curent alternativ.

Tensometre... Lucrarea lor se bazează pe efectul de deformare, care constă în modificarea rezistenței active a materialelor conductoare și semiconductoare în timpul deformării lor mecanice.

Caracteristica efectului de deformare al materialului este coeficientul de deformare LA t, definit ca raportul dintre modificarea rezistenței și modificarea lungimii conductorului

Constantan - LA t = 2

Nichrome - LA t = 2,2

Crom - LA t = 2,5

Extensometrele sunt utilizate pentru măsurarea presiunii lichidelor și gazelor, la măsurarea deformațiilor elastice ale materialelor: presiuni de încovoiere, răsucire.

Ca material tensorrezistiv se pot folosi metale cu TCR scăzut: manganina, constantan, nicrom, mercur, aliaje la temperaturi ridicate, materiale semiconductoare: germaniu, siliciu. Cele mai răspândite sunt tensometrele metalice. Sunt impartite in sarma si folie, aceasta din urma fiind mai perfecta.

Convertoare de cărbune. Principiul lor de funcționare se bazează pe o modificare a rezistenței de contact între particulele de cărbune cu o schimbare a presiunii. Sunt folosite pentru a măsura eforturi, presiuni, mici deplasări. Distingeți între stâlpii de cărbune și tenzoliți.

Primul este un set de 10-15 șaibe de pământ din carbon electrod.

Caracteristica traductorului de carbon este neliniară, are o sensibilitate variabilă. Instabil în funcționare, caracteristicile depind de temperatura și umiditatea mediului ambiant, de calitatea pregătirii suprafeței.

Acestea din urmă sunt mici ca dimensiune și greutate. Ele sunt utilizate pentru a măsura schimbările rapide și solicitările de șoc în părțile mici în mișcare, în timp ce funcționează atât la tensiune, cât și la compresie. Coeficientul de sensibilitate al traductoarelor tensolite este mai mare decât cel al tensometrelor și este LA= 15 ¸ 20.

Este realizat sub formă de benzi formate dintr-un amestec de grafit, negru de fum, lac de bachelit și alte componente. Aceste benzi sunt lipite de piesa de testare.

Convertizoarele rezistive, în ciuda dezavantajelor lor inerente, sunt încă utilizate pe scară largă.

Convertoare capacitive... Principiul de funcționare se bazează pe schimbarea capacității condensatorului sub influența valorii transformate de intrare

unde e este constanta dielectrică relativă a dielectricului; e 0 - constanta dielectrică a vidului; S- zona placa; d este grosimea dielectricului sau distanța dintre plăci.

Senzorii capacitivi sunt utilizați pentru a măsura deplasările unghiulare și liniare, dimensiunile liniare, nivelul, forțele, concentrația de umiditate etc.

La senzorii capacitivi plan-paralel, planul de suprapunere se modifică S(zonă de suprapunere variabilă) caracteristica statică este liniară.

La convertoarele capacitive cu defer variabil, caracteristica este neliniară.

Traductoarele și modificările conductivității dielectrice a mediului dintre electrozi sunt utilizate pe scară largă pentru măsurarea nivelului de substanțe lichide și în vrac, analiza compoziției și concentrației substanțelor din industria chimică, de rafinare a petrolului, pentru numărarea produselor și alarme antiefracție. Au o caracteristică statică liniară.

Capacitatea traductoarelor de măsurare, în funcție de caracteristicile de proiectare, variază de la zecimi la câteva mii de picofarad, ceea ce duce la necesitatea utilizării creșterilor de frecvență Hz pentru alimentarea senzorilor de tensiune.

Acesta este un dezavantaj semnificativ al unor astfel de convertoare.

Proprietățile dielectrice ale unui mediu sunt uneori modificate de temperatură sau de solicitări mecanice. Aceste efecte sunt, de asemenea, folosite pentru a crea traductoare adecvate.

Modificarea permeabilității sub influența temperaturii este descrisă prin expresie

,

unde e t este constanta dielectrică a materialului la o temperatură T; e 0 - constantă dielectrică la temperatură T 0; a - coeficientul de temperatură; ...

Dependența lui e de forța aplicată acestuia are o formă similară R

,

unde este sensibilitatea materialului la modificarea relativă a constantei dielectrice

.

Cu cât distanța d între electrozi este mai mică, cu atât capacitatea inițială a traductoarelor este mai mare. Cu toate acestea, reducerea intervalului este limitată de rezistența dielectrică a mediului interelectrod și de prezența forței de atracție electrostatică a plăcilor.

Erorile convertoarelor capacitive sunt determinate în principal de influența temperaturii și umidității asupra dimensiunilor geometrice și constantei dielectrice a mediului. Sunt practic elemente neinerțiale.

LA merite includ: simplitatea designului, dimensiuni și greutate reduse, sensibilitate ridicată, rezoluție ridicată la un nivel scăzut al semnalului de intrare, absența contactelor mobile de colectare a curentului, viteză mare, capacitatea de a obține legea de transformare necesară prin alegerea parametrilor de proiectare corespunzători, nu influența circuitului de intrare asupra circuitului de măsurare.

Reactanța de sarcină este aleasă egală ca valoare și opus ca semn rezistenței interne a senzorului.