Parametryczne przetworniki pomiarowe. Przetworniki funkcjonalne: pomiarowe, parametryczne, generatorowe

Głównymi elementami najczęściej stosowanych przyrządów pomiarowych są pierwotne przetworniki pomiarowe, których zadaniem jest przekształcenie mierzonej wielkości fizycznej (wielkości wejściowej) na sygnał informacyjny pomiaru (wielkość wyjściowa), zwykle elektryczny, wygodny do dalszego przetwarzania.

Przetwornice pierwotne dzielą się na parametryczne i generatorowe. W przetwornikach parametrycznych wartość wyjściowa reprezentuje zmianę dowolnego parametru obwodu elektrycznego (rezystancja, indukcyjność, pojemność itp.); w przetwornikach generatorowych wartością wyjściową jest siła elektromotoryczna, prąd elektryczny lub ładunek powstający na skutek energii mierzonego wartość.

Istnieje duża klasa przetworników pomiarowych, których wielkościami wejściowymi są ciśnienie, siła lub moment obrotowy. Z reguły w tych przetwornikach wielkość wejściowa oddziałuje na element sprężysty i powoduje jego odkształcenie, które następnie przetwarzane jest albo na sygnał odbierany przez obserwatorów (mechaniczne urządzenia wskazujące), albo na sygnał elektryczny.

O właściwościach bezwładności przetwornicy w dużej mierze decyduje częstotliwość drgań własnych elementu sprężystego: im jest ona większa, tym przetwornica jest mniej bezwładna. Maksymalna wartość tych częstotliwości przy zastosowaniu stopów konstrukcyjnych wynosi 50...100 kHz. Materiały krystaliczne (kwarc, szafir, krzem) wykorzystywane są do wytwarzania elementów elastycznych szczególnie precyzyjnych przetworników.

Przetworniki rezystancyjne to przetworniki parametryczne, których wartością wyjściową jest zmiana rezystancji elektrycznej, która może być spowodowana wpływem wielkości o różnym charakterze fizycznym - mechanicznym, termicznym, świetlnym, magnetycznym itp.

Przetwornik potencjometryczny to reostat, którego silnik porusza się pod wpływem wartości mierzonej (wartości wejściowej). Wielkość wyjściowa to rezystancja.

Przetworniki potencjometryczne służą do pomiaru położenia elementów sterujących (liniowych i kątowych), w miernikach poziomu, w czujnikach (np. ciśnienia) do pomiaru odkształcenia sprężystego elementu czujnikowego. Zaletą przetworników potencjometrycznych jest duży sygnał wyjściowy, stabilność charakterystyk metrologicznych, wysoka dokładność i niewielki błąd temperaturowy. Główną wadą jest wąski zakres częstotliwości (kilkadziesiąt herców).

Działanie tensometrów opiera się na zmianach rezystancji przewodników i półprzewodników podczas ich mechanicznego odkształcenia (efekt odkształcenia). Tensometr drutowy (lub foliowy) to zagięty w kształcie zygzaka cienki drut o średnicy 0,02...0,05 mm lub taśma foliowa o grubości 4...12 mikronów (siatka), która jest przyklejana do podłoża z materiału elektroizolacyjnego. Wyprowadzone przewody miedziane są podłączone do końcówek siatki. Przetworniki przyklejone do części rejestrują odkształcenie jej warstwy wierzchniej.

Przy pomiarze odkształceń i naprężeń w częściach i konstrukcjach z reguły nie ma możliwości kalibracji kanałów pomiarowych, a błąd pomiaru wynosi 2...10%. W przypadku stosowania tensometrów w pierwotnych przetwornikach pomiarowych, poprzez kalibrację można zmniejszyć błąd do 0,5...1%. Główną wadą tensometrów tego typu jest mały sygnał wyjściowy.

Do pomiaru małych odkształceń sprężystych elementów przetworników pomiarowych stosuje się tensometry półprzewodnikowe nasadzone bezpośrednio na elastyczny element wykonany z krzemu lub szafiru.

Przy pomiarze odkształceń dynamicznych o częstotliwości do 5 kHz należy stosować tensometry drutowe lub foliowe o podstawie nie większej niż 10 mm, a maksymalne dla nich odkształcenie nie powinno przekraczać 0,1% (0,02% dla półprzewodników).

Działanie przetworników piezoelektrycznych opiera się na pojawieniu się ładunków elektrycznych w momencie odkształcenia kryształu (bezpośredni efekt piezoelektryczny).

Przetworniki piezoelektryczne zapewniają możliwość pomiaru szybko zmiennych wielkości (częstotliwość własna przetworników sięga 200 kHz), charakteryzują się dużą niezawodnością oraz niewielkimi gabarytami i wagą. Główną wadą jest trudność w pomiarze wolno zmieniających się wielkości i przeprowadzeniu kalibracji statycznej ze względu na upływ prądu z powierzchni kryształu.

Przetwornik elektrostatyczny można schematycznie przedstawić jako dwie elektrody (płytki) o powierzchni F, umieszczone równolegle w odległości d w ośrodku o stałej dielektrycznej e.

Zazwyczaj te przetworniki są zaprojektowane w taki sposób, że ich wartością wyjściową jest zmiana pojemności (w tym przypadku nazywa się je pojemnościowymi), a wartościami wejściowymi mogą być ruchy mechaniczne, które zmieniają szczelinę d lub obszar F, lub zmiana stałej dielektrycznej ośrodka e w wyniku zmian jego temperatury, składu chemicznego itp.

Oprócz pojemności, pole elektromagnetyczne jest wykorzystywane jako wartość wyjściowa przetworników elektrostatycznych. generowane przez wzajemny ruch elektrod umieszczonych w polu elektrycznym (tryb generatora). Przykładowo mikrofony pojemnościowe działają w trybie generatora, przetwarzając energię drgań akustycznych na energię elektryczną.

Zaletą konwerterów elektrostatycznych jest brak hałasu i samonagrzewania. Aby jednak zabezpieczyć się przed zakłóceniami, przewody łączące i same przetwornice muszą być starannie ekranowane.

W przypadku przetworników indukcyjnych wartością wyjściową jest zmiana indukcyjności, a wartościami wejściowymi mogą być ruchy poszczególnych części przetwornika, prowadzące do zmiany rezystancji obwodu magnetycznego, indukcyjności wzajemnej pomiędzy obwodami itp.

Zaletami przetworników są: liniowość charakterystyki, mała zależność sygnału wyjściowego od wpływów zewnętrznych, wstrząsów i wibracji; wysoka czułość. Wady - mały sygnał wyjściowy i konieczność stosowania napięcia zasilającego o wysokiej częstotliwości.

Zasada działania przetwornic częstotliwości wibracyjnej opiera się na zmianie częstotliwości drgań własnych struny lub cienkiego mostu pod wpływem zmiany jej napięcia.

Wielkością wejściową przetwornika jest siła mechaniczna (lub wielkości przeliczone na siłę - ciśnienie, moment obrotowy itp.). co jest odbierane przez elastyczny element połączony ze swetrem.

Zastosowanie przetwornic wibracyjno-częstotliwościowych jest możliwe przy pomiarach wielkości stałych lub wolno zmieniających się w czasie (częstotliwość nie większa niż 100...150 Hz). Wyróżniają się dużą dokładnością, a sygnał częstotliwościowy charakteryzuje się podwyższoną odpornością na zakłócenia.

Przetworniki optoelektryczne wykorzystują prawa propagacji i oddziaływania z materią fal elektromagnetycznych w zakresie optycznym.

Głównym elementem przetworników są odbiorniki promieniowania. Najprostsze z nich – konwertery termiczne – służą do zamiany całej padającej na nie energii promieniowania na temperaturę (przetwornik zintegrowany).

Jako odbiorniki promieniowania wykorzystuje się także różne przetworniki fotoelektryczne, które wykorzystują efekt fotoelektryczny. Przetworniki fotoelektryczne są selektywne, tj. mają wysoką czułość w stosunkowo wąskim zakresie długości fal. Przykładowo zewnętrzny efekt fotoelektryczny (emisja elektronów pod wpływem światła) wykorzystywany jest w fotokomórkach próżniowych i gazowych oraz fotopowielaczach.

Fotokomórka próżniowa to szklany cylinder, na którego wewnętrzną powierzchnię nałożona jest warstwa materiału światłoczułego, tworząca katodę. Anoda wykonana jest w postaci pierścienia lub siatki z drutu metalowego. Gdy katoda jest oświetlona, ​​powstaje prąd fotoemisyjny. Prądy wyjściowe tych elementów nie przekraczają kilku mikroamperów. W fotokomórkach wypełnionych gazem (do napełniania stosowane są gazy obojętne Ne, Ar, Kr, Xe) prąd wyjściowy wzrasta 5...7 razy w wyniku jonizacji gazu przez fotoelektrony.

W fotopowielaczach wzmocnienie pierwotnego fotoprądu następuje w wyniku wtórnej emisji elektronów - „wybijania” elektronów z wtórnych katod (emiterów) zainstalowanych pomiędzy katodą a anodą. Całkowite wzmocnienie w wielostopniowych fotopowielaczach może sięgać setek tysięcy, a prąd wyjściowy może sięgać 1 mA. Do pomiaru szybko zmieniających się wielkości można zastosować fotopowielacze i elementy próżniowe, ponieważ zjawisko fotoemisji jest praktycznie bezwładnościowe.

Pomiar ciśnienia

Aby zmierzyć ciśnienie całkowite lub statyczne, w przepływie umieszcza się specjalne odbiorniki z otworami odbiorczymi, które są połączone rurkami o małej średnicy (przewodami pneumatycznymi) z odpowiednimi przetwornikami pierwotnymi lub przyrządami pomiarowymi.

Najprostszym odbiornikiem ciśnienia całkowitego jest cylindryczna rurka z prostopadle ściętym końcem, wygięta pod kątem prostym i skierowana w stronę przepływu. Aby zmniejszyć czułość odbiornika na kierunek przepływu (na przykład podczas wykonywania pomiarów w przepływach z lekkim zawirowaniem), stosuje się specjalne konstrukcje odbiorników. Przykładowo odbiorniki ciśnienia całkowitego o przepływie (rys. 3.3) charakteryzują się błędem pomiaru nie większym niż 1% przy kątach skosu do 45° przy liczbie Macha<0,8.

Przy pomiarze ciśnień statycznych przy ściankach kanałów bezpośrednio w ścianach wykonuje się otwory odbiorcze o średnicy 0,5...1 mm (otwory drenażowe). W obszarze drenażu nie powinno być żadnych nierówności, a krawędzie otworów nie powinny mieć zadziorów. Tego typu pomiary są bardzo powszechne przy badaniu przepływów w rurach i kanałach komór spalania, dyfuzorów i dysz.

Ryż. 3.3. Schemat odbiornika pełnego ciśnienia:

Ryż. 3.4. Schemat odbiornika ciśnienia statycznego:

a - w kształcie klina;

b - dysk;

c - w kształcie litery L dla wymiarów przy M 1,5 GBP

Do pomiaru ciśnień statycznych w przepływie stosuje się odbiorniki klinowe i tarczowe oraz odbiorniki w postaci rurek w kształcie litery L (rys. 3.4) z otworami odbiorczymi umieszczonymi na powierzchni bocznej. Odbiorniki te działają dobrze przy prędkościach poddźwiękowych i niskich naddźwiękowych.

Do badania rozkładu ciśnień w przekrojach kanałów popularne stały się grzebienie ciśnienia całkowitego i statycznego zawierające kilka odbiorników lub grzebienie kombinowane posiadające odbiornik zarówno ciśnienia całkowitego, jak i statycznego. Przy wykonywaniu pomiarów w przepływach o złożonej strukturze przepływowej (komory spalania, kanały międzyłopatkowe maszyn turbinowych) stosuje się orientowane i nieorientowane odbiorniki ciśnienia, które umożliwiają określenie wartości ciśnień całkowitych i statycznych oraz kierunku przepływu wektor prędkości. Pierwsze z nich przeznaczone są do pomiarów w przepływach dwuwymiarowych, a ich konstrukcja pozwala poprzez obrót ustawić odbiornik w określonym położeniu względem lokalnego wektora prędkości przepływu.

Gniazda nieorientowane posiadają kilka otworów odbiorczych (5...7), które wykonane są w ściankach cylindra lub kuli o małej średnicy (3...10 mm) lub umieszczone są na końcach rurek wyciętych pod kątem określone kątowniki (średnica 0,5...2 mm ), połączone w jedną jednostkę konstrukcyjną (ryc. 3.5). Gdy przepływ przepływa wokół odbiornika, powstaje określony rozkład ciśnienia. Wykorzystując wartości ciśnienia zmierzone za pomocą otworów odbiorczych oraz wyniki wstępnej kalibracji odbiornika w tunelu aerodynamicznym, można określić wartości ciśnień całkowitego i statycznego oraz lokalny kierunek prędkości przepływu.

Przy prędkościach przepływu naddźwiękowych przed odbiornikami ciśnienia powstają fale uderzeniowe, co należy uwzględnić podczas przetwarzania wyników pomiarów. Przykładowo ze zmierzonych wartości ciśnienia statycznego p w przepływie oraz ciśnienia całkowitego p*” za bezpośrednią falą uderzeniową można wyznaczyć liczbę M korzystając ze wzoru Rayleigha, a następnie wartość całkowitego ciśnienia w przepływie przepływ:

Podczas badania silników i ich elementów wykorzystuje się różnorodne przyrządy do pomiaru ciśnienia (wskaźnik odkształcenia, ciecz, manometry rejestrujące grupowo), pozwalające operatorowi kontrolować tryby pracy obiektów doświadczalnych. Systemy informacyjno-pomiarowe wykorzystują różnorodne przetworniki pierwotne. Z reguły ciśnienie, a raczej różnica ciśnień (na przykład między zmierzonym a atmosferycznym, między pełnym a statycznym itp.) Działa na elastyczny element czujnikowy (membranę), którego odkształcenie przekształca się w sygnał elektryczny . Najczęściej wykorzystuje się do tego przetworniki indukcyjne i czułe na odkształcenia przy pomiarze ciśnień stałych i wolno zmieniających się oraz przetworniki piezokrystaliczne i indukcyjne przy pomiarze ciśnień zmiennych.

Ryż. 3.5. Schemat pięciokanałowego odbiornika ciśnieniowego:

С x, С y, С z - składowe wektora prędkości; p i - zmierzone wartości ciśnienia

Jako przykład na ryc. Rysunek 3.6 przedstawia schemat konwertera Sapphire-22DD. Przetworniki tego typu dostępne są w kilku modyfikacjach przeznaczonych do pomiaru ciśnienia względnego, różnicy ciśnień, podciśnienia, ciśnienia absolutnego, nadciśnienia oraz podciśnienia w różnych zakresach. Elementem czułym na sprężystość jest metalowa membrana 2, do której przylutowana jest na górze szafirowa membrana z tensometrami napylanymi krzemem. Zmierzona różnica ciśnień oddziałuje na blok składający się z dwóch membran 5. W przypadku przemieszczenia ich środka siła za pomocą pręta 4 przekazywana jest na dźwignię 3, co powoduje deformację membrany 2 za pomocą tensometrów. Sygnał elektryczny z tensometrów trafia do modułu elektronicznego 4, gdzie jest przetwarzany na ujednolicony sygnał - prąd stały 0...5 lub 0...20 mA. Przetwornica zasilana jest ze źródła 36 V DC.

Podczas pomiaru ciśnień zmiennych (na przykład pulsujących) zaleca się umieszczenie przetwornika pierwotnego jak najbliżej miejsca pomiaru, ponieważ obecność linii pneumatycznej powoduje istotne zmiany w odpowiedzi amplitudowo-częstotliwościowej układu pomiarowego. Najdoskonalszą w tym sensie jest metoda bezdrenowa, w której miniaturowe przetworniki ciśnienia montuje się równo z powierzchnią opływową (ściana kanału, łopatka sprężarki itp.). Znane przetworniki mają wysokość 1,6 mm i średnicę membrany 5 mm. Stosowane są także układy z odbiornikami ciśnienia i falowodami (l~100 mm) (metoda zdalnych odbiorników ciśnienia), w których w celu poprawy dynamiki

charakterystyki, stosuje się korekcyjne łącza akustyczne i elektryczne.

Przy dużej liczbie punktów pomiarowych w układach pomiarowych można zastosować specjalne, szybkie komutatory pneumatyczne, które zapewniają naprzemienne podłączenie kilkudziesięciu punktów pomiarowych do jednego przetwornika.

Aby zapewnić wysoką dokładność, konieczne jest okresowe monitorowanie przyrządów do pomiaru ciśnienia w warunkach pracy za pomocą automatycznych sterowników.

Pomiar temperatury

Do pomiaru temperatury wykorzystuje się różne przyrządy pomiarowe. Termometr termoelektryczny (termopara) składa się z dwóch przewodników wykonanych z różnych materiałów, połączonych (spawanych lub lutowanych) ze sobą na końcach (złączach). Jeżeli temperatury złączy są różne, wówczas w obwodzie będzie płynął prąd pod wpływem siły termoelektromotorycznej, której wartość zależy od materiału przewodników i temperatur złączy. Podczas pomiarów z reguły jedno ze złączy jest kontrolowane termostatycznie (w tym celu wykorzystuje się topniejący lód). Wtedy emf termopary będzie jednoznacznie powiązany z temperaturą „gorącego” złącza.

W obwodzie termoelektrycznym można uwzględnić różne przewodniki. W takim przypadku powstały EMF nie ulegnie zmianie, jeśli wszystkie złącza będą miały tę samą temperaturę. Właściwość ta stanowi podstawę do stosowania tzw. przedłużaczy (rys. 3.7), do których podłącza się termoelektrody o ograniczonej długości, a takie W ten sposób uzyskuje się oszczędności na drogich materiałach. W takim przypadku konieczne jest zapewnienie równości temperatur w punktach podłączenia przedłużaczy (Tc) i identyczności termoelektrycznej z ich główną termoparą w zakresie możliwych zmian temperatur Tc i T0 (zwykle nie więcej niż 0.. 0,200°C). W praktycznym zastosowaniu termopar mogą się zdarzyć przypadki, gdy temperatura T0 będzie różna od 0°C. Następnie, aby wziąć pod uwagę tę okoliczność, emf termopary należy wyznaczyć jako E=E meas +DE(T 0) i wykorzystać zależność kalibracyjną do znalezienia wartości temperatury. Tutaj Emeas jest zmierzoną wartością pola elektromagnetycznego; DE(T 0) – wartość SEM odpowiadająca wartości T 0 i wyznaczona z zależności kalibracyjnej. Zależności kalibracyjne dla termopar uzyskuje się przy temperaturze „zimnych” złączy T0 równej 0°C. Zależności te różnią się nieco od zależności liniowych. Jako przykład na ryc. Rysunek 3.8 przedstawia zależność kalibracji dla termopary platyna-rod-platyna.

Niektóre cechy najpopularniejszych termopar podano w tabeli. 3.1.

W praktyce najczęstszymi termoparami są te o średnicach elektrod 0,2...0,5 mm. Izolację elektryczną elektrod uzyskuje się poprzez owinięcie ich nitką azbestową lub krzemionkową, a następnie impregnację lakierem żaroodpornym, umieszczenie termoelektrod w rurkach ceramicznych lub naciągnięcie na nie kawałków tych rurek („koralików”). Powszechne stały się termopary kablowe, składające się z dwóch termoelektrod umieszczonych w cienkościennej obudowie wykonanej ze stali żaroodpornej. Aby zaizolować termoelektrody, wewnętrzna wnęka płaszcza jest wypełniona proszkiem MgO lub Al 2 O 3. Zewnętrzna średnica płaszcza wynosi 0,5...6 mm.

Tabela 3.1

Aby prawidłowo mierzyć temperaturę elementów konstrukcyjnych, termopary należy osadzać w taki sposób, aby złącze gorące i znajdujące się w ich pobliżu termoelektrody nie wystawały ponad powierzchnię oraz aby warunki odprowadzania ciepła z termometrowanej powierzchni nie zostały zaburzone przez zamontowanie termopary. termopara. Aby zmniejszyć błąd pomiaru na skutek odpływu (lub dopływu) ciepła ze złącza gorącego wzdłuż termoelektrod na skutek przewodności cieplnej, termoelektrody należy ułożyć w pewnej odległości od złącza (7...10 mm) w przybliżeniu wzdłuż izoterm . Schemat podłączenia termopary spełniającej określone wymagania pokazano na ryc. 3.9. Część posiada rowek o głębokości 0,7 mm, w który umieszcza się złącze i sąsiadujące z nim termoelektrody; złącze jest przyspawane do powierzchni za pomocą zgrzewania kontaktowego; rowek pokryty jest folią o grubości 0,2...0,3 mm.

Elektrody termiczne usuwane są z wewnętrznych wnęk silnika lub jego elementów poprzez złączki. Należy w tym przypadku zadbać o to, aby termoelektrody nie zakłócały zbytnio struktury przepływowej i aby ich izolacja nie uległa uszkodzeniu na skutek tarcia o siebie i o ostre krawędzie konstrukcji.

Przy pomiarze temperatur elementów wirujących odczyty termopar uzyskuje się za pomocą kolektorów szczotkowych lub rtęciowych. Rozwijane są także bezkontaktowe odbieraki prądu.

Schematy termopar stosowanych do pomiaru temperatury przepływu gazu pokazano na ryc. 3.10. Złącze gorące 1 jest kulą o średnicy d 0 (termoelektrody można również zgrzewać doczołowo); termoelektrody 2 w pobliżu złącza mocuje się w izolacyjnej dwukanałowej rurce ceramicznej 3, a następnie wyjmuje z obudowy 4. Na rysunku obudowa 4 pokazana jest jako chłodzona wodą (chłodzenie jest konieczne przy pomiarze temperatur przekraczających 1300...1500 K ), woda chłodząca jest doprowadzana i odprowadzana poprzez armaturę 5 .

Przy wysokich temperaturach gazu powstają błędy metodologiczne wynikające z usuwania ciepła ze złącza w wyniku przewodzenia ciepła przez termoelektrody do korpusu termopary i promieniowania do otoczenia. Straty ciepła spowodowane przewodnością cieplną można niemal całkowicie wyeliminować, zapewniając wysięg rury izolacyjnej równy 3...5 jej średnicy.

Aby zmniejszyć usuwanie ciepła przez promieniowanie, stosuje się ekranowanie termopar (ryc. 3.10, b, c). Chroni to również złącze przed uszkodzeniem, a spowolnienie przepływu wewnątrz ekranu pomaga zwiększyć współczynnik odzysku temperatury podczas pomiarów w przepływach o dużej prędkości.

Opracowano także metodę wyznaczania temperatury gazu na podstawie odczytów dwóch termopar wyposażonych w termoelektrody o różnych średnicach.

Ryż. 3.9. Schemat podłączenia termopary do pomiaru temperatury elementów komory spalania

Ryż. 3.10. Obwody termoparowe do pomiaru temperatury gazu:

a - termopara z otwartym złączem: b, c - termopary ekranowane; g - termopara dwuzłączowa; 1 - złącze: 2 - termoelektrody; 3 - rurka ceramiczna; 4 - ciało; 5 - armatura do zaopatrzenia w wodę i odprowadzania wody

średnica (ryc. 3.10, d), pozwalająca uwzględnić usuwanie ciepła przez promieniowanie.

Bezwładność termopar zależy od konstrukcji. Zatem stała czasowa waha się od 1...2 s dla termopar z otwartym złączem do 3...5 s dla termopar ekranowanych.

Podczas badania pól temperatur (na przykład za turbiną, komorą spalania itp.) stosuje się grzebienie termopar, a w niektórych przypadkach instaluje się je w obrotowych wieżyczkach, co pozwala wystarczająco szczegółowo określić rozkład temperatury w całym Przekrój.

Działanie termometru oporowego opiera się na zmianie rezystancji przewodnika wraz ze zmianą temperatury. Drut o średnicy 0,05...0,1 mm, wykonany z miedzi (t=-50...+150°C), niklu (t=-50...200°C) lub platyny (t=-200. ..500°С).

Drut jest owinięty wokół ramy i umieszczony w etui. Termometry oporowe są bardzo dokładne i niezawodne, ale charakteryzują się dużą bezwładnością i nie nadają się do pomiaru temperatur lokalnych. Termometry oporowe służą do pomiaru temperatury powietrza na wlocie silnika, temperatury paliw, olejów itp.

Termometry cieczowe wykorzystują właściwość rozszerzalności cieplnej cieczy. Jako ciecze robocze stosuje się rtęć (t=-30...+700°C), alkohol (t=-100...+75°C) itp. Termometry cieczowe służą do pomiaru temperatury cieczy i gazów mediów w warunkach laboratoryjnych, a także przy wzorcowaniu innych przyrządów.

Optyczne metody pomiaru temperatury opierają się na wzorcach promieniowania cieplnego podgrzewanych ciał. W praktyce można zastosować trzy typy pirometrów: pirometry jasnościowe, których działanie opiera się na zmianie promieniowania cieplnego ciała o temperaturze przy określonej ustalonej długości fali; pirometry kolorowe wykorzystujące zmiany rozkładu energii wraz z temperaturą w określonym fragmencie widma promieniowania; pirometry radiacyjne oparte na zależności temperaturowej całkowitej ilości energii wyemitowanej przez ciało.

Obecnie przy testowaniu silników do pomiaru temperatur elementów konstrukcyjnych wykorzystuje się pirometry jasnościowe oparte na fotoelektrycznych odbiornikach energii promieniowania. Przykładowo schemat montażu pirometru podczas pomiaru temperatury łopatek turbiny na pracującym silniku pokazano na ryc. 32.11. Przy zastosowaniu soczewki nr 2 „pole widzenia” przetwornika głównego jest ograniczone do małego obszaru (5...6 mm). Pirometr „kontroluje” krawędź i część grzbietu każdego ostrza. Szkło ochronne 1 wykonane z szafiru chroni obiektyw przed zanieczyszczeniem i przegrzaniem. Sygnał jest przesyłany światłowodem 3 do fotodetektora. Dzięki małej bezwładności pirometr pozwala kontrolować temperaturę każdego ostrza.

Do pomiaru temperatur elementów konstrukcyjnych silnika można zastosować wskaźniki temperatury barwowej (farby termiczne lub termolakiery) - złożone substancje, które po osiągnięciu określonej temperatury (temperatury przejścia) gwałtownie zmieniają kolor w wyniku chemicznego oddziaływania składników lub fazy zachodzących w nich przejść.

Ryż. 3.11. Schemat montażu pirometru na silniku:

(a) (1 – dopływ powietrza nadmuchowego; 2 – przetwornica pierwotna) i obwód przetwornika pierwotnego

(b) (1 - szyba ochronna; 2 - soczewka; 3 - światłowód)

Farby i lakiery termiczne nałożone na twardą powierzchnię po wyschnięciu twardnieją i tworzą cienką warstwę, która w temperaturze przejścia może zmieniać kolor. Na przykład biała farba termiczna TP-560 staje się bezbarwna po osiągnięciu t=560°C.

Za pomocą wskaźników termicznych można wykryć strefy przegrzania elementów silnika, także w trudno dostępnych miejscach. Złożoność pomiarów jest niewielka. Jednak ich zastosowanie jest ograniczone, ponieważ nie zawsze można ustalić, w jakim trybie została osiągnięta maksymalna temperatura. Dodatkowo kolor wskaźnika termicznego zależy od czasu ekspozycji na temperaturę. Dlatego wskaźniki termiczne z reguły nie mogą zastąpić innych metod pomiaru (na przykład za pomocą termopar), ale pozwalają uzyskać dodatkowe informacje o stanie cieplnym badanego obiektu.

Praca przetworników pomiarowych odbywa się w trudnych warunkach, gdyż obiekt pomiarowy jest z reguły złożonym, wieloaspektowym procesem charakteryzującym się wieloma parametrami, z których każdy oddziałuje na przetwornik pomiarowy wraz z innymi parametrami. Nas interesuje tylko jeden parametr, tzw mierzalna ilość, i wszystkie inne parametry procesu są brane pod uwagę ingerencja. Dlatego każdy przetwornik pomiarowy ma swój naturalna wielkość wejściowa, co najlepiej jest przez niego postrzegane na tle zakłóceń. W podobny sposób możemy rozróżnić naturalna wartość wyjściowa przetwornik pomiarowy.

Przetworniki wielkości nieelektrycznych na elektryczne, ze względu na rodzaj sygnału na wyjściu, można podzielić na generatorowe, wytwarzające ładunek, napięcie lub prąd (wielkość wyjściowa E = F (X) lub I = F (X) i rezystancja wewnętrzna ZBH = const) oraz parametryczne, w których rezystancja wyjściowa, indukcyjność lub pojemność zmieniają się wraz ze zmianą wartości wejściowej (EMF E = 0 i wartość wyjściowa w postaci zmiany R, L lub C jako funkcja X).

Różnica między generatorem a przetwornicami parametrycznymi wynika z ich równoważnych obwodów elektrycznych, które odzwierciedlają zasadnicze różnice w naturze zjawisk fizycznych stosowanych w przetwornicach. Przetwornica generatora jest źródłem bezpośrednio wyjściowego sygnału elektrycznego, a zmiany parametrów przetwornicy parametrycznej mierzone są pośrednio, poprzez zmiany prądu lub napięcia na skutek jego obowiązkowego włączenia do obwodu z zewnętrznym źródłem zasilania. Jego sygnał wytwarza obwód elektryczny podłączony bezpośrednio do przetwornika parametrycznego. Zatem źródłem sygnału elektrycznego jest połączenie przetwornika parametrycznego i obwodu elektrycznego.

W zależności od zjawiska fizycznego leżącego u podstaw pracy oraz rodzaju wejściowej wielkości fizycznej, generatory i przetworniki parametryczne dzielą się na kilka odmian (rysunek 2.3):

Generator - piezoelektryczny,

Termoelektryczne itp.;

Rezystancyjny - kontaktowy,

Reostatyczne itp.;

Elektromagnetyczne - na indukcyjne,

Transformator itp.

W zależności od rodzaju modulacji wszystkie IP są podzielone na dwie duże grupy: amplituda i częstotliwość, czas, faza. Trzy ostatnie odmiany mają ze sobą wiele wspólnego i dlatego zostały połączone w jedną grupę.

Ryż. 2.3. Klasyfikacja przetworników pomiarowych wielkości nieelektrycznych na elektryczne.

2. Ze względu na charakter transformacji wielkości wejściowe:

Liniowy;

Nieliniowy.

3. Zgodnie z zasadą działania pierwotnego przetwornika pomiarowego (PMT) dzieli się je na:

Generowanie;

Parametryczny.

Sygnałem wyjściowym generatora PIP jest siła emf, napięcie, prąd i ładunek elektryczny, funkcjonalnie powiązane z mierzoną wielkością, na przykład emf termopary.

W parametrycznych PIPach wielkość mierzona powoduje proporcjonalną zmianę parametrów obwodu elektrycznego: R, L, C.

Generatory obejmują:

Wprowadzenie;

Piezoelektryczny;

Niektóre rodzaje elektrochemiczne.

Zasilacze rezystancyjne - przeliczyć zmierzoną wartość na rezystancję.

Elektromagnetyczne IP – zamieniane na zmianę indukcyjności lub indukcję wzajemną.

Zasilacze pojemnościowe – przeliczone na zmianę pojemności.

Piezoelektryczny IP – przekształcają siłę dynamiczną w ładunek elektryczny.

Galwanomagnetyczne IP – bazując na efekcie Halla, przekształcają działające pole magnetyczne na pole elektromagnetyczne.

Termiczne IP - zmierzona temperatura jest przeliczana na wartość oporu cieplnego lub emf.

Optoelektroniczny adres IP – przetwarzają sygnały optyczne na elektryczne.

W przypadku czujników głównymi cechami są:

Zakres temperatury roboczej i błąd w tym zakresie;

Uogólnione rezystancje wejściowe i wyjściowe;

Pasmo przenoszenia.

W zastosowaniach przemysłowych błąd czujników stosowanych w procesach sterowania nie powinien przekraczać 1–2%. A dla zadań kontrolnych – 2 – 3%.

2.1.3. Obwody przyłączeniowe pierwotnych przetworników pomiarowych

Podstawowymi przetwornikami pomiarowymi są:

Parametryczny;

Generowanie.

Obwody przełączające parametrycznych pierwotnych przetworników pomiarowych dzielą się na:

Połączenie szeregowe:

Przełączanie różnicowe:

Z jednym głównym przetwornikiem pomiarowym;

Z dwoma głównymi przetwornikami pomiarowymi;

Obwody mostkowe:

Symetryczny mostek niezrównoważony z jednym ramieniem aktywnym;

Symetryczny mostek niezrównoważony z dwoma aktywnymi ramionami;

Symetryczny mostek niezrównoważony z czterema aktywnymi ramionami.

Obwody przełączające dla przetworników pomiarowych generatora dzielą się na:

Sekwencyjny;

Mechanizm różnicowy;

Wyrównawczy.

Generatory nie potrzebują źródła energii, ale parametryczne tak. Bardzo często generatory można przedstawić jako źródło pola elektromagnetycznego, a parametryczne jako rezystor aktywny lub reaktywny, którego rezystancja zmienia się wraz ze zmianami mierzonej wartości.

Przełączanie szeregowe i różnicowe można zastosować zarówno w zasilaczach parametrycznych, jak i generatorowych. Schemat rekompensat – dla generatorów. Nawierzchnia - do parametrycznej.

2.1.3.1. Schematy sekwencyjnego łączenia parametrycznych przetworników pomiarowych

Połączenie szeregowe jednego parametrycznego przetwornika pomiarowego (rys. 2.4):

Ryż. 2.4. Sekwencyjne podłączenie jednego zasilacza parametrycznego.

https://pandia.ru/text/80/219/images/image012_106.gif" szerokość="137" wysokość="45 src=">;

https://pandia.ru/text/80/219/images/image014_89.gif" szerokość="247" wysokość="65 src=">;

https://pandia.ru/text/80/219/images/image016_83.gif" szerokość="116 wysokość=41" wysokość="41"> - aktualna czułość;

- wrażliwość napięciowa;

Czułość mocy;

Ryż. 2.5. Charakterystyka wyjściowa zasilacza połączonego szeregowo:

a – prawdziwy; b – idealny.

Połączenie szeregowe dwóch parametrycznych przetworników pomiarowych (rys. 2.6).

Ryc.2.6. Sekwencyjne podłączenie dwóch zasilaczy parametrycznych.

https://pandia.ru/text/80/219/images/image022_71.gif" szerokość="88" wysokość="24 src=">;

Elektryczne przyrządy pomiarowe są szeroko stosowane do pomiaru wielkości nieelektrycznych. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych konwerterów (Converters).

Sygnały wyjściowe takich przetworników przesyłane są w postaci parametrów obwodu lub pola elektromagnetycznego (ładunku), powiązanego z zależnością funkcjonalną z sygnałem wejściowym. Pierwsze nazywane są parametrycznymi, drugie generatorowymi.

Spośród przetworników parametrycznych najczęściej stosowane są urządzenia reostatyczne, wrażliwe na odkształcenia, wrażliwe na temperaturę, elektrolityczne, jonizacyjne, indukcyjne i pojemnościowe.

Przetworniki reostatu Są to izolowana rama, na której nawinięty jest przewodnik i szczotka poruszająca się po zwojach. Ich parametrem wyjściowym jest rezystancja obwodu.

Mierzoną wielkością Pr może być ruch pędzla po linii prostej lub po okręgu. Po udoskonaleniu systemu wykrywania, Pr można wykorzystać do określenia ciśnienia lub masy, pod wpływem której suwak będzie się poruszał.

Do uzwojenia reostatu stosuje się materiały, których rezystancja jest w niewielkim stopniu zależna od czynników zewnętrznych (temperatura, ciśnienie, wilgotność itp.). Takimi materiałami mogą być nichrom, fechral, ​​konstantan lub mangan. Zmieniając kształt i przekrój rdzenia (odpowiednio zmienia się także długość jednego zwoju), można uzyskać nieliniową zależność rezystancji obwodu od ruchu suwaka.

Zaletą przetwornic reostatycznych jest prostota ich konstrukcji. Niemożliwe jest jednak dokładne określenie ruchu, jeśli rezystancja wyjściowa zmienia się w ciągu jednego obrotu. Jest to główna wada takich Prs i charakteryzuje ich błąd.

Przetworniki wrażliwe na odkształcenia (TCTr). Ich działanie opiera się na zmianie rezystancji czynnej przewodnika pod wpływem nacisku lub odkształcenia mechanicznego. Zjawisko to nazywane jest efektem odkształcenia.

Sygnałem wejściowym dla TCPR może być rozciąganie, ściskanie lub inny rodzaj odkształcenia części sprzętu, konstrukcji metalowych, sygnałem wyjściowym jest zmiana rezystancji przetwornika.

Druty wrażliwe na odkształcenia to cienkie podłoże wykonane z papieru lub folii, na które naklejony jest drut o bardzo małym przekroju. Jako element czujnikowy zwykle stosuje się drut Constantan, który ma rezystancję niezależną od temperatury i ma średnicę 0,02-0,05 mm. Stosowane są również foliowe TCPR i tensometry foliowe.

Przetwornik PM przykleja się do mierzonej części w taki sposób, aby oś rozszerzania liniowego części pokrywała się z osią wzdłużną PM. Gdy mierzony obiekt rozszerza się, zwiększa się długość TCP i odpowiednio zmienia się jego rezystancja.

Zaletą takich urządzeń jest liniowość, prostota konstrukcji i montażu. Wady obejmują niską czułość.

Konwertery termoczułe (TPr). Głównymi elementami takich urządzeń są termistory, diody termiczne, tranzystory termiczne itp. Termoelement włącza się w obwód elektryczny w taki sposób, że przepływa przez niego prąd w obwodzie i ma to wpływ na temperaturę mierzonego elementu.

Za ich pomocą można zmierzyć temperaturę, lepkość, przewodność cieplną, prędkość ruchu i inne parametry otoczenia, w którym znajduje się element.

Termistory platynowe stosuje się do pomiarów w zakresie temperatur -260°C do +1100°C, natomiast termistory miedziane stosuje się w zakresie temperatur -200°C do +200°C. W zakresie temperatur -80°C do +150°C, gdy wymagana jest szczególna dokładność, stosuje się diody termiczne i tranzystory termiczne.

W zależności od trybu pracy TRPr dzieli się na przegrzanie i bez podgrzewania wstępnego. Urządzenia bez podgrzewania służą wyłącznie do pomiaru temperatury medium, ponieważ przepływający w nich prąd nie ma wpływu na ich nagrzewanie. Temperaturę ośrodka określa się dość dokładnie na podstawie rezystancji elementu.

Tryb pracy innego typu przetworników termicznych związany jest z ich podgrzaniem do zadanej wartości. Następnie umieszcza się je w mierzonym środowisku i monitoruje zmianę jego rezystancji.

Na podstawie szybkości zmian rezystancji można ocenić, jak intensywnie następuje chłodzenie lub nagrzewanie, co oznacza, że ​​można określić prędkość ruchu mierzonej substancji, jej lepkość i inne parametry.

Półprzewodnikowe TPR są bardziej czułe niż termistory, dlatego znajdują zastosowanie w dziedzinie precyzyjnych pomiarów. Jednak ich istotną wadą jest wąski zakres temperatur i słaba powtarzalność charakterystyk statycznych urządzenia.

Konwertery elektrolityczne (ELC). Służą do określania stężenia roztworów, ponieważ przewodność elektryczna roztworów zależy w znacznym stopniu od stopnia stężenia w nich soli.

ELP to naczynie z dwiema elektrodami. Do elektrod przykładane jest napięcie, zamykając w ten sposób obwód elektryczny przez warstwę elektrolitu. Takie przetworniki stosuje się na prąd przemienny, ponieważ pod wpływem prądu stałego elektrolit dysocjuje na jony dodatnie i ujemne, co wprowadza błąd w pomiarach.

Kolejną wadą ELP jest zależność przewodności elektrolitu od temperatury, co wymusza utrzymywanie stałej temperatury za pomocą urządzeń chłodniczych lub grzewczych.

Przetwornice indukcyjne i pojemnościowe. Jak sama nazwa wskazuje, parametrami wyjściowymi takich urządzeń są indukcyjność i pojemność. Zmierzoną wartością prostych indukcyjnych PR może być przemieszczenie od 10 do 15 mm, w przypadku indukcyjnych PR transformatorów z układem otwartej pętli wartość tę można zwiększyć do 100 mm. Pojemnościowe Prs służą do pomiaru ruchów rzędu 1 mm.

Indukcyjne Prs to dwie cewki indukcyjne umieszczone na otwartym rdzeniu. Na indukcyjność wzajemną cewek wpływają takie parametry jak: długość szczeliny powietrznej przekroju otwartego, pole przekroju poprzecznego szczeliny powietrznej, przenikalność magnetyczna szczeliny powietrznej.

Zatem mierząc indukcyjność wzajemną cewek można określić, jak bardzo zmieniły się powyższe parametry. I mogą się zmieniać, gdy płyta dielektryczna porusza się w szczelinie powietrznej. Na tym opiera się zasada działania indukcyjnego pr.

Zasada działania pojemnościowych PR opiera się na zmianie pojemności kondensatora, gdy zmniejsza się powierzchnia czynna płytek, zmienia się odległość między płytami kondensatora i zmienia się stała dielektryczna przestrzeni między płytami.

Przetworniki pojemnościowe charakteryzują się większą wrażliwością na zmiany parametrów wejściowych. Capacitive Pr jest w stanie rejestrować zmiany pojemności nawet przy przesunięciu o tysięczne części milimetra.

Konwertery jonizacyjne. Zasada działania przyrządu opiera się na zjawisku jonizacji gazu i innych ośrodków pod wpływem promieniowania jonizującego, którym może być jonizujące promieniowanie α, β i γ substancji radioaktywnych lub promieniowanie rentgenowskie.

Jeżeli komora zawierająca gaz zostanie wystawiona na działanie promieniowania, przez elektrody przepłynie prąd elektryczny. Wielkość tego prądu będzie zależeć od składu gazu, wielkości elektrod, odległości między elektrodami i przyłożonego napięcia.

Mierząc prąd elektryczny w obwodzie, przy znanym składzie ośrodka, odległości między elektrodami i przyłożonym napięciu, można określić wielkość elektrod i odwrotnie, inne parametry. Służą do pomiaru wymiarów części, składu gazu itp.

Główną zaletą jonizacji Prs jest możliwość bezkontaktowego pomiaru w środowiskach agresywnych, pod podwyższonym ciśnieniem lub temperaturą. Wadą takiego pr jest konieczność biologicznej ochrony personelu przed narażeniem na promieniowanie.

Termometry oporowe. Termometry oporowe, podobnie jak termopary, przeznaczone są do pomiaru temperatury ciał gazowych, stałych i ciekłych, a także temperatury powierzchni. Zasada działania termometrów opiera się na wykorzystaniu właściwości metali i półprzewodników do zmiany ich rezystancji elektrycznej wraz z temperaturą. Dla przewodów wykonanych z czystych metali zależność ta w zakresie temperatur od –200°C do 0°C ma postać:

R t = R 0 ,

oraz w zakresie temperatur od 0°C do 630°C

R t = R 0 ,

Gdzie R t , R 0 - rezystancja przewodu w temperaturze T i 0°C; A, B, C - współczynniki; T- temperatura,°C.

W zakresie temperatur od 0°C do 180°C zależność rezystancji przewodu od temperatury opisuje przybliżony wzór

R t = R 0 ,

Gdzie α - współczynnik temperaturowy rezystancji materiału przewodnika (TCR).

Do przewodników z czystego metalu α≈ 6-10 -3 ...4-10 -3 stopnie -1 .

Pomiar temperatury termometrem rezystancyjnym sprowadza się do pomiaru jego rezystancji Rt, s późniejsze przejście do temperatury przy użyciu wzorów lub tabel kalibracyjnych.

Wyróżniamy termometry rezystancyjne drutowe i półprzewodnikowe. Termometr oporowy drutowy to cienki drut wykonany z czystego metalu, osadzony na ramce wykonanej z materiału odpornego na temperaturę (element czuły), umieszczonej w oprawce ochronnej (rys. 5.4).

Ryż. 5.4. Element pomiarowy termometru oporowego

Przewody elementu czułego podłącza się do głowicy termometru. Wybór drutów z czystych metali zamiast ze stopów do produkcji termometrów rezystancyjnych wynika z faktu, że TCR czystych metali jest większy niż TCR stopów, dlatego termometry na bazie czystych metali są bardziej czułe.

Przemysł produkuje termometry oporowe platynowe, niklowe i miedziane. Aby zapewnić wymienność i jednolitą kalibrację termometrów, ujednolicono ich wartości rezystancji R0 i TKS.

Półprzewodnikowe termometry oporowe (termistory) to koraliki, dyski lub pręty wykonane z materiału półprzewodnikowego z przewodami do podłączenia do obwodu pomiarowego.

Przemysł produkuje masowo wiele typów termistorów w różnych konstrukcjach.

Wymiary termistorów są zwykle małe – około kilku milimetrów, a niektóre typy to dziesiąte części milimetra. W celu ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływami środowiska termistory są chronione powłokami szklanymi lub emaliowanymi, a także metalowymi osłonami.

Termistory mają zwykle rezystancję od kilku do setek kiloomów; ich TCR w zakresie temperatur roboczych jest o rząd wielkości większy niż termometrów drutowych. Jako materiały na płyn roboczy termistorów stosuje się mieszaniny tlenków niklu, manganu, miedzi i kobaltu, które miesza się ze spoiwem, nadając im wymagany kształt i spiekając w wysokich temperaturach. Termistory służą do pomiaru temperatur w zakresie od -100 do 300°C. Bezwładność termistorów jest stosunkowo niewielka. Do ich wad można zaliczyć nieliniowość zależności temperaturowej rezystancji, brak wymienności ze względu na duży rozrzut rezystancji nominalnej i TCR, a także nieodwracalną zmianę rezystancji w czasie.

Do pomiarów w zakresie temperatur bliskich zera absolutnego stosuje się germanowe termometry półprzewodnikowe.

Oporność elektryczną termometrów mierzy się za pomocą mostków prądu stałego i przemiennego lub kompensatorów. Cechą pomiarów termometrycznych jest ograniczenie prądu pomiarowego, aby zapobiec nagrzewaniu się cieczy roboczej termometru. W przypadku termometrów rezystancyjnych drutowych zaleca się taki dobór prądu pomiarowego, aby moc wydzielana przez termometr nie przekraczała 20...50 mW. Dopuszczalne straty mocy w termistorach są znacznie mniejsze i zaleca się ustalenie ich doświadczalnie dla każdego termistora.

Przetworniki wrażliwe na odkształcenia (tensometry). W praktyce projektowej często konieczne są pomiary naprężeń mechanicznych i odkształceń elementów konstrukcyjnych. Najpopularniejszymi przetwornikami tych wielkości na sygnał elektryczny są tensometry. Działanie tensometrów opiera się na właściwości metali i półprzewodników polegającej na zmianie ich rezystancji elektrycznej pod wpływem przyłożonych do nich sił. Najprostszym tensometrem może być kawałek drutu sztywno połączony z powierzchnią odkształcalnej części. Rozciąganie lub ściskanie części powoduje proporcjonalne rozciąganie lub ściskanie drutu, w wyniku czego zmienia się jego rezystancja elektryczna. W granicach odkształceń sprężystych względna zmiana oporu drutu jest związana z jego względnym wydłużeniem przez stosunek

ΔR/R=K Τ Δl/l,

Gdzie l, R - początkowa długość i rezystancja drutu; Δl, ΔR - przyrost długości i oporu; KT - współczynnik wrażliwości na odkształcenia.

Wartość współczynnika tensometru zależy od właściwości materiału, z którego wykonany jest tensometr, a także od sposobu mocowania tensometru do produktu. Do drutów metalowych z różnych metali K. T= 1... 3,5.

Istnieją tensometry drutowe i półprzewodnikowe. Do produkcji tensometrów drutowych stosuje się materiały, które mają wystarczająco wysoki współczynnik wrażliwości na odkształcenia i niski współczynnik temperaturowy rezystancji. Najczęściej stosowanym materiałem do produkcji tensometrów drutowych jest drut konstantanowy o średnicy 20...30 mikronów.

Strukturalnie tensometry drutowe są siatką składającą się z kilku pętli drutu przyklejonych do cienkiego podłoża papierowego (lub innego) (ryc. 5.5). W zależności od materiału podłoża tensometry mogą pracować w temperaturach od -40 do +400°C.

Ryż. 5.5. Tensometr

Istnieją konstrukcje tensometrów mocowanych do powierzchni części za pomocą cementu, zdolnych do pracy w temperaturach do 800 ° C.

Główną cechą tensometrów jest rezystancja nominalna R, baza l i współczynnik odkształcenia KT. Przemysł produkuje szeroką gamę tensometrów o rozmiarach podstawy od 5 do 30 mm , rezystancje nominalne od 50 do 2000 omów, przy współczynniku wrażliwości na odkształcenia 2±0,2.

Dalszym rozwinięciem tensometrów drutowych są tensometry foliowe i foliowe, których czułym elementem jest siatka z pasków folii lub cienka folia metalowa nanoszona na podłoża lakierowe.

Tensometry wykonywane są na bazie materiałów półprzewodnikowych. Efekt odkształcenia najsilniej wyraża się w germanie, krzemie itp. Główną różnicą pomiędzy tensometrami półprzewodnikowymi a tensometrami drutowymi jest duża (do 50%) zmiana rezystancji podczas odkształcenia ze względu na dużą wartość współczynnika wrażliwości na odkształcenie.

Przetwornice indukcyjne. Przetworniki indukcyjne służą do pomiaru przemieszczeń, wymiarów, odchyłek kształtu i położenia powierzchni. Przekształtnik składa się ze stacjonarnej cewki indukcyjnej z rdzeniem magnetycznym i twornika, który jest również częścią rdzenia magnetycznego, poruszającego się względem cewki indukcyjnej. Aby uzyskać jak największą indukcyjność, obwód magnetyczny cewki i twornika wykonane są z materiałów ferromagnetycznych. Kiedy twornik się porusza (podłączony np. do sondy urządzenia pomiarowego), zmienia się indukcyjność cewki, a co za tym idzie, zmienia się prąd płynący w uzwojeniu. Na ryc. Rysunek 5.6 przedstawia schematy przekształtników indukcyjnych ze zmienną szczeliną powietrzną d (ryc. 5.6 A) służący do pomiaru przemieszczeń w zakresie 0,01...10 mm; ze zmienną powierzchnią szczeliny powietrznej S δ (ryc. 5.6 B), stosowane w zakresie 5...20 mm.

Ryż. 5.6. Indukcyjne przetworniki przemieszczenia

5.2. Wzmacniacze operacyjne

Wzmacniacz operacyjny (wzmacniacz operacyjny) to wzmacniacz różnicowy prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu. W przypadku wzmacniacza napięcia funkcję przenoszenia (wzmocnienie) podaje wzór

Aby uprościć obliczenia projektowe, zakłada się, że idealny wzmacniacz operacyjny ma następujące cechy.

1. Wzmocnienie, gdy pętla sprzężenia zwrotnego jest otwarta, jest nieskończone.

2. Rezystancja wejściowa Rd jest nieskończona.

3. Rezystancja wyjściowa R 0 = 0.

4. Szerokość pasma jest nieskończona.

5. V 0 = 0 przy V 1 = V 2 (brak napięcia przesunięcia zera).

Ostatnia cecha jest bardzo ważna. Ponieważ V 1 - V 2 = V 0 / A, to jeśli V 0 ma skończoną wartość, a współczynnik A jest nieskończenie duży (typowa wartość 100000) będziemy mieli

V 1 - V 2 = 0 i V 1 = V 2.

Ponieważ rezystancja wejściowa dla sygnału różnicowego wynosi (V 1 - V 2)

jest również bardzo duży, wówczas prąd płynący przez Rd można pominąć.Te dwa założenia znacznie upraszczają projektowanie obwodów wzmacniacza operacyjnego.

Zasada nr 1. Kiedy wzmacniacz operacyjny działa w obszarze liniowym, na jego dwa wejścia działają te same napięcia.

Zasada 2. Prądy wejściowe dla obu wejść wzmacniacza operacyjnego wynoszą zero.

Przyjrzyjmy się podstawowym blokom obwodów wzmacniacza operacyjnego. Większość tych obwodów wykorzystuje wzmacniacz operacyjny w konfiguracji zamkniętej pętli.

5.2.1. Wzmacniacz o wzmocnieniu jedności

(wtórnik napięcia)

Jeśli we wzmacniaczu nieodwracającym ustawimy R i na nieskończoność, a R f na zero, to otrzymamy obwód pokazany na ryc. 5.7.

Zgodnie z zasadą 1 na wejściu odwracającym wzmacniacza operacyjnego znajduje się również napięcie wejściowe Vi, które jest bezpośrednio przekazywane na wyjście obwodu. Dlatego V 0 = V i , a napięcie wyjściowe śledzi (powtarza) napięcie wejściowe. W przypadku wielu przetworników analogowo-cyfrowych impedancja wejściowa zależy od wartości analogowego sygnału wejściowego. Dzięki zastosowaniu wtórnika napięciowego zapewniona jest stała rezystancja wejściowa.

5.2.2. Dodatki

Wzmacniacz odwracający może sumować wiele napięć wejściowych. Każde wejście sumatora jest połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego poprzez rezystor ważący. Wejście odwracające nazywa się węzłem sumującym, ponieważ sumują się tutaj wszystkie prądy wejściowe i prąd sprzężenia zwrotnego. Podstawowy schemat obwodu wzmacniacza sumującego pokazano na ryc. 5.8.

Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego wzmacniacza odwracającego, napięcie na wejściu odwracającym musi wynosić zero, a zatem prąd płynący do wzmacniacza operacyjnego musi wynosić zero. Zatem,

ja fa = ja 1 + ja 2 + . . . + ja n

Ponieważ na wejściu odwracającym nie ma napięcia, to po odpowiednich podstawieniach otrzymujemy

V 0 = -R fa ( +... + ).

Rezystor R f określa całkowite wzmocnienie obwodu. Oporności R 1, R 2, . . . R n ustaw wartości współczynników ważących i rezystancji wejściowych odpowiednich kanałów.

5.2.3. Integratorzy

Integrator to obwód elektroniczny wytwarzający sygnał wyjściowy proporcjonalny do całki (w czasie) sygnału wejściowego.

Na ryc. Rysunek 5.9 przedstawia schemat ideowy prostego integratora analogowego.Jeden zacisk integratora jest podłączony do węzła sumującego, a drugi do wyjścia integratora. Dlatego napięcie na kondensatorze jest jednocześnie napięciem wyjściowym. Sygnału wyjściowego integratora nie można opisać prostą zależnością algebraiczną, ponieważ przy stałym napięciu wejściowym napięcie wyjściowe zmienia się z szybkością określoną przez parametry Vi, R i C. Zatem, aby znaleźć napięcie wyjściowe, należy trzeba znać czas trwania sygnału wejściowego. Napięcie na początkowo rozładowanym kondensatorze

gdzie i f – przez kondensator, a t i – czas całkowania. Na pozytyw

Vi mamy i i = V i /R. Ponieważ i f = i i , to biorąc pod uwagę inwersję sygnału otrzymujemy

Z tej zależności wynika, że ​​V 0 wyznacza się poprzez całkę (o przeciwnym znaku) napięcia wejściowego z zakresu od 0 do t 1, pomnożoną przez współczynnik skali 1/RC. Napięcie V ic jest napięciem na kondensatorze w chwili początkowej (t = 0).

5.2.4. Wyróżniki

Układ różniczkujący wytwarza sygnał wyjściowy proporcjonalny do szybkości zmian sygnału wejściowego w czasie. Na ryc. Rysunek 5.10 przedstawia schemat ideowy prostego układu różniczkującego.

Prąd przez kondensator.

Jeżeli pochodna jest dodatnia, prąd i i płynie w takim kierunku, że powstaje ujemne napięcie wyjściowe V 0.

Zatem,

Ten sposób różnicowania sygnału wydaje się prosty, jednak jego praktyczna realizacja stwarza problemy z zapewnieniem stabilności obwodu przy wysokich częstotliwościach. Nie każdy wzmacniacz operacyjny nadaje się do zastosowania w różniczku. Kryterium wyboru jest wydajność wzmacniacza operacyjnego: należy wybrać wzmacniacz operacyjny o dużej maksymalnej szybkości narastania napięcia wyjściowego i dużej wartości iloczynu wzmocnienia i szerokości pasma. W układach różniczkujących dobrze sprawdzają się szybkie wzmacniacze operacyjne oparte na tranzystorach polowych.

5.2.5. Komparatory

Komparator to obwód elektroniczny, który porównuje dwa napięcia wejściowe i wytwarza sygnał wyjściowy w zależności od stanu wejść. Podstawowy schemat obwodu komparatora pokazano na rys. 5.11.

Jak widać, tutaj wzmacniacz operacyjny działa w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Na jedno z jego wejść podawane jest napięcie odniesienia, a na drugie napięcie nieznane (porównane). Sygnał wyjściowy komparatora wskazuje, czy poziom nieznanego sygnału wejściowego jest wyższy czy niższy od poziomu napięcia odniesienia. W obwodzie na ryc. 5.11 napięcie odniesienia V r jest przykładane do wejścia nieodwracającego, a nieznany sygnał V i jest podawany na wejście odwracające.

Gdy V i > V r, na wyjściu komparatora ustawiane jest napięcie V 0 = - V r (ujemne napięcie nasycenia). W przeciwnym wypadku otrzymamy V 0 = + V r. Można zamienić wejścia – spowoduje to inwersję sygnału wyjściowego.

5.3. Przełączanie sygnałów pomiarowych

W technice informacyjno-pomiarowej przy realizacji analogowych przekształceń pomiarowych często konieczne jest wykonanie połączeń elektrycznych pomiędzy dwoma lub większą liczbą punktów obwodu pomiarowego, aby wywołać niezbędny proces przejściowy, rozproszyć energię zmagazynowaną przez element bierny (np. rozładować kondensator), podłączyć źródło zasilania obwodu pomiarowego, włączyć pamięć ogniwa analogowego, pobrać próbkę procesu ciągłego podczas próbkowania itp. Ponadto wiele przyrządów pomiarowych wykonuje przekształcenia pomiarowe sekwencyjnie po dużej liczbie przebiegów elektrycznych ilości rozproszone w przestrzeni. Do realizacji powyższego stosuje się komutatory pomiarowe i klucze pomiarowe.

Przełącznik pomiarowy to urządzenie, które przekształca oddzielone przestrzennie sygnały analogowe na sygnały oddzielone w czasie i odwrotnie.

Przełączniki pomiaru sygnału analogowego charakteryzują się następującymi parametrami:

zakres dynamiczny przełączanych wielkości;

błąd współczynnika transmisji;

prędkość (częstotliwość przełączania lub czas wymagany do wykonania jednej operacji przełączania);

liczba przełączanych sygnałów;

ograniczenie liczby przełączeń (dla przełączników z kontaktowymi kluczami pomiarowymi).

W zależności od rodzaju kluczy pomiarowych zastosowanych w komutatorze, tzw przełączniki kontaktowe i bezstykowe.

Przełącznik pomiarowy jest siecią dwuzaciskową z wyraźnie wyrażoną nieliniowością charakterystyki prądowo-napięciowej. Przejście klucza z jednego stanu (zamknięty) do drugiego (otwarty) odbywa się za pomocą elementu sterującego.

5.4. Konwersja analogowa na cyfrową

Konwersja analogowo-cyfrowa jest integralną częścią procedury pomiarowej. W przyrządach wskazujących operacja ta odpowiada odczytaniu wyniku numerycznego przez eksperymentatora. W przyrządach pomiarowych cyfrowych i procesorowych konwersja sygnału analogowo-cyfrowego odbywa się automatycznie, a wynik albo jest przesyłany bezpośrednio na wyświetlacz, albo wprowadzany do procesora w celu wykonania kolejnych konwersji pomiarów w postaci numerycznej.

Metody konwersji analogowo-cyfrowej w pomiarach zostały głęboko i szczegółowo opracowane i sprowadzają się do przedstawiania chwilowych wartości wpływu sygnału wejściowego w ustalonych momentach czasu za pomocą odpowiedniej kombinacji kodu (liczby). Fizyczną podstawą konwersji analogowo-cyfrowej jest bramkowanie i porównywanie ze stałymi poziomami odniesienia. Najszerzej stosowane przetworniki ADC to kodowanie bit po bicie, zliczanie sekwencyjne, równoważenie śledzenia i kilka innych. Zagadnienia metodologii przetwarzania sygnału analogowo-cyfrowego, które wiążą się z trendami rozwoju przetworników ADC i pomiarów cyfrowych w nadchodzących latach, obejmują w szczególności:

Eliminacja niejednoznaczności odczytu w najszybciej dopasowujących się przetwornikach ADC, które stają się coraz bardziej powszechne wraz z rozwojem zintegrowanej technologii;

Osiągnięcie odporności na błędy i poprawa właściwości metrologicznych przetworników ADC w oparciu o redundantny system liczb Fibonacciego;

Aplikacja do konwersji analogowo-cyfrowej metody badań statystycznych.

5.4.1 Przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowo-cyfrowe

Przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) i analogowo-cyfrowe (ADC) stanowią integralną część systemów automatycznego sterowania i regulacji. Ponadto, ponieważ zdecydowana większość mierzonych wielkości fizycznych ma charakter analogowy, a ich przetwarzanie, wskazanie i rejestracja z reguły odbywają się metodami cyfrowymi, przetworniki DAC i ADC znalazły szerokie zastosowanie w automatycznych przyrządach pomiarowych. Tym samym przetworniki DAC i ADC stanowią część cyfrowych przyrządów pomiarowych (woltomierze, oscyloskopy, analizatory widma, korelatory itp.), programowalnych zasilaczy, wyświetlaczy kineskopowych, ploterów, systemów radarowych instalacji elementów monitorujących i mikroukładów oraz są ważnymi komponentami różne konwertery i generatory, komputerowe urządzenia wejścia/wyjścia informacji. Otwierają się szerokie perspektywy wykorzystania przetworników DAC i ADC w telemetrii i telewizji. Seryjna produkcja małych i stosunkowo tanich przetworników DAC i ADC stworzy szansę na jeszcze szersze zastosowanie dyskretnych metod ciągłej konwersji w nauce i technologii.

Istnieją trzy rodzaje konstrukcji i projektowania technologicznego przetworników DAC i ADC: modułowe, hybrydowe i zintegrowane. Jednocześnie udział produkcji układów scalonych (IC) DAC i ADC w całkowitym wolumenie ich produkcji stale rośnie, czemu w dużym stopniu sprzyja powszechne zastosowanie mikroprocesorów i metod cyfrowego przetwarzania danych. Przetwornik cyfrowo-analogowy to urządzenie wytwarzające wyjściowy sygnał analogowy (napięcie lub prąd) proporcjonalny do wejściowego sygnału cyfrowego. W tym przypadku wartość sygnału wyjściowego zależy od wartości napięcia odniesienia U op, które określa pełną skalę sygnału wyjściowego. Jeśli użyjesz dowolnego sygnału analogowego jako napięcia odniesienia, wówczas sygnał wyjściowy przetwornika DAC będzie proporcjonalny do iloczynu sygnału wejściowego cyfrowego i analog W przetworniku ADC kod cyfrowy na wyjściu jest określony przez stosunek przetworzonego wejściowego sygnału analogowego do sygnału odniesienia odpowiadającego pełnej skali. Zależność ta jest również prawdziwa, jeśli sygnał odniesienia zmienia się zgodnie z jakimś prawem. Przetwornik ADC można traktować jako miernik proporcji lub dzielnik napięcia z wyjściem cyfrowym.

5.4.2. Zasada działania, podstawowe elementy i schematy blokowe przetwornika ADC

Obecnie opracowano wiele typów przetworników ADC, aby spełnić różne wymagania. W niektórych przypadkach dominującym wymaganiem jest wysoka dokładność, w innych – szybkość konwersji.

Zgodnie z zasadą działania wszystkie istniejące typy przetworników ADC można podzielić na dwie grupy: przetworniki ADC z porównaniem przetworzonego sygnału wejściowego z dyskretnymi poziomami napięcia oraz przetworniki ADC typu całkującego.

Przetwornik ADC, który porównuje sygnał wejściowy konwertowany na dyskretne poziomy napięcia, wykorzystuje proces konwersji, który zasadniczo generuje poziomy napięcia odpowiadające odpowiednim kodom cyfrowym i porównuje te poziomy napięcia z napięciem wejściowym w celu określenia cyfrowego odpowiednika sygnału wejściowego. W takim przypadku poziomy napięcia mogą być tworzone jednocześnie, sekwencyjnie lub w sposób łączony.

Liczenie seryjne ADC ze schodkowym napięciem piłokształtnym jest jednym z najprostszych konwerterów (ryc. 5.12).

Sygnał „Start” ustawia licznik do stanu zerowego, po czym w miarę pojawiania się na jego wejściu impulsów zegara z częstotliwością f t Napięcie wyjściowe przetwornika DAC rośnie liniowo w krokach.

Gdy napięcie U out osiągnie wartość U in, układ porównawczy przestaje zliczać impulsy w liczniku, a kod z wyjść tego ostatniego zostaje wpisany do rejestru pamięci. Głębia bitowa i rozdzielczość takich przetworników ADC zależy od głębi bitowej i rozdzielczości zastosowanego w nich przetwornika DAC. Czas konwersji zależy od poziomu konwertowanego napięcia wejściowego. Dla napięcia wejściowego odpowiadającego wartości pełnej skali, MF musi zostać wypełniony i jednocześnie musi wygenerować kod pełnej skali na wejściu DAC. Wymaga to czasu konwersji wynoszącego (2 n - 1) razy okres zegara dla n-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego. W przypadku szybkiej konwersji analogowo-cyfrowej użycie takich przetworników ADC jest niepraktyczne.

W śledzenie ADC(Rys. 5.13) licznik sumujący zastępuje się licznikiem rewersyjnym RSch w celu śledzenia zmieniającego się napięcia wejściowego. Sygnał wyjściowy CV określa kierunek zliczania w zależności od tego, czy napięcie wejściowe przetwornika ADC przekracza napięcie wyjściowe przetwornika DAC, czy nie.

Przed rozpoczęciem pomiarów częstotliwość RF ustawiana jest na stan odpowiadający środkowi skali (01...1). Pierwszy cykl konwersji śledzącego ADC jest podobny do cyklu konwersji w szeregowym ADC zliczającym. W przyszłości cykle konwersji zostaną znacznie zmniejszone, ponieważ ten przetwornik ADC będzie w stanie śledzić małe odchylenia sygnału wejściowego w ciągu kilku okresów zegara, zwiększając lub zmniejszając liczbę impulsów rejestrowanych w jednostce sterującej częstotliwością RF, w zależności od znaku niedopasowania między aktualna wartość przeliczonego napięcia Uin i napięcie wyjściowe przetwornika DAC.

Kolejne przybliżenie ADC (równoważenie bitowe) znalazły najszersze zastosowanie ze względu na dość prostą implementację, zapewniając jednocześnie wysoką rozdzielczość, dokładność i szybkość, mają nieco niższą wydajność, ale znacznie wyższą rozdzielczość w porównaniu z przetwornikami ADC, które realizują metodę konwersji równoległej.

Aby zwiększyć wydajność, jako urządzenie sterujące zastosowano dystrybutor impulsów i kolejny rejestr aproksymacyjny. Napięcie wejściowe porównywane jest z napięciem odniesienia (napięciem sprzężenia zwrotnego DAC) zaczynając od wartości odpowiadającej najbardziej znaczącemu bitowi wygenerowanego kodu binarnego.

Podczas uruchamiania ADC za pomocą RI, RPP jest ustawiany do stanu początkowego:

1000. . .0. W tym przypadku na wyjściu przetwornika DAC generowane jest napięcie odpowiadające połowie zakresu konwersji, co zapewnia się poprzez włączenie jego najbardziej znaczącego bitu. Jeżeli sygnał wejściowy jest mniejszy niż sygnał z przetwornika DAC, w następnym cyklu zegara na wejściach cyfrowych przetwornika DAC za pomocą RPP generowany jest kod 0100. . 0, co odpowiada włączeniu drugiej najbardziej znaczącej cyfry. W rezultacie sygnał wyjściowy DAC jest zmniejszony o połowę.

Jeżeli sygnał wejściowy przewyższa sygnał z przetwornika DAC, w następnym cyklu zegara zapewnione jest utworzenie kodu 0110 ... 0 na wejściach cyfrowych przetwornika DAC i włączenie dodatkowego trzeciego bitu. W takim przypadku napięcie wyjściowe przetwornika DAC, które wzrosło półtorakrotnie, jest ponownie porównywane z napięciem wejściowym itp. Opisaną procedurę powtarza się N razy (gdzie N- liczba bitów ADC).

W rezultacie na wyjściu przetwornika DAC zostanie wygenerowane napięcie różniące się od wejścia nie więcej niż o jedną jednostkę najmniej znaczącej cyfry przetwornika DAC. Wynik przekształcenia pobierany jest z wyjścia RPP.

Zaletą tego schematu jest możliwość budowy wielobitowych (do 12 bitów i więcej) stosunkowo szybkich konwerterów (o czasie konwersji rzędu kilkuset nanosekund).

W ADC odczyt bezpośredni (typ równoległy)(Rys. 5.15) sygnał wejściowy jest jednocześnie podawany na wejścia wszystkich przekładników napięciowych, liczba M która jest określona przez pojemność bitową ADC i jest równa m = 2 n - 1, gdzie n jest liczbą bitów ADC. W każdym CV sygnał jest porównywany z napięciem odniesienia odpowiadającym masie określonego wyładowania i usuwany z węzłów dzielnika rezystorowego zasilanego z napięcia odniesienia.

Sygnały wyjściowe CV są przetwarzane przez dekoder logiczny, który generuje kod równoległy, będący cyfrowym odpowiednikiem napięcia wejściowego. Takie przetworniki ADC mają najwyższą wydajność. Wadą takich przetworników ADC jest to, że wraz ze wzrostem głębi bitowej liczba wymaganych elementów praktycznie się podwaja, co utrudnia budowę wielobitowych przetworników ADC tego typu. Dokładność konwersji jest ograniczona dokładnością i stabilnością przetwornika napięcia i dzielnika rezystorowego. Aby zwiększyć głębię bitową przy dużej prędkości, zaimplementowano dwustopniowe przetworniki ADC, w których bity kodu wyjściowego niższego rzędu są usuwane z wyjść drugiego stopnia DS, a najbardziej znaczące bity są usuwane z wyjść DS pierwszego etapu.

ADC z modulacją szerokości impulsu (integracja jednocyklowa)

Przetwornik ADC charakteryzuje się tym, że poziom wejściowego sygnału analogowego Uin jest przetwarzany na impuls, którego czas trwania t impulsu jest funkcją wartości sygnału wejściowego i przetwarzany jest na postać cyfrową poprzez zliczenie liczby okresów częstotliwości odniesienia mieszczącej się pomiędzy początkiem i końcem impulsu. Napięcie wyjściowe integratora pod wpływem podłączenia

zastosowany do jego wejścia U op zmienia się od poziomu zerowego wraz z prędkością

W chwili, gdy napięcie wyjściowe integratora zrówna się z napięciem wejściowym Uin, następuje wyzwolenie CV, w wyniku czego kończy się tworzenie czasu trwania impulsu, podczas którego zliczana jest liczba okresów częstotliwości odniesienia w Liczniki ADC. Czas trwania impulsu jest określony przez czas, w którym napięcie U out zmienia się od poziomu zerowego do U w:

Zaletą tego konwertera jest jego prostota, a wadami stosunkowo mała prędkość i mała dokładność.

1. Jakie jest urządzenie, zasada działania i zastosowanie:

a) przetworniki fotoelektryczne;

Przetworniki fotoelektryczne to takie, w których sygnał wyjściowy zmienia się w zależności od strumienia świetlnego padającego na przetwornik. Przetworniki fotoelektryczne lub jak będziemy je w przyszłości nazywać fotokomórki dzielimy na trzy typy:

1) fotokomórki z fotoefektem zewnętrznym

Są to sferyczne cylindry szklane wypełnione próżnią lub gazem, na których wewnętrzną powierzchnię naniesiona jest warstwa materiału światłoczułego, tworząca katodę. Anoda wykonana jest w postaci pierścienia lub siatki z drutu niklowego. W stanie zaciemnionym przez fotokomórkę przepływa ciemny prąd w wyniku emisji termoelektrycznej i wycieku pomiędzy elektrodami. Oświetlona fotokatoda pod wpływem fotonów świetlnych imituje elektrony. Jeśli między anodę i katodę zostanie przyłożone napięcie, elektrony te tworzą prąd elektryczny. Kiedy zmienia się oświetlenie fotokomórki podłączonej do obwodu elektrycznego, odpowiednio zmienia się fotoprąd w tym obwodzie.

2) fotokomórki z fotoefektem wewnętrznym

Są to jednorodne płytki półprzewodnikowe ze stykami wykonanymi np. z selenku kadmu, który zmienia swoją rezystancję pod wpływem strumienia świetlnego. Wewnętrzny efekt fotoelektryczny polega na pojawieniu się wolnych elektronów wybijanych przez kwanty światła z orbit elektronowych atomów, które pozostają wolne wewnątrz substancji. Pojawienie się wolnych elektronów w materiale, takim jak półprzewodnik, jest równoznaczne ze spadkiem oporu elektrycznego. Fotorezystory charakteryzują się dużą czułością i liniową charakterystyką prądowo-napięciową (charakterystyka woltoamperowa), tj. ich rezystancja nie zależy od przyłożonego napięcia.

3) konwertery fotowoltaiczne.

Przetworniki te są aktywnymi półprzewodnikami światłoczułymi, które pochłaniając światło w wyniku efektów fotoelektrycznych w warstwie barierowej, wytwarzają wolne elektrony i pole elektromagnetyczne.

Fotodioda (PD) może pracować w dwóch trybach – fotodiody i generatora (zaworu). Fototranzystor to półprzewodnikowy odbiornik energii promieniowania z dwoma lub większą liczbą złączy typu P, w którym połączono fotodiodę i wzmacniacz fotoprądowy.

Fototranzystory, podobnie jak fotodiody, służą do przekształcania sygnałów świetlnych na sygnały elektryczne.

b) przetworniki pojemnościowe;

Przetwornik pojemnościowy to kondensator, którego pojemność zmienia się pod wpływem mierzonej wielkości nieelektrycznej. Kondensator płaski jest szeroko stosowany jako przetwornica pojemnościowa, której pojemność można wyrazić wzorem C = e0eS/5, gdzie e0 jest stałą dielektryczną powietrza (e0 = 8,85 10"12F/m; e jest względną dielektryką stała ośrodka między okładkami kondensatora; S- powierzchnia okładzin; 5-odległość między okładzinami)

Ponieważ zmierzoną wielkość nieelektryczną można funkcjonalnie powiązać z dowolnym z tych parametrów, konstrukcja przetworników pojemnościowych może się bardzo różnić w zależności od zastosowania. Do pomiaru poziomu ciał ciekłych i ziarnistych stosuje się kondensatory cylindryczne lub płaskie; do pomiaru małych przemieszczeń, szybko zmieniających się sił i ciśnień - różnicowe przetworniki pojemnościowe ze zmiennym odstępem między płytkami. Rozważmy zasadę stosowania przetworników pojemnościowych do pomiaru różnych wielkości nieelektrycznych.

c) konwertery termiczne;

Konwerter termiczny jest przewodnikiem lub półprzewodnikiem, przez który płynie prąd o wysokim współczynniku temperaturowym, wymieniającym ciepło z otoczeniem. Istnieje kilka sposobów wymiany ciepła: konwekcja; przewodność cieplna środowiska; przewodność cieplna samego przewodnika; promieniowanie.

Intensywność wymiany ciepła pomiędzy przewodnikiem a otoczeniem zależy od następujących czynników: prędkości ośrodka gazowego lub ciekłego; właściwości fizyczne ośrodka (gęstość, przewodność cieplna, lepkość); temperatura otoczenia; wymiary geometryczne przewodnika. Może to być zależność temperatury przewodnika, a tym samym jego rezystancji, od wymienionych czynników

służy do pomiaru różnych wielkości nieelektrycznych charakteryzujących ośrodek gazowy lub ciekły: temperatury, prędkości, stężenia, gęstości (próżni).

d) konwertery jonizacyjne;

Przetworniki jonizacyjne to przetworniki, w których mierzona wielkość nieelektryczna jest funkcjonalnie powiązana z prądem przewodności elektronicznej i jonowej ośrodka gazowego. Przepływ elektronów i jonów uzyskuje się w konwerterach jonizacyjnych albo przez jonizację ośrodka gazowego pod wpływem tego lub innego środka jonizującego, albo przez emisję termojonową, albo przez bombardowanie elektronami cząsteczek ośrodka gazowego itp.

Elementami obowiązkowymi każdego konwertera jonizacji są źródło i odbiornik promieniowania.

e) przetworniki reostatyczne;

Konwerter reostatu to reostat, którego silnik porusza się pod wpływem mierzonej wielkości nieelektrycznej. Drut jest nawinięty w jednakowym skoku na ramę wykonaną z materiału izolacyjnego. Izolacja drutu na górnej krawędzi ramy jest czyszczona, a szczotka przesuwa się po metalu. Dodatkowa szczotka przesuwa się po pierścieniu ślizgowym. Obie szczotki są odizolowane od wałka napędowego. Przetworniki reostatyczne wykonywane są zarówno z drutem nawiniętym na ramę, jak i typu reochord. Jako materiały na druty stosuje się nichrom, mangan, konstantan itp. W krytycznych przypadkach, gdy wymagania dotyczące odporności powierzchni stykowych na zużycie są bardzo wysokie lub gdy naciski kontaktowe są bardzo niskie, stosuje się stopy platyny z irydem, palladem itp. . Drut reostatu musi być pokryty emalią lub warstwą tlenków, aby odizolować od siebie sąsiednie zwoje. Silniki wykonane są z dwóch lub trzech drutów (platyna z irydem) o nacisku stykowym 0,003...0,005 N lub typu płytkowego (srebro, brąz fosforowy) o sile nacisku 0,05...0,1 N. Powierzchnia styku nawinięty drut jest polerowany; Szerokość powierzchni styku jest równa dwóm do trzech średnic drutu. Rama przetwornika reostatycznego wykonana jest z tekstolitu, tworzywa sztucznego lub aluminium pokrytego lakierem izolacyjnym lub folią tlenkową. Kształty ramek są różnorodne. Reaktancja przetworników reostatycznych jest bardzo mała i zwykle można ją pominąć przy częstotliwościach w zakresie audio.

Przetworniki reostatyczne można stosować do pomiaru przyspieszeń drgań i przemieszczeń drgań w ograniczonym zakresie częstotliwości.

f) przetworniki tensometryczne;

Przetwornik tensometryczny (tensometr) to przewodnik, który zmienia swoją rezystancję pod wpływem odkształcenia rozciągającego lub ściskającego. Długość przewodu I i pole przekroju poprzecznego S zmieniają się wraz z jego odkształceniem. Te odkształcenia sieci krystalicznej prowadzą do zmiany rezystancji przewodnika p, a w konsekwencji do zmiany rezystancji całkowitej

Zastosowanie: do pomiaru odkształceń i naprężeń mechanicznych, a także innych statycznych i dynamicznych wielkości mechanicznych, które są proporcjonalne do odkształcenia pomocniczego elementu sprężystego (sprężyny), takich jak droga, przyspieszenie, siła, zginanie lub moment obrotowy, ciśnienie gazu lub cieczy, itp. Na podstawie tych zmierzonych wielkości można wyznaczyć wielkości pochodne, np. masę (ciężar), stopień napełnienia zbiorników itp. Tensometry papierowe, papierowe i foliowe służą do pomiaru odkształceń względnych w zakresie od 0,005...0,02 do 1,5...2%. Tensometry z luźnym drutem umożliwiają pomiar odkształceń do 6...10%. Tensometry są praktycznie bezwładnościowe i stosowane są w zakresie częstotliwości 0...100 kHz.

g) przetwornice indukcyjne;

Indukcyjne przetworniki pomiarowe służą do przetwarzania położenia (przemieszczenia) na sygnał elektryczny. Są to najbardziej kompaktowe, odporne na zakłócenia, niezawodne i ekonomiczne przetworniki pomiarowe do rozwiązywania problemów automatyzacji pomiarów wymiarów liniowych w inżynierii mechanicznej i przyrządowej.

Przetwornik indukcyjny składa się z obudowy, w której na prowadnicach tocznych umieszczony jest wrzeciono, na którego przednim końcu znajduje się końcówka pomiarowa, a na tylnym - twornik. Prowadnica jest chroniona przed wpływami zewnętrznymi gumowym mankietem. Twornik połączony z wrzecionem znajduje się wewnątrz cewki zamocowanej w korpusie. Z kolei uzwojenia cewki połączone są elektrycznie z kablem zamocowanym w obudowie i zabezpieczonym przed załamaniami sprężyną stożkową. Na wolnym końcu kabla znajduje się złącze służące do podłączenia konwertera do urządzenia dodatkowego. Korpus i wrzeciono wykonane są z hartowanej stali nierdzewnej. Adapter łączący twornik z wrzecionem wykonany jest ze stopu tytanu. Sprężyna wytwarzająca siłę pomiarową jest wyśrodkowana, co eliminuje tarcie podczas ruchu wrzeciona. Taka konstrukcja przetwornika gwarantuje, że błąd losowy i zmienność odczytu zostaną zredukowane do wartości mniejszej niż 0,1 mikrona.

Przetworniki indukcyjne są szeroko stosowane głównie do pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych.

h) przetworniki magnetoelastyczne;

Przetworniki magnetoelastyczne są rodzajem przetworników elektromagnetycznych. Opierają się one na zjawisku zmian przenikalności magnetycznej μ ciał ferromagnetycznych w zależności od występujących w nich naprężeń mechanicznych σ, związanych z działaniem sił mechanicznych P (rozciągających, ściskających, zginających, skręcających) na ciała ferromagnetyczne. Zmiana przenikalności magnetycznej rdzenia ferromagnetycznego powoduje zmianę oporu magnetycznego rdzenia RM. Zmiana RM prowadzi do zmiany indukcyjności cewki L umieszczonej na rdzeniu. Zatem w przetworniku magnetoelastycznym mamy następujący łańcuch transformacji:

Р -> σ -> μ -> Rм -> L.

Przetwornice magnetoelastyczne mogą mieć dwa uzwojenia (typ transformatorowy). Pod wpływem siły spowodowanej zmianą przenikalności magnetycznej zmienia się wzajemna indukcyjność M między uzwojeniami a indukowanym emf uzwojenia wtórnego E. Obwód konwersji w tym przypadku ma postać

P -> σ -> μ -> Rm -> M -> E.

Efekt zmiany właściwości magnetycznych materiałów ferromagnetycznych pod wpływem odkształceń mechanicznych nazywany jest efektem magnetoelastycznym.

Przetworniki magnetoelastyczne stosowane są:

Do pomiaru wysokich ciśnień (powyżej 10 N/mm2 lub 100 kg/cm2), ponieważ bezpośrednio wykrywają ciśnienie i nie wymagają dodatkowych przetworników;

Aby zmierzyć siłę. W tym przypadku granicę pomiaru urządzenia wyznacza powierzchnia przetwornika magnetoelastycznego. Przetworniki te odkształcają się pod wpływem siły w bardzo niewielkim stopniu. Tak kiedy l= 50 mm, △ l < 10 мкм они имеют высо­кую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не дол­жны превышать 40 Н/мм2 .

i) elektrolityczne konwertery rezystancji;

Konwertery elektrolityczne są rodzajem konwerterów elektrochemicznych. W ogólnym przypadku przetwornik elektrochemiczny to ogniwo elektrolityczne wypełnione roztworem, w którym umieszczone są elektrody, które służą do podłączenia przetwornika do obwodu pomiarowego. Jako element obwodu elektrycznego ogniwo elektrolityczne można scharakteryzować na podstawie wytwarzanego przez nie emf, spadku napięcia na skutek przepływającego prądu, rezystancji, pojemności i indukcyjności. Wyodrębniając zależność tych parametrów elektrycznych od mierzonej wielkości nieelektrycznej, a także tłumiąc wpływ innych czynników, można tworzyć przetworniki umożliwiające pomiar składu i stężenia mediów ciekłych i gazowych, ciśnienia, przemieszczenia, prędkości, przyspieszenie i inne wielkości. Parametry elektryczne ogniwa zależą od składu roztworu i elektrod, przemian chemicznych zachodzących w ogniwie, temperatury, prędkości ruchu roztworu itp. Zależności parametrów elektrycznych przetworników elektrochemicznych od wielkości nieelektrycznych określa wzór prawa elektrochemii.

Zasada działania konwerterów elektrolitycznych opiera się na zależności rezystancji ogniwa elektrolitycznego od składu i stężenia elektrolitu oraz od wymiarów geometrycznych ogniwa. Rezystancja kolumny cieczy konwertera elektrolitycznego:

R = ρh/S = k/૪

gdzie ૪= 1/ρ - przewodność właściwa elektrolitu; k jest stałą przetwornika zależną od stosunku jego wymiarów geometrycznych, zwykle wyznaczaną eksperymentalnie.