Transdutores de medição paramétrica. Conversores funcionais: medição, paramétrico, gerador

Os principais elementos dos instrumentos de medição mais utilizados são os transdutores de medição primários, cujo objetivo é converter a grandeza física medida (quantidade de entrada) em um sinal de informação de medição (quantidade de saída), geralmente elétrico, conveniente para processamento posterior.

Os conversores primários são divididos em paramétricos e geradores. Nos conversores paramétricos, o valor de saída representa uma mudança em qualquer parâmetro do circuito elétrico (resistência, indutância, capacitância, etc.); nos conversores geradores, o valor de saída é a fem, corrente elétrica ou carga decorrente da energia do medido valor.

Existe uma grande classe de transdutores de medição cujas grandezas de entrada são pressão, força ou torque. Via de regra, nesses transdutores, a grandeza de entrada atua sobre um elemento elástico e provoca sua deformação, que é então convertida em um sinal percebido pelos observadores (dispositivos indicadores mecânicos) ou em um sinal elétrico.

Em grande medida, as propriedades inerciais do conversor são determinadas pela frequência natural do elemento elástico: quanto mais alta, menos inercial é o conversor. O valor máximo destas frequências quando se utilizam ligas estruturais é de 50...100 kHz. Materiais cristalinos (quartzo, safira, silício) são usados ​​para fabricar elementos elásticos de transdutores particularmente precisos.

Conversores resistivos são conversores paramétricos, cujo valor de saída é uma alteração na resistência elétrica, que pode ser causada pela influência de grandezas de diversas naturezas físicas - mecânicas, térmicas, luminosas, magnéticas, etc.

Um conversor potenciométrico é um reostato cujo motor se move sob a influência do valor medido (valor de entrada). A quantidade de saída é a resistência.

Os transdutores potenciométricos são utilizados para medir a posição de elementos de controle (lineares e angulares), em medidores de nível, em sensores (por exemplo, pressão) para medir a deformação de um elemento sensor elástico. A vantagem dos conversores potenciométricos é um grande sinal de saída, estabilidade das características metrológicas, alta precisão e erro insignificante de temperatura. A principal desvantagem é a estreita faixa de frequência (várias dezenas de hertz).

A operação dos extensômetros é baseada nas mudanças na resistência de condutores e semicondutores durante sua deformação mecânica (efeito de deformação). Um extensômetro de fio (ou folha) é um fio fino dobrado em forma de ziguezague com um diâmetro de 0,02...0,05 mm ou uma fita metálica com espessura de 4...12 mícrons (grade), que é colada a um substrato de material isolante elétrico. Condutores de cobre de saída são conectados às extremidades da rede. Os transdutores, ao serem colados à peça, percebem a deformação de sua camada superficial.

Na medição de deformações e tensões em peças e estruturas, via de regra, não há possibilidade de calibração dos canais de medição e o erro de medição é de 2...10%. No caso de utilização de extensômetros em transdutores de medição primários, o erro pode ser reduzido para 0,5...1% por calibração. A principal desvantagem dos extensômetros deste tipo é o pequeno sinal de saída.

Para medir pequenas deformações de elementos elásticos sensíveis de transdutores de medição, são utilizados extensômetros semicondutores cultivados diretamente em um elemento elástico feito de silício ou safira.

Ao medir deformações dinâmicas com frequência de até 5 kHz, devem ser utilizados extensômetros de fio ou folha com base não superior a 10 mm, e a deformação máxima para eles não deve exceder 0,1% (0,02% para semicondutores).

A ação dos transdutores piezoelétricos baseia-se no aparecimento de cargas elétricas quando o cristal é deformado (efeito piezoelétrico direto).

Os transdutores piezoelétricos oferecem a capacidade de medir quantidades rapidamente variáveis ​​(a frequência natural dos transdutores chega a 200 kHz), são altamente confiáveis ​​e possuem dimensões e peso gerais pequenos. A principal desvantagem é a dificuldade em medir quantidades que mudam lentamente e em realizar calibração estática devido ao vazamento elétrico da superfície do cristal.

Um conversor eletrostático pode ser representado esquematicamente como dois eletrodos (placas) de área F, paralelos localizados a uma distância d em um meio com constante dielétrica e.

Normalmente, esses conversores são projetados de tal forma que seu valor de saída é uma mudança na capacitância (neste caso são chamados de capacitivos), e os valores de entrada podem ser movimentos mecânicos que alteram o gap d ou área F, ou um mudança na constante dielétrica do meio e devido a mudanças em sua temperatura, composição química, etc.

Além da capacitância, o EMF é usado como valor de saída de conversores eletrostáticos. gerado pelo movimento mútuo de eletrodos localizados em um campo elétrico (modo gerador). Por exemplo, microfones condensadores operam em modo gerador, convertendo a energia das vibrações acústicas em energia elétrica.

A vantagem dos conversores eletrostáticos é a ausência de ruído e o autoaquecimento. No entanto, para proteger contra interferências, as linhas de ligação e os próprios conversores devem ser cuidadosamente blindados.

Para conversores indutivos, o valor de saída é uma mudança na indutância, e os valores de entrada podem ser movimentos de partes individuais do conversor, levando a uma mudança na resistência do circuito magnético, na indutância mútua entre os circuitos, etc.

As vantagens dos conversores são: linearidade das características, baixa dependência do sinal de saída de influências externas, choques e vibrações; alta sensibilidade. Desvantagens - pequeno sinal de saída e necessidade de tensão de alimentação de alta frequência.

O princípio de operação dos conversores de frequência de vibração baseia-se na alteração da frequência natural de uma corda ou ponte fina quando sua tensão muda.

A grandeza de entrada do conversor é a força mecânica (ou grandezas convertidas em força - pressão, torque, etc.). que é percebido por um elemento elástico conectado ao jumper.

O uso de conversores de frequência de vibração é possível ao medir quantidades constantes ou que mudam lentamente ao longo do tempo (frequência não superior a 100...150 Hz). Eles se distinguem pela alta precisão e o sinal de frequência é caracterizado por maior imunidade a ruídos.

Os conversores optoelétricos usam as leis de propagação e interação com a matéria das ondas eletromagnéticas na faixa óptica.

O principal elemento dos conversores são os receptores de radiação. Os mais simples deles - conversores térmicos - são projetados para converter toda a energia da radiação incidente sobre eles em temperatura (conversor integrado).

Vários conversores fotoelétricos, que utilizam o efeito fotoelétrico, também são utilizados como receptores de radiação. Os conversores fotoelétricos são seletivos, ou seja, eles têm alta sensibilidade em uma faixa de comprimento de onda relativamente estreita. Por exemplo, o efeito fotoelétrico externo (a emissão de elétrons sob a influência da luz) é usado em fotocélulas e fotomultiplicadores a vácuo e a gás.

Uma fotocélula a vácuo é um cilindro de vidro, em cuja superfície interna é aplicada uma camada de material fotossensível, formando um cátodo. O ânodo é feito em forma de anel ou malha de fio metálico. Quando o cátodo é iluminado, surge uma corrente de fotoemissão. As correntes de saída desses elementos não excedem vários microamperes. Em fotocélulas cheias de gás (gases inertes Ne, Ar, Kr, Xe são usados ​​​​para enchimento), a corrente de saída aumenta 5...7 vezes devido à ionização do gás pelos fotoelétrons.

Nos fotomultiplicadores, a amplificação da fotocorrente primária ocorre como resultado da emissão de elétrons secundários - “eliminando” elétrons dos cátodos secundários (emissores) instalados entre o cátodo e o ânodo. O ganho total em tubos fotomultiplicadores de vários estágios pode chegar a centenas de milhares e a corrente de saída pode chegar a 1 mA. Fotomultiplicadores e elementos de vácuo podem ser usados ​​na medição de quantidades que mudam rapidamente, uma vez que o fenômeno da fotoemissão é praticamente inercial.

Medição de pressão

Para medir a pressão total ou estática, são colocados no fluxo receptores especiais com orifícios receptores, que são conectados através de tubos de pequeno diâmetro (linhas pneumáticas) aos correspondentes transdutores primários ou instrumentos de medição.

O receptor de pressão total mais simples é um tubo cilíndrico com extremidade cortada perpendicularmente, dobrado em ângulo reto e orientado em direção ao fluxo. Para reduzir a sensibilidade do receptor à direção do fluxo (por exemplo, ao fazer medições em fluxos com leve turbulência), são usados ​​​​projetos especiais de receptor. Por exemplo, receptores de pressão total com fluxo (Fig. 3.3) são caracterizados por um erro de medição de não mais que 1% em ângulos de bisel de até 45° no número Mach<0,8.

Ao medir pressões estáticas próximas às paredes dos canais, são feitos furos de recepção com diâmetro de 0,5...1 mm diretamente nas paredes (furos de drenagem). Não deve haver irregularidades na área de drenagem e as bordas dos furos não devem apresentar rebarbas. Este tipo de medição é muito comum no estudo de vazões em tubulações e canais em câmaras de combustão, difusores e bicos injetores.

Arroz. 3.3. Diagrama completo do receptor de pressão:

Arroz. 3.4. Diagrama do receptor de pressão estática:

a - em forma de cunha;

b - disco;

c - Em forma de L para medidas em M £ 1,5

Para medir as pressões estáticas em um fluxo, são utilizados receptores em forma de cunha e de disco, bem como receptores em forma de tubos em forma de L (Fig. 3.4) com orifícios de recepção localizados na superfície lateral. Esses receptores funcionam bem em velocidades subsônicas e supersônicas baixas.

Para estudar a distribuição de pressões nas seções transversais dos canais, tornaram-se difundidos pentes de pressão total e estática contendo vários receptores, ou pentes combinados com um receptor para pressões totais e estáticas. Ao realizar medições em vazões com estrutura de vazão complexa (câmaras de combustão, canais interpás de turbomáquinas), são utilizados receptores de pressão orientáveis ​​​​e não orientáveis, que permitem determinar os valores das pressões totais e estáticas e a direção do vetor velocidade. Os primeiros deles são projetados para medições em fluxos bidimensionais, e seu design permite, por meio de rotação, instalar o receptor em uma determinada posição em relação ao vetor de velocidade do fluxo local.

Os receptores não orientáveis ​​são dotados de vários furos de recepção (5...7), que são feitos nas paredes de um cilindro ou esfera de pequeno diâmetro (3...10 mm) ou localizados nas extremidades de tubos cortados em certos ângulos (diâmetro 0,5...2 mm ), combinados em uma única unidade estrutural (Fig. 3.5). À medida que o fluxo flui ao redor do receptor, uma certa distribuição de pressão é formada. Utilizando os valores de pressão medidos nos orifícios de recepção e os resultados da calibração preliminar do receptor no túnel de vento, podem ser determinados os valores das pressões total e estática e a direção local da velocidade do fluxo.

Em velocidades de fluxo supersônicas, ondas de choque ocorrem na frente dos receptores de pressão e isso deve ser levado em consideração ao processar os resultados das medições. Por exemplo, a partir dos valores medidos da pressão estática p no fluxo e da pressão total p*" atrás da onda de choque direta, o número M pode ser determinado usando a fórmula de Rayleigh e, em seguida, o valor da pressão total em o fluxo:

Ao testar motores e seus elementos, diversos instrumentos são utilizados para medir a pressão (ponteiros de deformação, líquido, medidores de pressão de registro em grupo), permitindo ao operador controlar os modos de operação dos objetos experimentais. Os sistemas de medição de informações usam uma variedade de conversores primários. Via de regra, a pressão, ou melhor, a diferença de pressão (por exemplo, entre medida e atmosférica, entre plena e estática, etc.), atua sobre um elemento sensor elástico (membrana), cuja deformação é convertida em um sinal elétrico . Na maioria das vezes, transdutores indutivos e sensíveis à deformação são usados ​​para isso ao medir pressões constantes e que mudam lentamente, e transdutores piezocristalinos e indutivos ao medir pressões variáveis.

Arroz. 3.5. Diagrama de um receptor de pressão de cinco canais:

С x, С y, С z - componentes do vetor velocidade; pi - valores de pressão medidos

Como exemplo na Fig. A Figura 3.6 mostra o diagrama do conversor Sapphire-22DD. Transdutores deste tipo estão disponíveis em diversas modificações projetadas para medir pressão manométrica, pressão diferencial, vácuo, pressão absoluta, pressão manométrica e vácuo em várias faixas. O elemento elástico sensível é uma membrana metálica 2, à qual é soldada no topo uma membrana de safira com extensômetros de silício pulverizados. A diferença de pressão medida atua sobre um bloco composto por dois diafragmas 5. Quando seu centro é deslocado, a força por meio da haste 4 é transmitida à alavanca 3, o que leva à deformação da membrana 2 com extensômetros. O sinal elétrico dos extensômetros entra na unidade eletrônica 4, onde é convertido em um sinal unificado - corrente contínua 0...5 ou 0...20 mA. O conversor é alimentado por uma fonte de 36 V CC.

Ao medir pressões variáveis ​​(por exemplo, pulsantes), é aconselhável aproximar o transdutor primário o mais próximo possível do local de medição, pois a presença de uma linha pneumática introduz alterações significativas na resposta amplitude-frequência do sistema de medição. O que há de mais moderno nesse sentido é o método sem drenagem, no qual transdutores de pressão em miniatura são montados nivelados com a superfície que flui ao redor (parede do canal, lâmina do compressor, etc.). Os conversores conhecidos têm uma altura de 1,6 mm e um diâmetro de membrana de 5 mm. Também são utilizados sistemas com receptores de pressão e guias de ondas (l~100 mm) (método de receptores de pressão remotos), nos quais, para melhorar a dinâmica

características, são utilizadas ligações acústicas e elétricas corretivas.

Com um grande número de pontos de medição em sistemas de medição, podem ser usados ​​comutadores pneumáticos especiais de alta velocidade, que fornecem conexão alternativa de várias dezenas de pontos de medição a um conversor.

Para garantir alta precisão, é necessário monitorar periodicamente os instrumentos de medição de pressão nas condições de operação por meio de controladores automáticos.

Medição de temperatura

Uma variedade de instrumentos de medição são usados ​​para medir temperaturas. Um termômetro termoelétrico (termopar) consiste em dois condutores feitos de materiais diferentes, conectados (soldados ou soldados) entre si nas extremidades (junções). Se as temperaturas das junções forem diferentes, então uma corrente fluirá no circuito sob a influência da força termoeletromotriz, cujo valor depende do material dos condutores e das temperaturas das junções. Durante as medições, via de regra, uma das junções é controlada termostaticamente (o derretimento do gelo é utilizado para esse fim). Então a fem do termopar estará exclusivamente relacionada à temperatura da junção “quente”.

Condutores diferentes podem ser incluídos em um circuito termoelétrico. Neste caso, o EMF resultante não mudará se todas as juntas estiverem à mesma temperatura. Esta propriedade é a base para a utilização dos chamados fios de extensão (Fig. 3.7), que são conectados a termoeletrodos de comprimento limitado, e tais Desta forma, consegue-se poupança em materiais caros. Neste caso, é necessário garantir a igualdade de temperaturas nos pontos de ligação dos fios de extensão (Tc) e a identidade termoelétrica ao seu termopar principal na faixa de possíveis variações de temperaturas Tc e T0 (geralmente não mais que 0.. 0,200°C). Na utilização prática de termopares, pode haver casos em que a temperatura T0 seja diferente de 0°C. Então, para levar em conta esta circunstância, a fem do termopar deve ser determinado como E=E meas +DE(T 0) e usar a dependência de calibração para encontrar o valor da temperatura. Aqui Emeas é o valor medido do EMF; DE(T 0) – Valor EMF correspondente ao valor de T 0 e determinado a partir da dependência de calibração. As dependências de calibração para termopares são obtidas na temperatura das junções “frias” T0 igual a 0°C. Essas dependências são um pouco diferentes das lineares. Como exemplo na Fig. A Figura 3.8 mostra a dependência de calibração para um termopar platina-ródio-platina.

Algumas características dos termopares mais comuns são apresentadas na tabela. 3.1.

Na prática, os termopares mais comuns são aqueles com diâmetros de eletrodo de 0,2 a 0,5 mm. O isolamento elétrico dos eletrodos é obtido envolvendo-os com fio de amianto ou sílica, seguido de impregnação com verniz resistente ao calor, colocando termoeletrodos em tubos cerâmicos ou amarrando pedaços desses tubos (“contas”) sobre eles. Os termopares do tipo cabo tornaram-se difundidos, consistindo em dois termoeletrodos colocados em um invólucro de parede fina feito de aço resistente ao calor. Para isolar os termoeletrodos, a cavidade interna do invólucro é preenchida com pó de MgO ou Al 2 O 3. O diâmetro externo da casca é de 0,5...6 mm.

Tabela 3.1

Para medir corretamente a temperatura dos elementos estruturais, os termopares devem ser incorporados de tal forma que a junção quente e os termoeletrodos próximos a ela não se projetem acima da superfície e que as condições de transferência de calor da superfície termetizada não sejam perturbadas devido à instalação de o termopar. Para reduzir o erro de medição devido à saída (ou entrada) de calor da junção quente ao longo dos termoeletrodos devido à condutividade térmica, os termoeletrodos a uma certa distância perto da junção (7...10 mm) devem ser colocados aproximadamente ao longo das isotermas. . O diagrama de fiação para um termopar que atenda aos requisitos especificados é mostrado na Fig. 3.9. A peça possui uma ranhura de 0,7 mm de profundidade onde são colocados a junção e os termoeletrodos adjacentes; a junção é soldada à superfície por soldagem de contato; a ranhura é coberta com uma folha de 0,2...0,3 mm de espessura.

Os eletrodos térmicos são retirados das cavidades internas do motor ou de seus componentes por meio de conexões. Neste caso, é necessário garantir que os termoeletrodos não perturbem muito a estrutura de fluxo e que o seu isolamento não seja danificado devido ao atrito entre si e contra as arestas vivas da estrutura.

Ao medir temperaturas de elementos rotativos, as leituras de termopares são obtidas usando escovas ou coletores de corrente de mercúrio. Coletores de corrente sem contato também estão sendo desenvolvidos.

Diagramas de termopares usados ​​para medir a temperatura do fluxo de gás são mostrados na Fig. 3.10. A junção quente 1 é uma esfera com diâmetro d 0 (os termoeletrodos também podem ser soldados de topo); os termoeletrodos 2 próximos à junção são fixados em um tubo cerâmico isolante de dois canais 3 e depois removidos do invólucro 4. Na figura, o invólucro 4 é mostrado como resfriado a água (o resfriamento é necessário ao medir temperaturas superiores a 1300...1500 K ), a água de resfriamento é fornecida e drenada através das conexões 5 .

Em altas temperaturas dos gases, surgem erros metodológicos devido à remoção de calor da junção devido à condutividade térmica através dos termoeletrodos para o corpo do termopar e à radiação para o ambiente. As perdas de calor devido à condutividade térmica podem ser quase completamente eliminadas garantindo que a saliência do tubo isolante seja igual a 3...5 dos seus diâmetros.

Para reduzir a remoção de calor por radiação, é utilizada blindagem de termopares (Fig. 3.10, b, c). Isto também protege a junção contra danos, e a desaceleração do fluxo dentro da tela ajuda a aumentar o coeficiente de recuperação de temperatura ao medir fluxos de alta velocidade.

Também foi desenvolvido um método para determinar a temperatura do gás a partir das leituras de dois termopares com termoeletrodos de diferentes

Arroz. 3.9. Diagrama de conexão do termopar para medição da temperatura dos elementos da câmara de combustão

Arroz. 3.10. Circuitos de termopar para medição de temperatura de gás:

a - termopar com junção aberta: b, c - termopares blindados; g - termopar de dupla junção; 1 - junção: 2 – termoeletrodos; 3 - tubo cerâmico; 4 - corpo; 5 - acessórios para abastecimento e drenagem de água

diâmetro (Fig. 3.10, d), permitindo levar em consideração a remoção de calor por radiação.

A inércia dos termopares depende do projeto. Assim, a constante de tempo varia de 1...2 s para termopares com junção aberta, a 3...5 s para termopares blindados.

No estudo dos campos de temperatura (por exemplo, atrás de uma turbina, câmara de combustão, etc.), são utilizados pentes de termopares e, em alguns casos, instalados em torres rotativas, o que permite determinar com detalhes suficientes a distribuição de temperatura ao longo de todo o corte transversal.

A ação de um termômetro de resistência é baseada na mudança na resistência do condutor conforme a temperatura muda. Fio com diâmetro de 0,05...0,1 mm, feito de cobre (t=-50...+150°C), níquel (t=-50...200°C) ou platina (t=-200. ..500°С).

O fio é enrolado na moldura e colocado em uma caixa. Os termômetros de resistência são altamente precisos e confiáveis, mas são caracterizados por alta inércia e não são adequados para medir temperaturas locais. Termômetros de resistência são usados ​​para medir a temperatura do ar na entrada do motor, a temperatura dos combustíveis, óleos, etc.

Os termômetros líquidos usam a propriedade de expansão térmica do líquido. Mercúrio (t=-30...+700°C), álcool (t=-100...+75°C), etc. são usados ​​como fluidos de trabalho. Termômetros líquidos são usados ​​para medir a temperatura de líquidos e gases. mídia em condições de laboratório. , bem como ao calibrar outros instrumentos.

Os métodos ópticos para medir a temperatura baseiam-se nos padrões de radiação térmica de corpos aquecidos. Na prática, três tipos de pirômetros podem ser implementados: pirômetros de brilho, cujo funcionamento se baseia na mudança da radiação térmica de um corpo com temperatura em um determinado comprimento de onda fixo; pirômetros coloridos que utilizam mudanças na distribuição de energia com a temperatura dentro de uma determinada porção do espectro de radiação; pirômetros de radiação baseados na dependência da temperatura da quantidade total de energia emitida por um corpo.

Atualmente, em testes de motores, pirômetros de brilho baseados em receptores fotoelétricos de energia radiante têm sido utilizados para medir as temperaturas de elementos estruturais. Como exemplo, um diagrama para instalar um pirômetro ao medir a temperatura das pás da turbina em um motor em funcionamento é mostrado na Fig. 32.11. Usando a lente 2, o “campo de visão” do transdutor primário é limitado a uma área pequena (5...6 mm). O pirômetro “inspeciona” a borda e parte da parte traseira de cada lâmina. O vidro protetor 1, feito de safira, protege a lente contra contaminação e superaquecimento. O sinal é transmitido através do guia de luz 3 para o fotodetector. Devido à sua baixa inércia, o pirômetro permite controlar a temperatura de cada lâmina.

Para medir as temperaturas dos elementos estruturais do motor, podem ser utilizados indicadores de temperatura de cor (tintas térmicas ou termovernizes) - substâncias complexas que, ao atingirem uma determinada temperatura (temperatura de transição), mudam bruscamente de cor devido à interação química dos componentes ou fase transições que ocorrem neles.

Arroz. 3.11. Diagrama de instalação do pirômetro no motor:

(a) (1 - fornecimento de ar soprado; 2 - conversor primário) e circuito do conversor primário

(b) (1 - vidro protetor; 2 - lente; 3 - guia de luz)

Tintas térmicas e vernizes térmicos, quando aplicados sobre superfície dura, endurecem após a secagem e formam uma película fina que pode mudar de cor na temperatura de transição. Por exemplo, a tinta térmica branca TP-560 torna-se incolor quando t=560 °C é atingido.

Usando indicadores térmicos, você pode detectar zonas de superaquecimento em elementos do motor, inclusive em locais de difícil acesso. A complexidade das medições é baixa. Porém, seu uso é limitado, pois nem sempre é possível estabelecer em qual modo a temperatura máxima foi atingida. Além disso, a cor do indicador térmico depende do tempo de exposição à temperatura. Portanto, os indicadores térmicos, via de regra, não podem substituir outros métodos de medição (por exemplo, utilizando termopares), mas permitem obter informações adicionais sobre o estado térmico do objeto em estudo.

A operação dos transdutores de medição ocorre em condições difíceis, pois o objeto de medição é, via de regra, um processo complexo e multifacetado, caracterizado por diversos parâmetros, cada um dos quais atua no transdutor de medição em conjunto com outros parâmetros. Estamos interessados ​​apenas em um parâmetro, chamado quantidade mensurável, e todos os outros parâmetros do processo são considerados interferência. Portanto, cada transdutor de medição tem seu quantidade de entrada natural, que é melhor percebido por ele no contexto da interferência. De maneira semelhante podemos distinguir valor de saída natural transdutor de medição.

Os conversores de grandezas não elétricas em elétricas, do ponto de vista do tipo de sinal em sua saída, podem ser divididos em geradores que produzem carga, tensão ou corrente (grandeza de saída E = F (X) ou I = F (X) e resistência interna ZBH = const), e paramétrico com resistência de saída, indutância ou capacitância mudando de acordo com uma mudança no valor de entrada (EMF E = 0 e o valor de saída na forma de uma mudança em R, L ou C em função de X).

A diferença entre gerador e conversores paramétricos se deve aos seus circuitos elétricos equivalentes, que refletem diferenças fundamentais na natureza dos fenômenos físicos utilizados nos conversores. O conversor gerador é uma fonte de sinal elétrico de saída direta, e as alterações nos parâmetros do conversor paramétrico são medidas indiretamente, por alterações na corrente ou tensão como resultado de sua inclusão obrigatória em um circuito com fonte de alimentação externa. Um circuito elétrico conectado diretamente ao transdutor paramétrico gera seu sinal. Assim, a combinação do conversor paramétrico e do circuito elétrico é a fonte do sinal elétrico.

De acordo com o fenômeno físico subjacente ao trabalho e o tipo de quantidade física de entrada, os geradores e os conversores paramétricos são divididos em diversas variedades (Figura 2.3):

Gerador - piezoelétrico,

Termoelétrica, etc.;

Resistivo - para entrar em contato,

Reostático, etc.;

Eletromagnético - para indutivo,

Transformador, etc

De acordo com o tipo de modulação, todos os IPs são divididos em dois grandes grupos: amplitude e frequência, tempo, fase. As últimas três variedades têm muito em comum e, portanto, estão combinadas em um grupo.

Arroz. 2.3. Classificação dos conversores de medição de grandezas não elétricas em elétricas.

2. Pela natureza da transformação, quantidades de entrada:

Linear;

Não linear.

3. De acordo com o princípio de funcionamento do transdutor de medição primário (PMT), eles são divididos em:

Gerando;

Paramétrico.

O sinal de saída dos PIPs do gerador é a fem, a tensão, a corrente e a carga elétrica, funcionalmente relacionadas à grandeza medida, por exemplo, a fem de um termopar.

Nos PIPs paramétricos, a grandeza medida provoca uma alteração proporcional nos parâmetros do circuito elétrico: R, L, C.

Os geradores incluem:

Indução;

Piezoelétrico;

Alguns tipos de eletroquímicos.

Fonte de alimentação resistiva - converter o valor medido em resistência.

IP eletromagnético – convertido em uma mudança na indutância ou indução mútua.

Fontes de alimentação capacitivas – convertido em uma mudança na capacitância.

IP piezoelétrico – converter força dinâmica em carga elétrica.

IP galvanomagnético – com base no efeito Hall, eles convertem o campo magnético operacional em EMF.

IP térmico - a temperatura medida é convertida no valor da resistência térmica ou fem.

IP optoeletrônico – converter sinais ópticos em elétricos.

Para sensores, as principais características são:

Faixa de temperatura operacional e erro dentro desta faixa;

Resistências generalizadas de entrada e saída;

Resposta de frequência.

Em aplicações industriais, o erro dos sensores utilizados nos processos de controle não deve ser superior a 1–2%. E para tarefas de controle – 2 – 3%.

2.1.3. Circuitos de conexão para transdutores de medição primários

Os transdutores de medição primários são:

Paramétrico;

Gerando.

Os circuitos de comutação para transdutores de medição primários paramétricos são divididos em:

Conexão serial:

Comutação diferencial:

Com um transdutor de medição primário;

Com dois transdutores de medição primários;

Circuitos de ponte:

Ponte simétrica desequilibrada com um braço ativo;

Ponte simétrica desequilibrada com dois braços ativos;

Ponte simétrica desequilibrada com quatro braços ativos.

Os circuitos de comutação para conversores de medição de geradores são divididos em:

Sequencial;

Diferencial;

Compensatório.

Os geradores não precisam de fonte de energia, mas os paramétricos sim. Muitas vezes, os geradores podem ser representados como uma fonte de EMF, e os paramétricos podem ser representados como um resistor ativo ou reativo, cuja resistência muda com as mudanças no valor medido.

A comutação em série e diferencial pode ser aplicada a fontes de alimentação paramétricas e de gerador. Esquema de compensação – para geradores. Pavimento - para paramétrico.

2.1.3.1. Esquemas para conexão sequencial de transdutores de medição paramétrica

Conexão serial de um transdutor de medição paramétrica (Fig. 2.4):

Arroz. 2.4. Conexão sequencial de uma fonte de alimentação paramétrica.

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https://pandia.ru/text/80/219/images/image016_83.gif" width="116 height=41" height="41"> - sensibilidade atual;

- sensibilidade à tensão;

Sensibilidade de potência;

Arroz. 2.5. Características de saída de uma fonte de alimentação conectada em série:

uma – real; b – ideal.

Conexão serial de dois transdutores de medição paramétrica (Fig. 2.6).

Figura 2.6. Conexão sequencial de duas fontes de alimentação paramétricas.

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Instrumentos de medição elétrica são amplamente utilizados para medir grandezas não elétricas. Isso se tornou possível graças ao uso de conversores especiais (Conversores).

Os sinais de saída de tais conversores são transmitidos na forma de parâmetros de circuito ou EMF (carga), associados a uma relação funcional com o sinal de entrada. Os primeiros são chamados de paramétricos, os segundos são chamados de geradores.

Dos conversores paramétricos, os mais utilizados são dispositivos reostatos, sensíveis à deformação, sensíveis à temperatura, eletrolíticos, de ionização, indutivos e capacitivos.

Conversores reostatos Eles são uma estrutura isolada na qual um condutor é enrolado e uma escova se move ao longo das voltas. Seu parâmetro de saída é a resistência do circuito.

A quantidade medida Pr pode ser o movimento do pincel em linha reta ou em círculo. Tendo melhorado o sistema de detecção, Pr pode ser usado para determinar a pressão ou massa sob a influência da qual o controle deslizante se moverá.

Para o enrolamento do reostato são utilizados materiais cuja resistência depende pouco de fatores externos (temperatura, pressão, umidade, etc.). Tais materiais podem ser nicrômio, fechral, ​​constanten ou manganina. Ao alterar a forma e a seção transversal do núcleo (o comprimento de uma volta também muda de acordo), é possível obter uma dependência não linear da resistência do circuito no movimento do controle deslizante.

A vantagem dos conversores reostáticos é a simplicidade do seu design. No entanto, é impossível determinar com precisão o movimento se a resistência de saída mudar dentro de uma volta. Esta é a principal desvantagem de tais Prs e caracteriza seu erro.

Transdutores sensíveis à deformação (TCTr). Seu funcionamento é baseado na mudança da resistência ativa do condutor sob a influência de pressão ou deformação mecânica. Este fenômeno é chamado de efeito de tensão.

O sinal de entrada para TCPR pode ser tensão, compressão ou outro tipo de deformação de peças de equipamentos, estruturas metálicas, o sinal de saída é uma mudança na resistência do conversor.

Os fios sensíveis à deformação são um substrato fino feito de papel ou filme e um fio de seção transversal muito pequena colado nele. O fio Constantan, que possui resistência independente da temperatura, com diâmetro de 0,02-0,05 mm, é normalmente usado como elemento sensor. Folha TCPR e medidores de tensão de filme também são usados.

O transdutor PM é colado na peça a ser medida de forma que o eixo de expansão linear da peça coincida com o eixo longitudinal do PM. Quando o objeto medido se expande, o comprimento do TCP aumenta e, consequentemente, sua resistência muda.

A vantagem de tais dispositivos é a linearidade, simplicidade de design e instalação. As desvantagens incluem baixa sensibilidade.

Conversores termossensíveis (TPr). Os principais elementos de tais dispositivos são termistores, diodos térmicos, transistores térmicos, etc. O termoelemento é incluído no circuito elétrico de forma que a corrente do circuito passe por ele e a temperatura do elemento medido seja afetada.

Com a ajuda deles, podem ser medidas temperatura, viscosidade, condutividade térmica, velocidade de movimento e outros parâmetros do ambiente em que o elemento está localizado.

Termistores de platina são usados ​​para medições na faixa de temperatura de -260°C a +1100°C; termistores de cobre são usados ​​na faixa de temperatura de -200°C a +200°C. Na faixa de temperatura de -80°C a +150°C, quando é necessária precisão especial, são utilizados diodos térmicos e termotransistores.

De acordo com o modo de operação, o TRPr é dividido em superaquecimento e sem pré-aquecimento. Dispositivos sem pré-aquecimento são utilizados apenas para medir a temperatura do meio, pois a corrente que flui neles não afeta seu aquecimento. A temperatura do meio é determinada com bastante precisão pela resistência do elemento.

O modo de operação de outro tipo de conversores térmicos está associado ao seu pré-aquecimento até um determinado valor. Em seguida, eles são colocados no ambiente medido e a mudança em sua resistência é monitorada.

Pela taxa de mudança na resistência, pode-se avaliar a intensidade do resfriamento ou aquecimento, o que significa que é possível determinar a velocidade de movimento da substância que está sendo medida, sua viscosidade e outros parâmetros.

Os TPRs semicondutores são mais sensíveis que os termistores, por isso são usados ​​na área de medições de precisão. No entanto, sua desvantagem significativa é a estreita faixa de temperatura e a baixa reprodutibilidade das características estáticas do dispositivo.

Conversores eletrolíticos (ELC). Eles são usados ​​​​para determinar a concentração de soluções, uma vez que a condutividade elétrica das soluções depende significativamente do grau de concentração de sal nelas.

ELPs são um recipiente com dois eletrodos. A tensão é aplicada aos eletrodos, completando assim o circuito elétrico através da camada eletrolítica. Tais conversores são utilizados em corrente alternada, pois sob a influência da corrente contínua o eletrólito se dissocia em íons positivos e negativos, o que introduz um erro nas medições.

Outra desvantagem do ELP é a dependência da condutividade do eletrólito com a temperatura, o que obriga a manter uma temperatura constante por meio de unidades de refrigeração ou aquecimento.

Conversores indutivos e capacitivos. Como o nome sugere, os parâmetros de saída de tais dispositivos são indutância e capacitância. O valor medido de PRs indutivos simples pode ser um deslocamento de 10 a 15 mm; para PRs de transformadores indutivos com sistema de malha aberta, esse valor pode ser aumentado para 100 mm. Prs capacitivos são usados ​​para medir movimentos da ordem de 1 mm.

Prs indutivos são dois indutores colocados em um núcleo aberto. A indutância mútua das bobinas é influenciada por parâmetros como: o comprimento do entreferro da seção aberta, a área da seção transversal do entreferro, a permeabilidade magnética do entreferro.

Assim, medindo a indutância mútua das bobinas, é possível determinar o quanto os parâmetros acima mudaram. E eles podem mudar quando a placa dielétrica se move no entreferro. Esta é a base para o princípio de funcionamento do pr indutivo.

O princípio de operação dos PRs capacitivos é baseado em uma mudança na capacitância do capacitor quando a área ativa das placas diminui, a distância entre as placas do capacitor muda e a constante dielétrica do espaço entre placas muda.

Os conversores capacitivos têm maior sensibilidade a alterações nos parâmetros de entrada. O Capacitive Pr é capaz de registrar alterações na capacitância mesmo quando se move em milésimos de milímetro.

Conversores de ionização. O princípio de funcionamento do instrumento é baseado no fenômeno de ionização de gases e outros meios sob a influência da radiação ionizante, que pode ser radiação ionizante α, β e γ de substâncias radioativas, ou raios X.

Se uma câmara contendo gás for exposta à radiação, uma corrente elétrica fluirá através dos eletrodos. A magnitude desta corrente dependerá da composição do gás, do tamanho dos eletrodos, da distância entre os eletrodos e da tensão aplicada.

Medindo a corrente elétrica em um circuito, com composição do meio conhecida, a distância entre os eletrodos e a tensão aplicada, é possível determinar o tamanho dos eletrodos, ou vice-versa, outros parâmetros. Eles são usados ​​para medir as dimensões de peças, ou composições de gases, etc.

A principal vantagem do Prs ionizante é a possibilidade de medições sem contato em ambientes agressivos, sob pressão ou temperatura elevadas. A desvantagem de tal PR é a necessidade de proteção biológica do pessoal contra a exposição à radiação.

Termômetros de resistência. Os termômetros de resistência, assim como os termopares, são projetados para medir a temperatura de corpos gasosos, sólidos e líquidos, bem como a temperatura da superfície. O princípio de funcionamento dos termômetros baseia-se na utilização da propriedade dos metais e semicondutores de alterar sua resistência elétrica com a temperatura. Para condutores feitos de metais puros, esta dependência na faixa de temperatura de –200 °C a 0 °C tem a forma:

R t = R 0 ,

e na faixa de temperatura de 0 °C a 630 °C

R t = R 0 ,

Onde R t , R 0 - resistência do condutor à temperatura t e 0°C; A, B, C - coeficientes; t- temperatura, °C.

Na faixa de temperatura de 0 °C a 180 °C, a dependência da resistência do condutor com a temperatura é descrita pela fórmula aproximada

R t = R 0 ,

Onde α - coeficiente de resistência de temperatura do material condutor (TCR).

Para condutores de metal puro α≈ 6-10 -3 ...4-10 -3 graus -1 .

Medir a temperatura com um termômetro de resistência se resume a medir sua resistência Rt, s transição subsequente para temperatura usando fórmulas ou tabelas de calibração.

Existem termômetros de resistência de fio e semicondutores. Um termômetro de resistência de fio é um fio fino feito de metal puro, montado em uma estrutura feita de material resistente à temperatura (elemento sensível), colocado em um encaixe de proteção (Fig. 5.4).

Arroz. 5.4. Elemento sensor de termômetro de resistência

Os cabos do elemento sensível são conectados à cabeça do termômetro. A escolha de fios feitos de metais puros em vez de ligas para a fabricação de termômetros de resistência se deve ao fato do TCR dos metais puros ser maior que o TCR das ligas e, portanto, os termômetros baseados em metais puros são mais sensíveis.

A indústria produz termômetros de resistência de platina, níquel e cobre. Para garantir a intercambialidade e calibração uniforme dos termômetros, seus valores de resistência foram padronizados R0 e TKS.

Termômetros de resistência semicondutores (termistores) são contas, discos ou hastes feitas de material semicondutor com cabos para conexão a um circuito de medição.

A indústria produz em massa muitos tipos de termistores em vários designs.

As dimensões dos termistores são geralmente pequenas - cerca de alguns milímetros, e alguns tipos têm décimos de milímetro. Para proteção contra danos mecânicos e influências ambientais, os termistores são protegidos por revestimentos de vidro ou esmalte, bem como tampas metálicas.

Os termistores geralmente têm resistência de alguns a centenas de quiloohms; seu TCR na faixa de temperatura operacional é uma ordem de grandeza maior que o dos termômetros de fio. Como materiais para o fluido de trabalho dos termistores, são utilizadas misturas de óxidos de níquel, manganês, cobre e cobalto, que são misturadas com um ligante, dada a forma desejada e sinterizadas em altas temperaturas. Termistores são usados ​​para medir temperaturas na faixa de -100 a 300°C. A inércia dos termistores é relativamente pequena. Suas desvantagens incluem a não linearidade da dependência da resistência com a temperatura, a falta de intercambialidade devido à grande dispersão da resistência nominal e do TCR, bem como a mudança irreversível na resistência ao longo do tempo.

Para medições na faixa de temperatura próxima ao zero absoluto, são utilizados termômetros semicondutores de germânio.

A resistência elétrica dos termômetros é medida usando pontes ou compensadores DC e AC. Uma característica das medições termométricas é a limitação da corrente de medição para evitar o aquecimento do fluido de trabalho do termômetro. Para termômetros de resistência de fio, recomenda-se selecionar uma corrente de medição tal que a potência dissipada pelo termômetro não exceda 20 ... 50 mW. A dissipação de potência permitida em termistores é muito menor e é recomendado determiná-la experimentalmente para cada termistor.

Transdutores sensíveis à deformação (extensômetros). Na prática de projeto, muitas vezes é necessário medir tensões mecânicas e deformações em elementos estruturais. Os conversores mais comuns dessas grandezas em um sinal elétrico são os extensômetros. A operação dos extensômetros é baseada na propriedade dos metais e semicondutores de alterar sua resistência elétrica sob a influência das forças aplicadas a eles. O extensômetro mais simples pode ser um pedaço de fio rigidamente acoplado à superfície de uma peça deformável. Esticar ou comprimir a peça provoca um estiramento ou compressão proporcional do fio, resultando em alterações na sua resistência elétrica. Dentro dos limites das deformações elásticas, a mudança relativa na resistência do fio está relacionada ao seu alongamento relativo pela razão

ΔR/R=K Τ Δl/l,

Onde eu, R - comprimento inicial e resistência do fio; Δl, ΔR- incremento de comprimento e resistência; K T - coeficiente de sensibilidade à deformação.

O valor do coeficiente do extensômetro depende das propriedades do material do qual o extensômetro é feito, bem como do método de fixação do extensômetro ao produto. Para fios metálicos de vários metais KT= 1... 3,5.

Existem medidores de tensão de fios e semicondutores. Para a fabricação de extensômetros de fio, são utilizados materiais que possuem um coeficiente de sensibilidade à deformação suficientemente alto e um coeficiente de resistência de baixa temperatura. O material mais comumente usado para a fabricação de extensômetros de fio é o fio Constantan com diâmetro de 20 ... 30 mícrons.

Estruturalmente, os extensômetros de fio são uma grade que consiste em vários laços de fio colados em um substrato de papel fino (ou outro) (Fig. 5.5). Dependendo do material do substrato, os extensômetros podem operar em temperaturas de -40 a +400 °C.

Arroz. 5.5. Medidor de tensão

Existem projetos de extensômetros fixados na superfície das peças por meio de cimentos, capazes de operar em temperaturas de até 800 °C.

As principais características dos extensômetros são a resistência nominal R, base eu e fator de tensão KT. A indústria produz uma ampla gama de extensômetros com tamanhos de base de 5 a 30 mm , resistências nominais de 50 a 2.000 Ohms, com coeficiente de sensibilidade de deformação de 2±0,2.

Um desenvolvimento adicional de extensômetros de fio são os extensômetros de folha e filme, cujo elemento sensível é uma grade de tiras de folha ou uma fina película de metal aplicada a substratos à base de verniz.

Os extensômetros são feitos com base em materiais semicondutores. O efeito de deformação é mais fortemente expresso em germânio, silício, etc. A principal diferença entre extensômetros semicondutores e extensômetros de fio é uma grande mudança (até 50%) na resistência durante a deformação devido ao grande valor do coeficiente de sensibilidade à deformação.

Conversores indutivos. Transdutores indutivos são usados ​​para medir deslocamentos, dimensões, desvios de forma e localização de superfícies. O conversor consiste em um indutor estacionário com núcleo magnético e uma armadura, que também faz parte do núcleo magnético, movendo-se em relação ao indutor. Para obter a maior indutância possível, o circuito magnético da bobina e da armadura são feitos de materiais ferromagnéticos. Quando a armadura se move (conectada, por exemplo, à ponta de prova de um dispositivo de medição), a indutância da bobina muda e, conseqüentemente, a corrente que flui no enrolamento muda. Na Fig. A Figura 5.6 mostra diagramas de conversores indutivos com entreferro variável d (Fig. 5.6 A) usado para medir deslocamento na faixa de 0,01...10 mm; com área de entreferro variável S δ (Fig. 5.6 b), utilizado na faixa de 5 a 20 mm.

Arroz. 5.6. Transdutores de deslocamento indutivo

5.2. Amplificadores operacionais

Um amplificador operacional (op-amp) é um amplificador diferencial DC com ganho muito alto. Para um amplificador de tensão, a função de transferência (ganho) é dada por

Para simplificar os cálculos de projeto, assume-se que um amplificador operacional ideal possui as seguintes características.

1. O ganho quando o circuito de feedback está aberto é infinito.

2. A resistência de entrada Rd é infinita.

3. Resistência de saída R 0 = 0.

4. A largura de banda é infinita.

5. V 0 = 0 em V 1 = V 2 (sem tensão de deslocamento zero).

A última característica é muito importante. Como V 1 -V 2 = V 0 / A, então se V 0 tiver um valor finito e o coeficiente A for infinitamente grande (valor típico 100.000), teremos

V 1 - V 2 = 0 e V 1 = V 2.

Como a resistência de entrada para o sinal diferencial é (V 1 - V 2)

também for muito grande, então a corrente através de Rd pode ser desprezada.Essas duas suposições simplificam significativamente o projeto de circuitos de amplificadores operacionais.

Regra 1. Quando o amplificador operacional opera na região linear, as mesmas tensões atuam em suas duas entradas.

Regra2. As correntes de entrada para ambas as entradas do amplificador operacional são zero.

Vejamos os blocos de circuito básicos do amplificador operacional. A maioria desses circuitos usa o amplificador operacional em uma configuração de circuito fechado.

5.2.1. Amplificador de ganho unitário

(seguidor de tensão)

Se em um amplificador não inversor definirmos Ri igual ao infinito e Rf igual a zero, então chegaremos ao circuito mostrado na Fig. 5.7.

De acordo com a regra 1, a entrada inversora do amplificador operacional também possui uma tensão de entrada Vi, que é transmitida diretamente para a saída do circuito. Portanto, V 0 = V i , e a tensão de saída rastreia (repete) a tensão de entrada. Para muitos conversores analógico-digitais, a impedância de entrada depende do valor do sinal de entrada analógico. Usando um seguidor de tensão, é garantida uma resistência de entrada constante.

5.2.2. Adicionadores

Um amplificador inversor pode somar múltiplas tensões de entrada. Cada entrada do somador é conectada à entrada inversora do amplificador operacional por meio de um resistor de pesagem. A entrada inversora é chamada de nó somador porque todas as correntes de entrada e correntes de feedback são somadas aqui. O diagrama básico do circuito de um amplificador somador é mostrado na Fig. 5.8.

Tal como acontece com um amplificador inversor convencional, a tensão na entrada inversora deve ser zero e, portanto, a corrente que flui para o amplificador operacional deve ser zero. Por isso,

eu f = eu 1 + eu 2 + . . . + eu

Como há tensão zero na entrada inversora, após as substituições apropriadas, obtemos

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

O resistor R f determina o ganho geral do circuito. Resistências R 1, R 2, . . . R n define os valores dos coeficientes de ponderação e resistências de entrada dos canais correspondentes.

5.2.3. Integradores

Um integrador é um circuito eletrônico que produz um sinal de saída proporcional à integral (no tempo) do sinal de entrada.

Na Fig. A Figura 5.9 mostra um diagrama esquemático de um integrador analógico simples.Um terminal do integrador é conectado ao nó somador e o outro é conectado à saída do integrador. Portanto, a tensão no capacitor é ao mesmo tempo a tensão de saída. O sinal de saída do integrador não pode ser descrito por uma relação algébrica simples, pois com uma tensão de entrada fixa, a tensão de saída muda a uma taxa determinada pelos parâmetros Vi, R e C. Assim, para encontrar a tensão de saída, você precisa saber a duração do sinal de entrada. Tensão através de um capacitor inicialmente descarregado

onde i f – através do capacitor e t i – tempo de integração. Para um positivo

Vi temos i i = V i /R. Como eu f = eu eu , então levando em consideração a inversão do sinal obtemos

Desta relação segue-se que V 0 é determinado pela integral (com sinal oposto) da tensão de entrada na faixa de 0 a t 1, multiplicada pelo fator de escala 1/RC. Tensão V ic é a tensão através do capacitor no tempo inicial (t = 0).

5.2.4. Diferenciadores

O diferenciador produz um sinal de saída proporcional à taxa de mudança ao longo do tempo do sinal de entrada. Na Fig. A Figura 5.10 mostra um diagrama esquemático de um diferenciador simples.

Corrente através de um capacitor.

Se a derivada for positiva, a corrente i flui em tal direção que uma tensão de saída negativa V 0 é formada.

Por isso,

Este método de diferenciação de sinal parece simples, mas sua implementação prática levanta problemas para garantir a estabilidade do circuito em altas frequências. Nem todo amplificador operacional é adequado para uso em um diferenciador. O critério de seleção é o desempenho do amplificador operacional: você precisa selecionar um amplificador operacional com uma alta taxa de variação máxima da tensão de saída e um produto de alto ganho-largura de banda. Amplificadores operacionais de alta velocidade baseados em transistores de efeito de campo funcionam bem em diferenciadores.

5.2.5. Comparadores

Um comparador é um circuito eletrônico que compara duas tensões de entrada e produz um sinal de saída dependendo do estado das entradas. O diagrama básico do circuito do comparador é mostrado na Fig. 5.11.

Como você pode ver, aqui o amplificador operacional opera com um circuito de feedback aberto. Uma tensão de referência é fornecida a uma de suas entradas e uma tensão desconhecida (comparada) é fornecida à outra. A saída do comparador indica se o nível do sinal de entrada desconhecido está acima ou abaixo do nível de tensão de referência. No circuito da Fig. 5.11, a tensão de referência V r é aplicada à entrada não inversora e o sinal desconhecido V i é fornecido à entrada inversora.

Quando V i > V r a tensão V 0 = - V r (tensão de saturação negativa) é definida na saída do comparador. No caso oposto, obtemos V 0 = +V r. Você pode trocar as entradas - isso levará à inversão do sinal de saída.

5.3. Trocando sinais de medição

Na tecnologia de informação e medição, ao implementar transformações de medição analógica, muitas vezes é necessário fazer conexões elétricas entre dois ou mais pontos do circuito de medição para causar o processo transitório necessário, dissipar a energia armazenada pelo elemento reativo (por exemplo, descarregar um capacitor), conectar a fonte de alimentação do circuito de medição, ligar a memória da célula analógica, coletar uma amostra de um processo contínuo durante a amostragem, etc. Além disso, muitos instrumentos de medição realizam transformações de medição sequencialmente em um grande número de elétricos quantidades distribuídas no espaço. Para implementar o acima exposto, são usados ​​comutadores e chaves de medição.

Uma chave de medição é um dispositivo que converte sinais analógicos separados espacialmente em sinais separados no tempo e vice-versa.

As chaves de medição de sinal analógico são caracterizadas pelos seguintes parâmetros:

faixa dinâmica de grandezas comutadas;

erro do coeficiente de transmissão;

velocidade (frequência de comutação ou tempo necessário para realizar uma operação de comutação);

número de sinais comutados;

limitação do número de manobras (para chaves com chaves de medição de contato).

Dependendo do tipo de chaves de medição utilizadas no comutador, o interruptores com e sem contato.

A chave de medição é uma rede de dois terminais com uma não linearidade claramente expressa da característica corrente-tensão. A transição de uma chave de um estado (fechada) para outro (aberta) é realizada por meio de um elemento de controle.

5.4. Conversão Analógica para Digital

A conversão analógico-digital é parte integrante do procedimento de medição. Nos instrumentos indicadores, esta operação corresponde à leitura de um resultado numérico pelo experimentador. Em instrumentos de medição digitais e baseados em processador, a conversão analógico-digital é realizada automaticamente e o resultado é enviado diretamente para o display ou inserido no processador para realizar conversões de medição subsequentes em formato numérico.

Os métodos de conversão analógico-digital em medições foram desenvolvidos profunda e minuciosamente e se resumem a representar valores instantâneos da influência de entrada em momentos fixos no tempo com a combinação de código correspondente (número). A base física da conversão analógico-digital é o gate e a comparação com níveis de referência fixos. Os ADCs mais utilizados são codificação bit a bit, contagem sequencial, balanceamento de rastreamento e alguns outros. As questões da metodologia de conversão analógico-digital associadas às tendências no desenvolvimento de ADCs e medições digitais nos próximos anos incluem, em particular:

Eliminação da ambigüidade de leitura nos ADCs de correspondência mais rápida, que estão se tornando cada vez mais difundidos com o desenvolvimento da tecnologia integrada;

Alcançar tolerância a falhas e melhorar as características metrológicas dos ADCs baseados no sistema redundante de números Fibonacci;

Aplicativo para conversão analógico-digital de método de teste estatístico.

5.4.1 Conversores digital-analógico e analógico-digital

Os conversores digital para analógico (DAC) e analógico para digital (ADC) são parte integrante dos sistemas automáticos de controle e regulação. Além disso, como a grande maioria das grandezas físicas medidas são analógicas, e seu processamento, indicação e registro, via de regra, são realizados por métodos digitais, os DACs e ADCs têm sido amplamente utilizados em instrumentos de medição automática. Assim, DACs e ADCs fazem parte de instrumentos de medição digital (voltímetros, osciloscópios, analisadores de espectro, correlacionadores, etc.), fontes de alimentação programáveis, displays de tubo de raios catódicos, plotters, sistemas de radar de instalações para monitoramento de elementos e microcircuitos, e são componentes importantes vários conversores e geradores, dispositivos de entrada/saída de informações de computador. Amplas perspectivas para o uso de DACs e ADCs estão se abrindo na telemetria e na televisão. A produção em série de DACs e ADCs de pequeno porte e relativamente baratos proporcionará uma oportunidade para um uso ainda mais amplo de métodos discretos de conversão contínua em ciência e tecnologia.

Existem três tipos de design e design tecnológico de DACs e ADCs: modular, híbrido e integrado. Ao mesmo tempo, a participação da produção de circuitos integrados (ICs) DAC e ADC no volume total de sua produção está aumentando continuamente, o que é grandemente facilitado pelo uso generalizado de microprocessadores e métodos de processamento digital de dados. Um DAC é um dispositivo que produz um sinal analógico de saída (tensão ou corrente) proporcional ao sinal digital de entrada. Neste caso, o valor do sinal de saída depende do valor da tensão de referência U op, que determina o fundo de escala do sinal de saída. Se você usar qualquer sinal analógico como tensão de referência, o sinal de saída do DAC será proporcional ao produto da entrada digital e analógico sinais.Em um ADC, o código digital na saída é determinado pela razão entre o sinal analógico de entrada convertido e o sinal de referência correspondente ao fundo de escala. Esta relação também é verdadeira se o sinal de referência mudar de acordo com qualquer lei. Um ADC pode ser considerado um medidor de relação ou divisor de tensão com saída digital.

5.4.2. Princípios operacionais, elementos básicos e diagramas de blocos do ADC

Atualmente, um grande número de tipos de ADCs foram desenvolvidos para satisfazer diversos requisitos. Em alguns casos, o requisito predominante é alta precisão, em outros - velocidade de conversão.

De acordo com o princípio de operação, todos os tipos de ADCs existentes podem ser divididos em dois grupos: ADCs com comparação do sinal convertido de entrada com níveis de tensão discretos e ADCs do tipo integrador.

Um ADC que compara o sinal de entrada que está sendo convertido em níveis de tensão discretos usa um processo de conversão que essencialmente gera níveis de tensão equivalentes aos códigos digitais correspondentes e compara esses níveis de tensão com a tensão de entrada para determinar o equivalente digital do sinal de entrada. Neste caso, os níveis de tensão podem ser formados simultaneamente, sequencialmente ou de forma combinada.

Contagem serial ADC com tensão dente de serra escalonada é um dos conversores mais simples (Fig. 5.12).

O sinal “Iniciar” coloca o contador no estado zero, após o qual, à medida que os pulsos do clock chegam à sua entrada com uma frequência Ft A tensão de saída do DAC aumenta linearmente em etapas.

Quando a tensão U out atinge o valor U in, o circuito de comparação para de contar os pulsos no contador, e o código das saídas deste último é inserido no registrador de memória. A profundidade de bits e a resolução de tais ADCs são determinadas pela profundidade de bits e pela resolução do DAC usado nele. O tempo de conversão depende do nível da tensão de entrada que está sendo convertida. Para uma tensão de entrada correspondente ao valor de fundo de escala, o MF deve ser preenchido e ao mesmo tempo deve gerar um código de fundo de escala na entrada DAC. Isto requer um tempo de conversão de (2 n - 1) vezes o período de clock para um DAC de n bits. Para uma conversão rápida de analógico para digital, o uso de tais ADCs é impraticável.

EM rastreamento ADC(Fig. 5.13) o medidor somador é substituído por um contador reverso RSch para rastrear a variação da tensão de entrada. O sinal de saída do CV determina a direção da contagem dependendo se a tensão de entrada do ADC excede ou não a tensão de saída do DAC.

Antes de iniciar as medições, a frequência de RF é definida para o estado correspondente ao meio da escala (01...1). O primeiro ciclo de conversão do ADC de rastreamento é semelhante ao ciclo de conversão do ADC de contagem serial. No futuro, os ciclos de conversão serão significativamente reduzidos, uma vez que este ADC consegue rastrear pequenos desvios do sinal de entrada ao longo de vários períodos de clock, aumentando ou diminuindo o número de pulsos registrados na unidade de controle de frequência de RF, dependendo do sinal da incompatibilidade entre o valor atual da tensão convertida Uin e a tensão de saída do DAC.

ADC de aproximação sucessiva (balanceamento bit a bit) encontraram o uso mais difundido devido à sua implementação bastante simples, garantindo simultaneamente alta resolução, precisão e velocidade; eles têm um desempenho ligeiramente inferior, mas uma resolução significativamente maior em comparação com ADCs que implementam o método de conversão paralela.

Para aumentar o desempenho, um distribuidor de pulso e um registro de aproximação sucessiva são usados ​​como dispositivo de controle. A tensão de entrada é comparada com a tensão de referência (tensão de realimentação DAC) a partir do valor correspondente ao bit mais significativo do código binário gerado.

Ao iniciar o ADC usando o RI, o RPP é colocado no estado inicial:

1000. . .0. Neste caso, é gerada na saída do DAC uma tensão correspondente a metade da faixa de conversão, o que é garantido pela ativação do seu bit mais significativo. Se o sinal de entrada for menor que o sinal do DAC, no próximo ciclo de clock, o código 0100 é gerado nas entradas digitais do DAC utilizando o RPP. . 0, que corresponde à inclusão do 2º dígito mais significativo. Como resultado, o sinal de saída do DAC é reduzido pela metade.

Se o sinal de entrada ultrapassar o sinal do DAC, no próximo ciclo de clock é garantida a formação do código 0110...0 nas entradas digitais do DAC e a inclusão de um 3º bit adicional. Neste caso, a tensão de saída do DAC, que aumentou uma vez e meia, é novamente comparada com a tensão de entrada, etc. n vezes (onde n- número de bits ADC).

Como resultado, será gerada uma tensão na saída do DAC que difere da entrada em não mais do que uma unidade do dígito menos significativo do DAC. O resultado da transformação é retirado da saída do RPP.

A vantagem deste esquema é a capacidade de construir conversores multi-bit (até 12 bits e superiores) de velocidade relativamente alta (com um tempo de conversão da ordem de várias centenas de nanossegundos).

Em ADC leitura direta (tipo paralelo)(Fig. 5.15) o sinal de entrada é aplicado simultaneamente às entradas de todos os transformadores de potencial, o número eu que é determinado pela capacidade de bits ADC e é igual a m = 2 n - 1, onde n é o número de bits ADC. Em cada CV, o sinal é comparado com uma tensão de referência correspondente ao peso de uma determinada descarga e retirado dos nós do divisor de resistor alimentado pela tensão de referência.

Os sinais de saída do CV são processados ​​por um decodificador lógico, que produz um código paralelo, que é o equivalente digital da tensão de entrada. Esses ADCs têm o desempenho mais alto. A desvantagem de tais ADCs é que à medida que a profundidade de bits aumenta, o número de elementos necessários praticamente duplica, o que dificulta a construção de ADCs multi-bit deste tipo. A precisão da conversão é limitada pela precisão e estabilidade do conversor de tensão e do divisor de resistor. Para aumentar a profundidade de bits em alta velocidade, são implementados ADCs de dois estágios, nos quais os bits de ordem inferior do código de saída são removidos das saídas do segundo estágio do DS e os bits mais significativos são removidos das saídas do DS da primeira etapa.

ADC com modulação por largura de pulso (integração de ciclo único)

O ADC é caracterizado pelo fato de que o nível do sinal analógico de entrada Uin é convertido em um pulso, cuja duração t pulso é função do valor do sinal de entrada e é convertido para a forma digital contando o número de períodos da frequência de referência que cabe entre o início e o fim do pulso. A tensão de saída do integrador sob a influência da conexão

aplicado à sua entrada U op muda do nível zero com a velocidade

No momento em que a tensão de saída do integrador se torna igual à tensão de entrada Uin, o CV é acionado, com o que termina a formação da duração do pulso, durante a qual o número de períodos da frequência de referência é contado no Contadores ADC. A duração do pulso é determinada pelo tempo durante o qual a tensão U out muda do nível zero para U in:

A vantagem deste conversor é a sua simplicidade e as desvantagens são a sua velocidade relativamente baixa e baixa precisão.

1. Quais são o dispositivo, princípio de funcionamento e aplicação:

a) conversores fotoelétricos;

Conversores fotoelétricos são aqueles em que o sinal de saída varia em função do fluxo luminoso incidente no conversor. Os conversores fotoelétricos ou, como futuramente os chamaremos, as fotocélulas são divididas em três tipos:

1) fotocélulas com fotoefeito externo

São cilindros esféricos de vidro cheios de vácuo ou gás, em cuja superfície interna é aplicada uma camada de material fotossensível, formando um cátodo. O ânodo é feito em forma de anel ou malha de fio de níquel. No estado escurecido, uma corrente escura passa pela fotocélula como consequência da emissão termiônica e do vazamento entre os eletrodos. Quando iluminado, o fotocátodo, sob a influência de fótons de luz, imita os elétrons. Se uma tensão for aplicada entre o ânodo e o cátodo, esses elétrons formam uma corrente elétrica. Quando a iluminação de uma fotocélula conectada a um circuito elétrico muda, a fotocorrente neste circuito muda de acordo.

2) fotocélulas com fotoefeito interno

São um wafer semicondutor homogêneo com contatos, por exemplo, feitos de seleneto de cádmio, que muda sua resistência sob a influência de um fluxo luminoso. O efeito fotoelétrico interno consiste no aparecimento de elétrons livres expulsos por quanta de luz das órbitas eletrônicas dos átomos que permanecem livres no interior da substância. O aparecimento de elétrons livres em um material, como um semicondutor, equivale a uma diminuição na resistência elétrica. Os fotorresistores têm alta sensibilidade e uma característica linear de corrente-tensão (característica volt-ampere), ou seja, sua resistência não depende da tensão aplicada.

3) conversores fotovoltaicos.

Esses conversores são semicondutores ativos sensíveis à luz que, ao absorver luz devido a efeitos fotoelétricos na camada de barreira, criam elétrons livres e fem.

Um fotodiodo (PD) pode operar em dois modos - fotodiodo e gerador (válvula). Um fototransistor é um receptor semicondutor de energia radiante com duas ou mais junções p, no qual um fotodiodo e um amplificador de fotocorrente são combinados.

Os fototransistores, assim como os fotodiodos, são usados ​​para converter sinais de luz em sinais elétricos.

b) conversores capacitivos;

Um transdutor capacitivo é um capacitor cuja capacitância muda sob a influência da grandeza não elétrica que está sendo medida. Um capacitor plano é amplamente utilizado como conversor capacitivo, cuja capacitância pode ser expressa pela fórmula C = e0eS/5, onde e0 é a constante dielétrica do ar (e0 = 8,85 10"12F/m; e é o dielétrico relativo constante do meio entre as placas do capacitor; S- área de revestimento; 5-distância entre revestimentos)

Como a grandeza não elétrica medida pode ser funcionalmente relacionada a qualquer um desses parâmetros, o projeto dos conversores capacitivos pode ser muito diferente dependendo da aplicação. Para medir os níveis de corpos líquidos e granulares, são utilizados capacitores cilíndricos ou planos; para medir pequenos deslocamentos, mudanças rápidas de forças e pressões - transdutores capacitivos diferenciais com folga variável entre as placas. Consideremos o princípio do uso de conversores capacitivos para medir várias grandezas não elétricas.

c) conversores térmicos;

O conversor térmico é um condutor ou semicondutor com corrente, com elevado coeficiente de temperatura, em troca de calor com o meio ambiente. Existem várias formas de troca de calor: convecção; condutividade térmica do ambiente; condutividade térmica do próprio condutor; radiação.

A intensidade da troca de calor entre o condutor e o meio ambiente depende dos seguintes fatores: velocidade do meio gasoso ou líquido; propriedades físicas do meio (densidade, condutividade térmica, viscosidade); temperatura ambiente; dimensões geométricas do condutor. Esta dependência da temperatura do condutor e, portanto, de sua resistência, dos fatores listados pode ser

usado para medir várias grandezas não elétricas que caracterizam um meio gasoso ou líquido: temperatura, velocidade, concentração, densidade (vácuo).

d) conversores de ionização;

Conversores de ionização são aqueles conversores nos quais a grandeza não elétrica medida está funcionalmente relacionada à corrente de condutividade eletrônica e iônica do meio gasoso. O fluxo de elétrons e íons é obtido em conversores de ionização por ionização de um meio gasoso sob a influência de um ou outro agente ionizante, ou por emissão termiônica, ou por bombardeio de moléculas de meio gasoso com elétrons, etc.

Os elementos obrigatórios de qualquer conversor de ionização são uma fonte e um receptor de radiação.

e) conversores reostáticos;

Um conversor reostato é um reostato cujo motor se move sob a influência da grandeza não elétrica que está sendo medida. Um fio é enrolado em passo uniforme em uma estrutura feita de material isolante. O isolamento do fio na borda superior da moldura é limpo e uma escova desliza ao longo do metal. A escova adicional desliza ao longo do anel coletor. Ambas as escovas estão isoladas do rolo de acionamento. Os conversores reostáticos são feitos tanto com fio enrolado em uma moldura quanto do tipo reocorde. Nicromo, manganina, Constantan, etc. são usados ​​​​como materiais de arame. Em casos críticos, quando os requisitos de resistência ao desgaste das superfícies de contato são muito altos ou quando as pressões de contato são muito baixas, são utilizadas ligas de platina com irídio, paládio, etc. . O fio do reostato deve ser revestido com esmalte ou com uma camada de óxidos para isolar as espiras adjacentes umas das outras. Os motores são feitos de dois ou três fios (platina com irídio) com pressão de contato de 0,003...0,005 N ou tipo placa (prata, bronze fosforoso) com força de 0,05...0,1 N. A superfície de contato do o fio enrolado é polido; A largura da superfície de contato é igual a dois a três diâmetros de fio. A estrutura do conversor reostático é feita de textolite, plástico ou alumínio revestido com verniz isolante ou filme de óxido. Os formatos das molduras são variados. A reatância dos conversores reostáticos é muito pequena e geralmente pode ser desprezada em frequências na faixa de áudio.

Os transdutores reostáticos podem ser usados ​​para medir acelerações e deslocamentos de vibração com uma faixa de frequência limitada.

f) transdutores extensômetros;

Um transdutor de extensômetro (extensômetro) é um condutor que altera sua resistência quando sujeito a deformação por tração ou compressão. O comprimento do condutor I e a área da seção transversal S mudam com sua deformação. Essas deformações da rede cristalina levam a uma mudança na resistividade do condutor p e, conseqüentemente, a uma mudança na resistência total

Aplicação: para medição de deformações e tensões mecânicas, bem como outras grandezas mecânicas estáticas e dinâmicas proporcionais à deformação do elemento elástico auxiliar (mola), como trajetória, aceleração, força, flexão ou torque, pressão de gás ou líquido, etc. A partir destas grandezas medidas, podem ser determinadas grandezas derivadas, por exemplo, massa (peso), grau de enchimento dos tanques, etc. Os extensômetros de fio à base de papel, bem como os de folha e filme, são usados ​​para medir deformações relativas de 0,005... 0,02 a 1,5...2%. Os extensômetros de fio solto podem ser usados ​​para medir deformações de até 6...10%. Os extensômetros são praticamente livres de inércia e são usados ​​na faixa de frequência de 0...100 kHz.

g) conversores indutivos;

Os transdutores de medição indutivos são projetados para converter a posição (deslocamento) em um sinal elétrico. São os transdutores de medição mais compactos, resistentes a ruídos, confiáveis ​​e econômicos para solucionar problemas de automação de medição de dimensões lineares em engenharia mecânica e de instrumentos.

O transdutor indutivo consiste em um alojamento no qual um fuso é colocado sobre guias rolantes, em cuja extremidade frontal há uma ponta de medição e na extremidade traseira há uma armadura. A guia é protegida de influências externas por um manguito de borracha. A armadura conectada ao fuso está localizada dentro da bobina fixada no corpo. Por sua vez, os enrolamentos da bobina são conectados eletricamente a um cabo fixado na carcaça e protegido contra dobras por uma mola cônica. Na extremidade livre do cabo existe um conector usado para conectar o conversor a um dispositivo secundário. O corpo e o fuso são feitos de aço inoxidável endurecido. O adaptador que conecta a armadura ao fuso consiste em uma liga de titânio. A mola que cria a força de medição é centralizada, o que elimina o atrito quando o fuso se move. Este design do transdutor garante que o erro aleatório e a variação de leitura sejam reduzidos para menos de 0,1 mícron.

Os transdutores indutivos são amplamente utilizados principalmente para medir deslocamentos lineares e angulares.

h) conversores magnetoelásticos;

Os transdutores magnetoelásticos são um tipo de transdutores eletromagnéticos. Baseiam-se no fenômeno de alterações na permeabilidade magnética μ dos corpos ferromagnéticos em função das tensões mecânicas σ que neles surgem, associadas ao impacto das forças mecânicas P (tração, compressão, flexão, torção) sobre os corpos ferromagnéticos. Uma mudança na permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético causa uma mudança na resistência magnética do núcleo RM. Uma mudança no RM leva a uma mudança na indutância da bobina L localizada no núcleo. Assim, no conversor magnetoelástico temos a seguinte cadeia de transformações:

Р -> σ -> μ -> Rм -> L.

Os conversores magnetoelásticos podem ter dois enrolamentos (tipo transformador). Sob a influência da força devido a uma mudança na permeabilidade magnética, a indutância mútua M entre os enrolamentos e a fem induzida do enrolamento secundário E. O circuito de conversão neste caso tem a forma

P -> σ -> μ -> Rm -> M -> E.

O efeito de alterar as propriedades magnéticas dos materiais ferromagnéticos sob a influência de deformações mecânicas é denominado efeito magnetoelástico.

Transdutores magnetoelásticos são usados:

Para medição de altas pressões (mais de 10 N/mm2, ou 100 kg/cm2), pois detectam pressão diretamente e não necessitam de transdutores adicionais;

Para medir a força. Neste caso, o limite de medição do dispositivo é determinado pela área do transdutor magnetoelástico. Esses conversores são levemente deformados sob a influência da força. Sim, quando eu= 50 mm, △ eu < 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) conversores de resistência eletrolítica;

Conversores eletrolíticos são um tipo de conversores eletroquímicos. No caso geral, um conversor eletroquímico é uma célula eletrolítica preenchida com uma solução com eletrodos colocados nela, que servem para conectar o conversor ao circuito de medição. Como elemento de um circuito elétrico, uma célula eletrolítica pode ser caracterizada pela fem que desenvolve, pela queda de tensão da corrente que passa, pela resistência, pela capacitância e pela indutância. Ao isolar a relação entre esses parâmetros elétricos e a grandeza não elétrica medida, bem como suprimir o efeito de outros fatores, é possível criar conversores para medir a composição e concentração de meios líquidos e gasosos, pressão, deslocamento, velocidade, aceleração e outras quantidades. Os parâmetros elétricos da célula dependem da composição da solução e dos eletrodos, das transformações químicas na célula, da temperatura, da velocidade de movimento da solução, etc. As relações entre os parâmetros elétricos dos conversores eletroquímicos e as grandezas não elétricas são determinadas por as leis da eletroquímica.

O princípio de funcionamento dos conversores eletrolíticos baseia-se na dependência da resistência da célula eletrolítica da composição e concentração do eletrólito, bem como das dimensões geométricas da célula. Resistência da coluna líquida do conversor eletrolítico:

R = ρh/S = k/૪

onde ૪= 1/ρ - condutividade específica do eletrólito; k é a constante do conversor, dependendo da relação entre suas dimensões geométricas, geralmente determinada experimentalmente.