Параметричні вимірювальні перетворювачі. Функціональні перетворювачі: вимірювальні, параметричні, генераторні

Основними елементами більшості засобів вимірювань, що застосовуються, є первинні вимірювальні перетворювачі, призначення яких - перетворення вимірюваної фізичної величини (вхідна величина) у сигнал вимірювальної інформації (вихідна величина), як правило, електричний, зручний для подальшої обробки.

Первинні перетворювачі поділяються на параметричні та генераторні. У параметричних перетворювачах вихідна величина є зміною будь-якого параметра електричного ланцюга (опір, індуктивність, ємність і т.д.), в генераторних вихідна величина - ЕРС, електричний струм або заряд, що виникають внаслідок енергії вимірюваної величини.

Існує великий клас вимірювальних перетворювачів, у яких вхідними величинами є тиск, сила або момент, що крутить. Як правило, в цих перетворювачах вхідна величина впливає на пружний елемент і викликає його деформацію, яка потім перетворюється або сигнал, сприймається спостерігачами (механічні показують прилади), або електричний сигнал.

Значною мірою інерційні властивості перетворювача визначаються частотою власних коливань пружного елемента: що вона вище, то менш інерційним є перетворювач. Максимальне значення цих частот під час використання конструкційних сплавів становить 50...100 кГц. Для виготовлення пружних елементів особливо точних перетворювачів використовуються кристалічні матеріали (кварц, сапфір, кремній).

Резистивні перетворювачі - це параметричні перетворювачі, вихідною величиною яких є зміна електричного опору, що може викликатися впливом різноманітних за фізичною природою величин - механічних, теплових, світлових, магнітних та ін.

Потенціометричний перетворювач є реостат, двигун якого перемішується під впливом вимірюваної величини (вхідна величина). Вихідною величиною є опір.

Потенціометричні перетворювачі застосовуються для вимірювання положення регулюючих органів (лінійних та кутових), в рівнях, датчиках (наприклад, тиску) для вимірювання деформації пружного чутливого елемента. Переваги потенціометричних перетворювачів - великий вихідний сигнал, стабільність метрологічних характеристик, висока точність, незначна температурна похибка. Основний недолік – вузький частотний діапазон (кілька десятків герц).

Робота тензорезисторів полягає в зміні опору провідників і напівпровідників за її механічної деформації (тензоефект). Дротовий (або фольговий) тензорезистор є зигзагоподібним вигнутим тонким дротом діаметром 0,02...0,05 мм або стрічкою з фольги товщиною 4...12 мкм (решітка), яка наклеюється на підкладку з електроізоляційного матеріалу. До кінців грат приєднуються вивідні мідні провідники. Перетворювачі, приклеєні до деталі, сприймають деформацію її поверхневого шару.

При вимірюваннях деформацій і напруг у деталях та конструкціях, як правило, відсутня можливість градуювання вимірювальних каналів та похибка вимірювань становить 2...10 %. У разі застосування тензорезисторів у первинних вимірювальних перетворювачах похибка може бути знижена до 0.5...1% шляхом градуювання. Основний недолік тензорезисторів цього типу - малий вихідний сигнал.

Для вимірювання малих деформацій пружних чутливих елементів вимірювальних перетворювачів використовуються напівпровідникові тензорезистори, вирощені безпосередньо на пружному елементі, виконаному з кремнію або сапфіру.

При вимірюваннях динамічних деформацій із частотою до 5 кГц повинні застосовуватися дротяні або фольгові тензорезистори з базою не більше 10 мм, причому максимальна деформація для них не повинна перевищувати 0,1 % (0,02 % для напівпровідникових).

Дія п'єзоелектричних перетворювачів ґрунтується на виникненні електричних зарядів при деформації кристала (прямий п'єзоефект).

П'єзоелектричні перетворювачі забезпечують можливість вимірювання швидкозмінних величин (власна частота перетворювачів досягає 200 кГц), відрізняються високою надійністю та мають малі габаритні розміри та масу. Основний недолік - труднощі при вимірі величин, що повільно змінюються, і при проведенні статичної градуювання через витоків електрики з поверхні кристала.

Електростатичний перетворювач схематично можна подати у вигляді двох електродів (пластин) площею F, паралельно розташованих на відстані d у середовищі з діелектричною проникністю е.

Зазвичай ці перетворювачі влаштовані таким чином, що їх вихідною величиною є зміна ємності (у цьому випадку вони називаються ємнісними), а вхідними величинами можуть бути механічні переміщення, що змінюють зазор d або площу F, або зміна діелектричної проникності середовища e внаслідок зміни її температури, хімічного складу тощо.

Крім ємності, як вихідний величини електростатичних перетворювачів використовується ЕРС. що генерується при взаємному переміщенні електродів, що знаходяться в електричному полі (генераторний режим). Наприклад, у генераторному режимі працюють конденсаторні мікрофони, що перетворюють енергію акустичних коливань на електричну.

Перевагою електростатичних перетворювачів є відсутність шумів та самонагрівання. Однак з метою захисту від наведень сполучні лінії та самі перетворювачі повинні ретельно екрануватися.

У індуктивних перетворювачів вихідною величиною є зміна індуктивності, а вхідними величинами можуть бути переміщення окремих частин перетворювача, що призводять до зміни опору магнітного ланцюга, взаємоіндукції між контурами і т.д.

Перевагами перетворювачів є: лінійність характеристики, мала залежність вихідного сигналу від зовнішніх впливів, ударів та вібрацій; Висока чутливість. Недоліки - малий вихідний сигнал і необхідність в напругі живлення підвищеної частоти.

Принцип дії вібраційно-частотних перетворювачів ґрунтується на зміні частоти власних коливань струни або тонкої перемички при зміні її натягу.

Вхідною величиною перетворювача є механічне зусилля (або величини, що перетворюються на зусилля. - Тиск, крутний момент та ін). яке сприймається пружним елементом, пов'язаним із перемичкою.

Застосування вібраційно-частотних перетворювачів можливе при вимірюванні постійних або повільно змінюваних у часі величин (частота не більше 100...150 Гц). Вони відрізняються високою точністю, а частотний сигнал - підвищеною стійкістю до перешкод.

В оптоелектричних перетворювачах використовуються закономірності поширення та взаємодії з речовиною електромагнітних хвиль оптичного діапазону.

Основним елементом перетворювачів є приймачі випромінювання. Найпростіші з них - теплові перетворювачі - призначені для перетворення всієї падаючої на них енергії випромінювання в температуру (інтегральний перетворювач).

Як приймачі випромінювання використовуються також різні фотоелектричні перетворювачі, в яких використовується явище фотоефекту. Фотоелектричні перетворювачі селективними, тобто. вони мають високу чутливість у порівняно вузькому діапазоні довжин хвиль. Наприклад, зовнішній фотоефект (випускання електронів під дією світла) використовується у вакуумних та газонаповнених фотоелементах та фотомножниках.

Вакуумний фотоелемент є скляним балоном, на внутрішній поверхні якого нанесений шар фоточутливого матеріалу, що утворює катод. Анод виконується у вигляді кільця або сітки із металевого дроту. При висвітленні катода виникає струм фотоемісії. Вихідні струми цих елементів не перевищують кількох мікроамперів. У газонаповнених фотоелементах (для заповнення застосовуються інертні гази Ne, Ar, Кr, Хе) вихідний струм збільшується в 5...7 разів через іонізацію газу фотоелектронами.

У фотоумножителях посилення первинного фотоструму відбувається внаслідок вторинної електронної емісії - "вибивання" електронів із вторинних катодів (емітерів), встановлених між катодом та анодом. Загальний коефіцієнт посилення в багатокаскадних фотоумножителях може досягати сотень тисяч, а вихідний струм – 1 мА. Фотопомножувачі і вакуумні елементи можуть використовуватися при вимірюваннях величин, що швидко змінюються, так як явище фотоемісії практично безінерційно.

Вимірювання тисків

Для вимірювання повного або статичного тиску потік перешкодять спеціальні приймачі з прийомними отворами, які трубками невеликого діаметру (пневмомагістралями) з'єднуються з відповідними первинними перетворювачами або вимірювальними приладами.

Найпростішим приймачем повного тиску є циліндрична трубка з перпендикулярно зрізаним торцем, вигнута під прямим кутом та орієнтована назустріч потоку. Для зменшення чутливості приймача до напрямку потоку (наприклад, при вимірюваннях потоків з невеликою закруткою) застосовуються спеціальні конструкції приймачів. Наприклад, приймачі повного тиску з протокою (рис. 3.3) характеризуються похибкою вимірювання не більше 1% при кутах скосу до 45° при М<0,8.

При вимірі статичних тисків поблизу стін каналів приймальні отвори діаметром 0,5...1 мм виконуються безпосередньо в стінках (дренажні отвори). У місці дренажу не повинно бути нерівностей, а кромки отворів не повинні мати задирки. Цей вид вимірювань дуже поширений при дослідженні течій у трубах і каналах камер згоряння, дифузорах і соплах.

Мал. 3.3. Схема приймача повного тиску:

Мал. 3.4. Схема приймача статичного тиску:

а - клиноподібний;

б – дисковий;

- Г-подібний для вимірювань при М£1,5

Для вимірювань статичних тисків у потоці застосовуються клиноподібні та дискові приймачі, а також приймачі у вигляді трубок Г-подібної форми (рис. 3.4) з отворами приймання, розташованими на бічній поверхні. Зазначені приймачі добре працюють при дозвукових та невеликих надзвукових швидкостях.

Для дослідження розподілу тисків у поперечних перерізах каналів набули поширення гребінки повного та статичного тисків, що містять кілька приймачів, або комбіновані гребінки, що мають приймач як повного, так і статичного тиску. При вимірюваннях у потоках зі складною структурою течії (камери згоряння, міжлопаткові канали турбомашин) застосовуються орієнтовані та неорієнтовані приймачі тиску, що дозволяють визначити значення повного та статичного тисків та напрямок вектора швидкості. Перші з них призначені для вимірювань у двовимірних потоках, та їх конструкція дозволяє шляхом повороту встановлювати приймач у певному положенні щодо вектора місцевої швидкості потоку.

Неорієнтовані приймачі забезпечені кількома приймальними отворами (5...7), які виконані в стінках циліндра або сфери невеликого діаметру (3...10 мм) або розташовуються в кінцях зрізаних під певними кутами трубок (діаметр 0,5...2 мм) ), об'єднаних у єдиний конструктивний вузол (рис. 3.5). При обтіканні приймача потоком навколо нього формується певний розподіл тиску. Використовуючи вимірювані за допомогою приймальних отворів значення тисків та результати попередньої градуювання приймача в аеродинамічній трубі, можна визначити значення повного та статичного тиску та місцевий напрямок швидкості потоку.

При надзвукових швидкостях течій перед приймачами тисків виникають стрибки ущільнення, і це необхідно враховувати під час обробки результатів вимірів. Наприклад, за виміряними значеннями статичного тиску в потоці р і повного за прямим стрибком ущільнення р * можна визначити за допомогою формули Релея число М, а потім і значення повного тиску в потоці:

При випробуваннях двигунів та їх елементів для вимірювання тисків застосовуються різні прилади (стрілочні деформаційні, рідинні, групові манометри, що реєструють), що дозволяють оператору контролювати режими роботи експериментальних об'єктів. В інформаційно-вимірювальних системах використовуються різноманітні первинні перетворювачі. Як правило, тиск, точніше різниця тисків (наприклад, між вимірюваним та атмосферним, між повним і статичним тощо), впливає на пружний чутливий елемент (мембрану), деформація якого перетворюється на електричний сигнал. Найчастіше для цього застосовуються індуктивні та тензочутливі перетворювачі при вимірюванні постійних та повільно змінюваних тисків та п'єзокристалічні та індуктивні перетворювачі при вимірюванні змінних тисків.

Мал. 3.5. Схема п'ятиканального приймача тисків:

З x, З, З - складові вектора швидкості; р i - вимірювані значення тиску

Як приклад на рис. 3.6 представлена ​​схема перетворювача "Сапфір-22ДД". Перетворювачі цього випускаються у кількох модифікаціях, призначених для вимірювання надлишкового тиску, різниці тисків, вакууму, абсолютного тиску, надлишкового тиску і вакууму в різних діапазонах. Пружний чутливий елемент є металевою мембраною 2, до якої зверху припаяна сапфірова мембрана з напиленими кремнієвими тензорезисторами. Вимірювана різниця тисків впливає на блок, що складається з двох діафрагм 5. При зміщенні їхнього центру зусилля за допомогою тяги 4 передається на важіль 3, що призводить до деформації мембрани 2 з тензорезисторами. Електричний сигнал від тензорезисторів надходить в електронний блок 4, де перетворюється на уніфікований сигнал - постійний струм 0...5 або 0...20 мА. Електричне живлення перетворювача здійснюється від джерела постійного струму напругою 36 ст.

При вимірюваннях змінних (наприклад, пульсуючих) тисків доцільно максимальне наближення первинного перетворювача до місця вимірювання, оскільки наявність пневмомагістралі вносить суттєві зміни до амплітудно-частотної характеристики системи вимірювань. Граничним у цьому сенсі є бездренажний метод, при якому мініатюрні перетворювачі тиску кріпляться врівень з поверхнею, що обтікає потоком (стінкою каналу, лопаткою компресора і т.д.). Відомі перетворювачі, що мають висоту 1,6 мм та діаметр мембрани 5 мм. Використовуються також системи з приймачами тиску та хвилеводами (l~100 мм) (метод винесених приймачів тиску), у яких для покращення динамічних

Характеристиків використовуються коригувальні акустичні та електричні ланки.

При великій кількості точок вимірювання у вимірювальних системах можуть застосовуватися спеціальні швидкодіючі пневмокомутатори, які забезпечують почергове підключення одного перетворювача декількох десятків точок вимірювання.

Для забезпечення високої точності необхідно у робочих умовах періодично контролювати засоби вимірювання тиску за допомогою автоматичних задатчиків.

Вимірювання температур

Для вимірювання температур застосовують різноманітні засоби вимірювань. Термоелектричний термометр (термопара) є два провідники з різних матеріалів, з'єднані (зварені або спаяні) між собою кінцями (спаї). Якщо температури спаїв будуть різні, то в ланцюзі потече струм під дією термоелектрорушійної сили, значення якої залежить від матеріалу провідників та від температур спаїв. При вимірах, як правило, один із спаїв термостатується (для цього застосовується лід, що тане). Тоді ЕРС термопари буде однозначно пов'язана з температурою гарячого спаю.

У термоелектричний контур можна включити провідники різнорідні. При цьому результуюча ЕРС не зміниться, якщо всі місця з'єднання будуть при однаковій температурі. На цій властивості засновано застосування так званих подовжувальних проводів (рис. 3.7), які приєднуються до термоелектродів обмеженої довжини, і таким Таким чином досягається економія дорогих матеріалів. При цьому необхідно забезпечити рівність температур у місцях приєднання подовжувальних проводів (Т с) і термоелектричну ідентичність їх основний термопарі в діапазоні можливої ​​зміни температур Т с і Т 0 (зазвичай не більше 0...200°С). При практичному використанні термопар можливі випадки, коли температура Т 0 відмінна від 0°С. Тоді для врахування цієї обставини ЕРС термопари слід визначити як E=Е ізм +DE(T 0) і за градуювальною залежністю знайти значення температури. Тут Е ізм - Виміряне значення ЕРС; DE(T 0) – значення ЕРС, що відповідає величині T 0 і визначене за градуювальною залежністю. Градуювальні залежності для термопар отримують при температурі «холодних» спаїв Т 0 рівної 0°С. Ці залежності дещо відрізняються від лінійних. Як приклад на рис. 3.8 наведено градуювальну залежність для термопари платинородій-платина.

Деякі характеристики найбільш поширених термопар наведено в табл. 3.1.

Насправді найбільш поширені термопари з діаметром електродів 0,2...0,5 мм. Електроізоляція електродів досягається шляхом обмотки їх азбестовою або кремнеземною ниткою наступним просоченням термостійким лаком, поміщенням термоелектродів у керамічні трубки або нанизуванням на них шматочків цих трубок («буси»). Набули поширення термопари кабельного типу, що являють собою два термоелектроди, поміщені в тонкостінну оболонку, виготовлену з жароміцної сталі. Для ізоляції термоелектродів внутрішня порожнина оболонки набивається порошком MgO або Al 2 Про 3 . Зовнішній діаметр оболонки – 0,5...6 мм.

Таблиця 3.1

Для правильного вимірювання температури конструктивних елементів термопари повинні закладатися таким чином, щоб гарячий спай і термоелектроди поблизу нього не виступали над поверхнею і умови тепловіддачі від термометрируемой поверхні не порушувалися через встановлення термопари. Для зменшення похибки вимірювань внаслідок відтоку (або припливу) тепла від гарячого спаю термоелектродами за рахунок теплопровідності термоелектроди на деякій відстані поблизу спаю (7...10 мм) повинні прокладатися приблизно по ізотермах. Схема закладення термопари, що задовольняє зазначеним вимогам, наведено на рис. 3.9. У деталі виконана канавка глибиною 0,7 мм, в яку укладаються спай та прилеглі до нього термоелектроди; спай приварюється до поверхні контактним зварюванням; канавка закривається фольгою завтовшки 0,2...0,3 мм.

Виведення термоелектродів із внутрішніх порожнин двигуна чи його вузлів здійснюється через штуцера. При цьому необхідно стежити за тим, щоб термоелектроди не надто порушували структуру течії і не ушкоджувалася їх ізоляція через тертя один про одного і про гострі кромки конструкції.

При вимірі температур елементів показання, що обертаються, термопар виводяться за допомогою щіткових або ртутних струмознімачів. Розробляються також безконтактні струмознімач.

Схеми термопар, які застосовуються для вимірювання температури потоку газу, наведено на рис. 3.10. Гарячий спай 1 являє собою сферу діаметром d 0 (термоелектроди можуть зварюватися встик); термоелектроди 2 поблизу спаю закріплюються в ізолюючій двоканальній керамічній трубці 3, а потім виводяться з корпусу 4. На малюнку корпус 4 показаний водоохолоджуваним (охолодження необхідно при вимірюваннях температур, що перевищують 1300...1500 К), підведення і відведення охолоджуючої води .

При високих значеннях температури газу виникають методичні похибки, зумовлені відведенням тепла від спаю внаслідок теплопровідності термоелектродами до корпусу термопари і випромінюванням в навколишнє середовище. Втрати тепла через теплопровідність практично повністю можна усунути, забезпечивши виліт ізолюючої трубки, що дорівнює 3...5 її діаметрам.

Для зменшення відведення тепла випромінюванням застосовується екранування термопар (рис. 3.10, б, в). Цим забезпечується також захист спаю від пошкоджень, а гальмування потоку всередині екрану сприяє підвищенню коефіцієнта відновлення температури при вимірах високошвидкісних потоках.

Розроблено також метод визначення температури газу за показаннями двох термопар, що мають термоелектроди різного

Мал. 3.9. Схема закладення термопари при вимірюванні температури елементів камер згоряння

Мал. 3.10. Схеми термопар для вимірювання температури газу:

а - термопара з відкритим спаєм: б, - екрановані термопари; г - двоспайна термопара; 1 - спай: 2 - термоелектроди; 3 – керамічна трубка; 4 – корпус; 5 - штуцера для підведення та відведення води

діаметра (рис. 3.10, г), що дозволяє врахувати відведення тепла випромінюванням.

Від конструктивного виконання залежить інерційність термопар. Так, постійна часу змінюється від 1...2 с для термопар з відкритим спаєм, до 3...5 с для екранованих термопар.

При дослідженні полів температур (наприклад, за турбіною, камерою згоряння і т.д.) застосовуються гребінки термопар, причому в ряді випадків вони встановлюються в турелях, що обертаються, що дозволяє досить докладно визначати розподіл температур у всьому поперечному перерізі.

Дія термометра опору ґрунтується на зміні опору провідника при зміні температури. Як електроопір застосовується дріт діаметром 0,05...0,1 мм, виконаний з міді (t=-50...+150°С), нікелю (t=-50...200°С) або платини ( t = -200 ... 500 ° С).

Дріт намотується на каркас і поміщається у чохол. Термометри опору мають високу точність і надійність, проте вони характеризуються великою інерційністю і не придатні для вимірювання локальних температур. Термометри опору застосовуються для вимірювання температури повітря на вході в двигун, температур палив, масел і т.д.

У рідинних термометрах використовують властивість теплового розширення рідини. Як робочі рідини застосовуються ртуть (t=-30...+700°C), спирт (t=-100...+75°C) та ін. Рідинні термометри використовуються при вимірюваннях температури рідких та газоподібних середовищ у лабораторних умовах , а також під час градуювання інших приладів.

Оптичні методи вимірювання температури ґрунтуються на закономірностях теплового випромінювання нагрітих тіл. На практиці можуть бути реалізовані три типи пірометрів: пірометри яскравості, робота яких заснована на зміні теплового випромінювання тіла з температурою при певній фіксованій довжині хвиль; колірні пірометри, що використовують зміну з температурою розподілу енергії в межах деякої ділянки спектра випромінювання; радіаційні пірометри, засновані на залежності від температури загальної кількості енергії, що випромінюється тілом.

В даний час при випробуваннях двигунів для вимірювань температур елементів конструкції знайшли застосування пірометри яскравості, створені на базі фотоелектричних приймачів променистої енергії. Як приклад схема встановлення пірометра при термометруванні лопаток турбіни на працюючому двигуні представлена ​​на рис. 32.11. За допомогою лінзи 2 «поле зору» первинного перетворювача обмежена невеликою (5...6 мм) ділянкою. Пірометр «оглядає» край і частину спинки кожної лопатки. Захисне скло 1, виконане із сапфіру, оберігає лінзу від забруднення та перегріву. Сигнал світловода 3 передається до фотодетектора. Завдяки малій інерційності пірометр дозволяє контролювати температуру кожної лопатки.

Для вимірювання температур конструктивних елементів двигуна можуть застосовуватися колірні індикатори температури (термофарби або термолаки) - складні речовини, які при досягненні певної температури (температура переходу) різко змінюють свій колір через хімічну взаємодію компонентів або фазових переходів, що відбуваються в них.

Мал. 3.11. Схема встановлення пірометра на двигуні:

(а) (1 - підведення обдувного повітря; 2 - первинний перетворювач) та схема первинного перетворювача

(б) (1 - захисне скло; 2 - лінза; 3 - світловод)

Термофарби і термолаки, будучи нанесеними на тверду поверхню, після висихання тверднуть і утворюють тонку плівку, здатну змінювати свій колір при температурі переходу. Наприклад, термофарба ТП-560 білого кольору при досягненні t=560 ° С стає безбарвною.

За допомогою термоіндикаторів можна виявити зони перегріву в елементах двигуна, у тому числі у важкодоступних місцях. Трудомісткість вимірів невелика. Однак їх застосування обмежене, тому що не завжди можна встановити, на якому режимі досягнуто максимальної температури. Крім того, фарбування термоіндикатора залежить від часу дії температури. Тому термоіндикатори, як правило, не можуть замінити інших методів вимірювання (наприклад, за допомогою термопар), але дозволяють отримати додаткову інформацію про тепловий стан об'єкта, що досліджується.

Робота вимірювальних перетворювачів протікає у складних умовах, оскільки об'єкт виміру - це, зазвичай, складний, багатогранний процес, характеризується безліччю параметрів, кожен із яких діє вимірювальний перетворювач разом із іншими параметрами. Нас цікавить лише один параметр, який називається вимірюваною величиною,а всі інші параметри процесу вважаються перешкодами.Тому у кожного вимірювального перетворювача встановлюється його природна вхідна величина,яка найкраще сприймається ним на тлі перешкод. Подібним чином можна виділити природну вихідну величинувимірювального перетворювача.

Перетворювачі неелектричних величин в електричні з точки зору виду сигналу на його виході можуть бути поділені на генераторні, що видають заряд, напругу або струм (вихідна величина Е = F (X) або I = F (X) і внутрішній опір ZBH = const), і параметричні з вихідним опором, індуктивністю або ємністю, що змінюються відповідно до зміни вхідної величини (ЕРС Е = 0 і вихідна величина у вигляді зміни R, L або С функції X).

Відмінність між генераторними та параметричними перетворювачами обумовлена ​​їх еквівалентними електричними схемами, що відображають фундаментальні відмінності в природі фізичних явищ, що використовуються в перетворювачах. Генераторний перетворювач є джерелом безпосередньо видається електричного сигналу, а вимірювання змін параметрів параметричного перетворювача проводиться побічно, зміни струму або напруги в результаті його обов'язкового включення в схему із зовнішнім джерелом живлення. Електрична схема безпосередньо пов'язана з параметричним перетворювачем формує його сигнал. Таким чином, сукупність параметричного перетворювача та електричної схеми є джерелом електричного сигналу.

За фізичним явищем, покладеним в основу роботи, та типом вхідної фізичної величини генераторні та параметричні перетворювачі діляться на ряд різновидів (рисунок 2.3):

Генераторні - на п'єзоелектричні,

Термоелектричні тощо;

резистивні - на контактні,

Реостатні і т. д.;

Електромагнітні – на індуктивні,

Трансформаторні та ін.

За видом модуляції всі ІП діляться на великі групи: амплітудні і частотні, тимчасові, фазові. Останні три різновиди мають багато спільного і тому об'єднані в одну групу.

Мал. 2.3. Класифікація вимірювальних перетворювачів неелектричних величин електричні.

2. За характером перетворення вхідні величини:

Лінійні;

Нелінійні.

3. За принципом дії первинного вимірювального перетворювача (ПІП) поділяються на:

Генераторні;

Параметричні.

Вихідним сигналом генераторних ПІП є ЕРС, напруга, струм і електричний заряд, функціонально пов'язані з вимірюваною величиною, наприклад, ЕРС термопари.

У параметричних ПІП вимірювана величина викликає пропорційну зміну параметрів електричної ланцюга: R, L, C.

До генераторних відносяться:

індукційні;

П'єзоелектричні;

Деякі різновиди електрохімічних.

резистивні ІП - Перетворять вимірювану величину в опір.

Електромагнітні ІП – перетворюють на зміну індуктивності або взаємоіндукцію.

Ємнісні ІП - Перетворять на зміну ємності.

П'єзоелектричні ІП – перетворюють динамічне зусилля на електричний заряд.

Гальваномагнітні ІП - засновані на ефекті Холла перетворять магнітне поле, що діє, в ЕРС.

Теплові ІП - вимірювану температуру перетворюють на величину термоопору або ЕРС.

Оптоелектронні ІП – перетворюють оптичні сигнали на електричні.

Для датчиків основними характеристиками є:

Діапазон робочих температур та похибка в цьому діапазоні;

Узагальнені вхідні та вихідні опори;

Частотна характеристика.

У промисловому застосуванні похибка датчиків, що використовуються в процесах регулювання, має бути не більше ніж 1–2%. Для завдань контролю – 2 – 3%.

2.1.3. Схеми включення первинних вимірювальних перетворювачів

Первинні вимірювальні перетворювачі бувають:

Параметричні;

Генераторні.

Схеми включення параметричних первинних вимірювальних перетворювачів поділяють на:

Послідовне включення:

Диференційне включення:

З одним первинним вимірювальним перетворювачем;

З двома первинними вимірювальними перетворювачем;

Мостові схеми включення:

Симетричний неврівноважений міст із одним активним плечем;

Симетричний неврівноважений міст із двома активними плечима;

Симетричний неврівноважений міст із чотирма активними плечима.

Схеми включення генераторних вимірювальних перетворювачів поділяються на:

Послідовні;

Диференціальні;

Компенсаційні.

Генераторні не потребують джерела енергії, а параметричні потребують. Дуже часто генераторні можна як джерело ЕРС, а параметричні можна як активний чи реактивний резистор, опір якого змінюється зі зміною вимірюваної величини.

Послідовне та диференціальне включення може застосовуватися як до параметричних, так і до генераторних ІП. Компенсаційна схема – до генераторних. Мостова – до параметричних.

2.1.3.1. Схеми послідовного включення параметричних вимірювальних перетворювачів

Послідовне включення одного параметричного вимірювального перетворювача (рис.2.4):

Мал. 2.4. Послідовне включення одного параметричного ІП.

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

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

https://pandia.ru/text/80/219/images/image016_83.gif" - чутливість по струму;

- чутливість до напруги;

Чутливість за потужністю;

Мал. 2.5. Вихідні характеристики послідовно включеного ІП:

а – реальна; б – ідеальна.

Послідовне включення двох параметричних вимірювальних перетворювачів (рис.2.6).

Рис.2.6. Послідовне включення двох параметричних ІП.

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

Електровимірювальні прилади набули широкого застосування для вимірювань неелектричних величин. Це стало можливим завдяки використанню спеціальних перетворювачів (Пр).

Вихідні сигнали таких перетворювачів передаються як параметрів ланцюга або ЕРС (заряду), пов'язаної функціональної залежністю з вхідним сигналом. Перші називаються параметричними, другі – генераторними.

З параметричних перетворювачів найбільшого поширення набули реостатні, тензочутливі, термочутливі, електролітичні, іонізаційні, індуктивні та ємнісні пристрої.

Реостатні перетворювачіявляють собою ізольований кістяк, на який намотаний провідник і щітка, що переміщається вздовж витків. Їх вихідним параметром є опір ланцюга.

Вимірюваною величиною Пр може бути переміщення щітки по прямій або колу. Удосконаливши сприймаючу систему, Пр можна застосовувати для визначення тиску або маси, під дією яких переміщатиметься повзунок.

Для обмотки реостату застосовують матеріали, опір яких мало залежить від зовнішніх факторів (температура, тиск, вологість тощо). Такими матеріалами можуть бути ніхром, фехраль, константан чи манганін. Змінюючи форму і перетин кістяка (відповідно змінюється і довжина одного витка) можна домогтися нелінійної залежності опору ланцюга від переміщення повзунка.

Перевагою реостатних перетворювачів можна назвати простоту їхньої конструкції. Однак неможливо точно визначити переміщення, якщо вихідний опір при цьому змінюється в межах одного витка. Це є головним недоліком таких Пр, і характеризує їхню похибку.

Тензочутливі перетворювачі (ТЧПр). Робота їх полягає в зміні активного опору провідника під впливом тиску чи механічної деформації. Таке явище називається тензоефектом.

Вхідним сигналом для ТЧПр може бути розтягування, стиск або інший вид деформації деталей обладнання, металевих конструкцій, вихідним сигналом служить зміна опору перетворювача.

Тензочутливі Пр є тонкою підкладкою, виконаною з паперу або плівки і наклеєною на неї дріт, дуже малого перерізу. Як сприймає елемент зазвичай використовують константановий дріт, що має незалежний від температури опір, діаметром 0,02-0,05 мм. Також застосовують фольгові ТЧПр та плівкові тензорезистори.

ТЧ перетворювач наклеюють на вимірювану деталь таким чином, щоб вісь лінійного розширення деталі збігалася з поздовжньою віссю ТЧП. При розширенні об'єкта, що вимірювається, збільшується довжина ТЧП, відповідно його опір змінюється.

Перевагою таких приладів є лінійність, простота конструкції та установки. До недоліків можна віднести низьку чутливість.

Термочутливі перетворювачі (ТРПр). Як основні елементи таких пристроїв застосовують терморезистори, термодіоди, термотранзистори і т. п. Термоелемент включається в електричний ланцюг, таким чином, що через нього проходить струм ланцюга, і впливає температура вимірюваного елемента.

З їх допомогою можуть бути виміряні температура, в'язкість, теплопровідність, швидкість руху та інші параметри середовища, в якому знаходиться елемент.

Для вимірювань у діапазоні температур -260°C до +1100°C застосовують платинові терморезистори, у діапазоні -200°C до +200°C – мідні. У діапазоні температур -80°C до +150°C, коли потрібна особлива точність, застосовують термодіоди та термотранзистори.

ТРПр за режимом роботи поділяють на перегрівні та без попереднього нагріву. Прилади без попереднього нагріву застосовують тільки для вимірювання температури середовища, оскільки струм, що протікає в них, не впливає на їх нагрівання. По опору елемента досить точно визначають температуру середовища.

Режим роботи іншого виду термоперетворювачів пов'язаний з попереднім розігрівом до заданої величини. Потім їх поміщають у середовище, що вимірюється, і стежать за зміною його опору.

За швидкістю зміни опору можна судити наскільки інтенсивно відбувається охолодження чи нагрівання, отже можна визначити швидкість руху вимірюваної речовини, його в'язкість та інші параметри.

Напівпровідникові ТРПр більш чутливі ніж терморезистори, тому їх застосовують у галузі точних вимірів. Однак їх суттєвим недоліком є ​​вузький температурний діапазон і погана відтворюваність статичної характеристики пристрою.

Електролітичні перетворювачі (ЕЛП). Застосовують визначення концентрації розчинів, оскільки електрична провідність розчинів істотно залежить від рівня концентрації солей у яких.

ЕЛП є посудиною з двома електродами. До електродів подається напруга, таким чином електричний ланцюг замикається через шар електроліту. Такі перетворювачі застосовують на змінному струмі, так як під дією постійного струму, електроліт дисоціює на позитивні та негативні іони, що вносить похибку до вимірювання.

Ще одним недоліком ЕЛП модно назвати залежність провідності електроліту від температури, що змушує підтримувати постійну температуру за допомогою холодильних або нагрівальних установок.

Індуктивні та ємнісні перетворювачі. Як випливає з назви, вихідними параметрами таких пристроїв є індуктивність та ємність. Вимірюваною величиною простих індуктивних Пр може бути переміщення від 10 до 15 мм, для трансформаторних індуктивних Пр з незамкнутою системою це значення може бути збільшено до 100 мм. Ємнісні Пр застосовують для вимірювання переміщень близько 1 мм.

Індуктивні Пр є дві котушки індуктивності, розміщені на незамкнутому сердечнику. На взаємну індуктивність котушок впливають такі параметри як: довжина повітряного зазору незамкнутої ділянки, площа поперечного перерізу повітряного зазору магнітна проникність повітряного зазору.

Таким чином, вимірюванням взаємної індуктивності котушок можна визначити наскільки змінилися наведені вище параметри. А вони можуть змінитися при переміщенні в повітряному проміжку пластини діелектрика. На цьому ґрунтується принцип роботи індуктивних Пр.

Принцип роботи ємнісних Пр заснований на зміні ємності конденсатора при зменшенні активної площі обкладок, зміні відстані між обкладками конденсатора та зміні проникності діелектричної міжобкладного простору.

Ємнісні перетворювачі мають більшу чутливість до зміни вхідних параметрів. Ємнісний Пр може зафіксувати зміну ємності навіть при переміщенні на тисячні частки міліметра.

Іонізаційні перетворювачі. Принцип роботи приладу заснований на явищі іонізації газу та інших середовищ під впливом іонізуючих випромінювань, як яких можуть застосовуватися іонізуючі α-, β- та γ-випромінювання радіоактивних речовин, або рентгенівські випромінювання.

Якщо камеру з газом випромінювати, то через електроди потече електричний струм. Величина цього струму залежатиме від складу газу, розмірів електродів, відстані між електродами та прикладеної напруги.

Вимірюючи електричний струм у ланцюгу, при відомому складі середовища, відстані між електродами, прикладеному напрузі модно визначити розмір електродів, або навпаки інші параметри. Їх застосовують для вимірювання розмірів деталей, або складів газу та ін.

Основною перевагою іонізуючих Пр є можливість безконтактного вимірювання в агресивних середовищах під підвищеним тиском або температурою. Недоліком таких Пр є необхідність біологічного захисту персоналу від випромінювання.

Термометри опору.Термометри опору, як і термопари, призначені для вимірювання температури газоподібних, твердих і рідких тіл, а також температури поверхні. Принцип дії термометрів ґрунтується на використанні властивості металів та напівпровідників змінювати свій електричний опір з температурою. Для провідників із чистих металів ця залежність у сфері температур від –200 °С до 0 °С має вигляд:

R t = R 0

а в області температур від 0 до 630 °С

R t = R 0

де R t , R 0 -опір провідника за температури tта 0 °С; А, В, С -коефіцієнти; t -температура, °З.

У діапазоні температур від 0 до 180 °С залежність опору провідника від температури описується наближеною формулою

R t = R 0

де α - Температурний коефіцієнт опору матеріалу провідника (ТКС).

Для провідників із чистого металу α≈ 6-10-3...4-10-3 град-1.

Вимір температури термометром опору зводиться до вимірювання його опору R t ,наступним переходом до температури за формулами або градуювальним таблицям.

Розрізняють дротяні та напівпровідникові термометри опору. Дротовий термометр опору є тонким дротом із чистого металу, закріпленим на каркасі з температуростійкого матеріалу (чутливий елемент), поміщеним у захисну арматуру (рис. 5.4).

Мал. 5.4. Чутливий елемент термометра опору

Висновки від чутливого елемента підведено до голівки термометра. Вибір для виготовлення термометрів опору дротів із чистих металів, а не сплавів, обумовлений тим, що ТКС чистих металів більше, ніж ТКС сплавів і, отже, термометри на основі чистих металів мають більшу чутливість.

Промисловістю випускаються платинові, нікелеві та мідні термометри опору. Для забезпечення взаємозамінності та єдиного градуювання термометрів стандартизовано величини їх опору R 0та ТКС.

Напівпровідникові термометри опору (термістори) є намистинками, дисками або стрижнями з напівпровідникового матеріалу з висновками для підключення в вимірювальний ланцюг.

Промисловість серійно випускає багато типів термісторів у різному конструктивному оформленні.

Розміри термісторів, як правило, малі - близько кількох міліметрів, а окремі типи десятих часток міліметра. Для запобігання механічним пошкодженням та впливу середовища термістори захищаються покриттями зі скла або емалі, а також металевими чохлами.

Термістори зазвичай мають опір від одиниць до сотень кілоом; їх ТКС у робочому діапазоні температур на порядок більше, ніж у дротяних термометрів. Як матеріали для робочого тіла термісторів використовують суміші оксидів нікелю, марганцю, міді, кобальту, які змішують зі сполучною речовиною, надають йому необхідну форму і спікають при високій температурі. Термінстори застосовують для вимірювання температур в діапазоні від -100 до 300°С. Інерційність термісторів порівняно невелика. До їхніх недоліків слід віднести нелінійність температурної залежності опору, відсутність взаємозамінності через великий розкид номінального опору і ТКС, а також незворотне зміна опору в часі.

Для вимірювання в області температур, близьких до абсолютного нуля, застосовуються напівпровідникові германієві термометри.

Вимірювання електричного опору термометрів здійснюється за допомогою мостів постійного та змінного струму або компенсаторів. Особливістю термометричних вимірювань є обмеження вимірювального струму для того, щоб виключити розігрів робочого тіла термометра. Для дротяних термометрів опору рекомендується вибрати такий вимірювальний струм, щоб потужність, що розсіюється термометром, не перевищувала 20...50 мВт. Допустима потужність, що розсіюється, в термісторах значно менша і її рекомендується визначати експериментально для кожного термістора.

Тензочутливі перетворювачі (тензорезистори).У конструкторській практиці часто необхідні вимірювання механічних напруг та деформацій в елементах конструкцій. Найбільш поширеними перетворювачами цих величин електричний сигнал є тензорезистори. В основі роботи тензорезисторів лежить властивість металів та напівпровідників змінювати свій електричний опір під дією прикладених до них сил. Найпростішим тензорезистором може бути відрізок дроту, жорстко зчеплений з поверхнею деталі, що деформується. Розтягування або стискування деталі викликає пропорційне розтягування або стиснення дроту, внаслідок чого змінюється його електричний опір. У межах пружних деформацій відносна зміна опору дроту пов'язана з її відносним подовженням співвідношенням

ΔR/R=K Τ Δl/l,

де l, R -початкові довжина та опір дроту; Δl, ΔR -збільшення довжини та опору; K Τ -коефіцієнт тензочутливості.

Величина коефіцієнта тензочутливості залежить від властивостей матеріалу, з якого виготовлений тензорезистор, а також способу кріплення тензорезистора до виробу. Для металевих дротів із різних металів K Τ= 1... 3,5.

Розрізняють дротяні та напівпровідникові тензорезистори. Для виготовлення дротяних тензорезисторів застосовуються матеріали, що мають досить високий коефіцієнт тензочутливості та малий температурний коефіцієнт опору. Найбільш уживаним матеріалом для виготовлення дротяних тензорезисторів є константанова дріт діаметром 20...30 мкм.

Конструктивно, дротяні тензорезистори є решіткою, що складається з декількох петель дроту, наклеєних на тонку паперову (або іншу) підкладку (рис. 5.5). Залежно від матеріалу підкладки, тензорезистори можуть працювати при температурах від -40 до +400 °С.

Мал. 5.5. Тензометр

Існують конструкції тензорезисторів, що прикріплюються до поверхні деталей за допомогою цементів, здатні працювати при температурі до 800 °С.

Основними характеристиками тензорезисторів є номінальний опір R,база lта коефіцієнт тензочутливості K Τ.Промисловістю випускається широкий асортимент тензорезисторів із величиною бази від 5 до 30мм. , номінальними опорами від 50 до 2000 Ом, з коефіцієнтом тензочутливості 2±0,2.

Подальшим розвитком дротяних тензорезисторів є фольгові та плівкові тензорезистори, чутливим елементом яких є грати зі смужок фольги або найтонша металева плівка, що наносяться на підкладки на лаковій основі.

Тензорезистори виконуються на основі напівпровідникових матеріалів. Найбільш сильно тензоефект виражений у германію, кремнію та ін Основною відмінністю напівпровідникових тензорезисторів від дротяних є велика (до 50%) зміна опору при деформації завдяки великій величині коефіцієнта тензочутливості.

Індуктивні перетворювачі.Індуктивні перетворювачі застосовуються для вимірювання переміщень, розмірів, відхилень форми та розташування поверхонь. Перетворювач складається з нерухомої котушки індуктивності з магнітопроводом і якоря, що також є частиною магнітопроводу, що переміщається щодо котушки індуктивності. Для отримання можливо більшої індуктивності магнітопровід котушки та якір виконуються з феромагнітних матеріалів. При переміщенні якоря (пов'язаного, наприклад, зі щупом вимірювального пристрою) змінюється індуктивність котушки і, отже, змінюється струм, що протікає в обмотці. На рис. 5.6 наведено схеми індуктивних перетворювачів із змінним повітряним зазором d (рис. 5.6 а) застосовуваних вимірювання переміщення не більше 0,01…10 мм; із змінною площею повітряного зазору S δ (рис. 5.6 б), що застосовуються в діапазоні 5...20 мм.

Мал. 5.6. Індуктивні перетворювачі переміщень

5.2. Операційні підсилювачі

p align="justify"> Операційний підсилювач (ОУ) - це диференціальний підсилювач постійного струму з дуже великим коефіцієнтом посилення. Для підсилювача напруги передатна функція (коефіцієнт посилення) визначається виразом

Для спрощення конструкторських розрахунків передбачається, що ідеальний ОУ має такі характеристики.

1. Коефіцієнт посилення при розімкнутій петлі зворотного зв'язку дорівнює нескінченності.

2. Вхідний опір R d дорівнює нескінченності.

3. Вихідний опір R0 = 0.

4. Ширина смуги пропускання дорівнює нескінченності.

5. V 0 = 0 при V 1 = V 2 (відсутня напруга усунення нуля).

Остання характеристика є дуже важливою. Оскільки V 1 -V 2 = V 0 / А, то якщо V 0 має кінцеве значення, а коефіцієнт А нескінченно великий (типове значення 100000) матимемо

V 1 - V 2 = 0 і V 1 = V 2.

Оскільки вхідний опір для диференціального сигналу (V1 - V2)

також дуже велике, можна знехтувати струмом через R d .Ці два припущення істотно спрощують розробку схем на ОУ.

Правило1.Працюючи ОУ в лінійній області двох його входах діють однакові напруги.

Правило2.Вхідні струми для обох входів ОУ дорівнюють нулю.

Розглянемо базові схемні блоки ОУ. У більшості цих схем ОУ використовується у конфігурації із замкнутою петлею зворотного зв'язку.

5.2.1. Підсилювач з одиничним коефіцієнтом посилення

(повторювач напруги)

Якщо в підсилювачі, що не інвертує, покласти R i рівним нескінченності, а R f рівним нулю, то ми прийдемо до схеми, зображеної на рис. 5.7.

Згідно з правилом 1, на вході, що інвертує, ОУ теж діє вхідна напруга V i , яке безпосередньо передається на вихід схеми. Отже, V 0 = V i і вихідна напруга відстежує (повторює) вхідну напругу. Багато аналого-цифрових перетворювачів вхідний опір залежить від значення аналогічного вхідного сигналу. За допомогою повторювача напруги забезпечується сталість вхідного опору.

5.2.2. Суматори

Підсилювач, що інвертує, може підсумовувати кілька вхідних напруг. Кожен вхід суматора з'єднується з входом, що інвертує ОУ через зважуючий резистор. Інвертуючий вхід називається підсумовуючим вузлом, оскільки тут підсумовуються всі вхідні струми та струм зворотного зв'язку. Базова принципова схема підсумовувача, що підсумовує, представлена ​​на рис. 5.8.

Як і в звичайному інвертуючому підсилювачі, напруга на вході, що інвертує, повинна дорівнювати нулю, отже, дорівнює нулю і струм, що втікає в ОУ. Таким чином,

i f = i 1 + i 2 +. . . + i n

Так як на вході, що інвертує, діє нульова напруга, то після відповідних підстановок, отримуємо

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

Резистор R f визначає загальне посилення схеми. Опір R 1, R 2, . . . R n задають значення вагових коефіцієнтів і вхідних опорів відповідних каналів.

5.2.3. Інтегратори

Інтегратор - це електронна схема, яка виробляє вихідний сигнал, пропорційний інтегралу (за часом) від вхідного сигналу.

На рис. 5.9 показана принципова схема простого аналогового інтегратора. Один висновок інтегратора приєднаний до підсумовує вузлу, а інший – до виходу інтегратора. Отже, напруга на конденсоторі одночасно є вихідною напругою. Вихідний сигнал інтегратора не вдається описати простою залежністю алгебри, оскільки при фіксованій вхідній напругі вихідна напруга змінюється зі швидкістю, що визначається параметрами V i ,R і C. Таким чином, для того, щоб знайти вихідну напругу, потрібно знати тривалість дії вхідного сигналу. Напруга на спочатку розрядженому конденсаторі

де if – через конденсатор і t i - час інтегрування. Для позитивного

Vi маємо i i = V i / R. Оскільки i f = i i , то з урахуванням інверсії сигналу отримуємо

З цього співвідношення випливає, що V 0 визначається інтегралом (зі зворотним знаком) від вхідної напруги в інтервалі від 0 до t 1 помноженим на масштабний коефіцієнт 1/RC. Напруга V ic - це напруга на конденсаторі в початковий час (t = 0).

5.2.4. Диференціатори

Диференціатор виробляє вихідний сигнал, пропорційний швидкості зміни часу вхідного сигналу. На рис. 5.10 показано принципову схему простого диференціатора.

Струм через конденсатор.

Якщо похідна позитивна, струм i i тече у такому напрямку, що формується негативна вихідна напруга V0.

Таким чином,

Цей метод диференціювання сигналу здається простим, але за його практичної реалізації виникають проблеми із забезпеченням стійкості схеми на високих частотах. Не всякий ОУ придатний для використання у диференціаторі. Критерієм вибору є швидкодія ОУ: потрібно вибирати ОУ з високою максимальною швидкістю наростання вихідної напруги та високим значенням добутку коефіцієнта посилення на ширину смуги. Добре працюють у диференціаторах швидкодіючі ОУ на польових транзисторах.

5.2.5. Компаратори

Компаратор – це електронна схема, яка порівнює дві вхідні напруги та виробляє вихідний сигнал, що залежить від стану входів. Базова принципова схема компаратора показано на рис. 5.11.

Як бачимо, тут ОУ працює із розімкнутою петлею зворотного зв'язку. На один із його входів подається опорна напруга, на інший – невідома (порівнювана) напруга. Вихідний сигнал компаратора вказує: вище або нижче за рівень опорної напруги знаходиться рівень невідомого вхідного сигналу. У схемі на рис.5.11 опорна напруга V r подається на вхід, що не інвертує, а на інвертуючий вхід надходить невідомий сигнал V i .

При V i > V r на виході компаратора встановлюється напруга V 0 = - V r (Негативна напруга насичення). У протилежному випадку отримуємо V 0 = + V r. Можна поміняти місцями входи – це призведе до інверсії вихідного сигналу.

5.3. Комутація вимірювальних сигналів

В інформаційно-вимірювальній техніці при реалізації аналогових вимірювальних перетворень часто доводиться здійснювати електричні з'єднання між двома та більш точками вимірювальної схеми з метою викликати необхідний перехідний процес, розсіяти запасену реактивним елементом енергію (наприклад, розрядити конденсатор), підключити джерело живлення вимірювального ланцюга, включити комірку аналог пам'яті, взяти вибірку безперервного процесу при дискретизації і т. д. Крім того, багато вимірювальних засобів здійснюють вимірювальні перетворення послідовно над великим числом електричних величин, розподілених у просторі. Для реалізації сказаного використовуються вимірювальні комутатори та вимірювальні ключі.

Вимірювальним комутатором називається пристрій, який перетворює просторово рознесені аналогові сигнали сигнали, розділені в часі, і навпаки.

Вимірювальні комутатори аналогових сигналів характеризуються такими параметрами:

динамічним діапазоном комутованих величин;

похибкою коефіцієнта передачі;

швидкодією (частотою перемикання або часом, необхідним для виконання однієї комутаційної операції);

числом комутованих сигналів;

граничним числом перемикань (для комутаторів із контактними вимірювальними ключами).

Залежно від типу вимірювальних ключів, що використовуються в комутаторі, різняться контактні та безконтактні комутатори.

Вимірювальний ключ є двополюсником з явно вираженою нелінійністю вольт-амперної характеристики. Перехід ключа з одного стану (закритого) в інший (відкритий) виконується за допомогою елемента, що управляє.

5.4. Аналого-цифрове перетворення

Аналого-цифрове перетворення становить невід'ємну частину вимірювальної процедури. У приладах, що показують, ця операція відповідає зчитуванню числового результату експериментатором. У цифрових та процесорних вимірювальних засобах аналого-цифрове перетворення виконується автоматично, а результат або надходить безпосередньо на індикацію, або вводиться в процесор для виконання наступних вимірювальних перетворень у числовій формі.

Методи аналого-цифрового перетворення у вимірах розроблені глибоко та ґрунтовно та зводяться до подання миттєвих значень вхідного впливу у фіксовані моменти часу відповідною кодовою комбінацією (числом). Фізичну основу аналого-цифрового перетворення становить стробування та порівняння з фіксованими опорними рівнями. Найбільшого поширення набули АЦП порозрядного кодування, послідовного рахунку, що стежить урівноваження та деякі інші. До питань методології аналого-цифрового перетворення, які пов'язані з тенденціями розвитку АЦП та цифрових вимірів на найближчі роки відносяться, зокрема:

Усунення неоднозначності зчитування в найбільш швидкодіючих АЦП зіставлення, що набувають все більшого поширення з розвитком інтегральної технології;

Досягнення стійкості до збоїв та покращення метрологічних характеристик АЦП на основі надлишкової системи числення Фібоначчі;

Застосування аналого-цифрового перетворення методу статистичних випробувань.

5.4.1 Цифроаналогові та аналого-цифрові перетворювачі

Цифроаналогові (ЦАП) та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є невід'ємною частиною автоматичних систем контролю керування та регулювання. Крім того, оскільки переважна більшість вимірюваних фізичних величин є аналоговими, а їхня обробка індикація та реєстрація, як правило, здійснюються цифровими методами, ЦАП та АЦП знайшли широке застосування в автоматичних засобах вимірювань. Так, ЦАП та АЦП входять до складу цифрових вимірювальних приладів (вольтметрів, осцилографів, аналізаторів спектру, кореляторів тощо), програмованих джерел живлення, дисплеїв на електроннопроменеві трубки, графопобудівників, радіолокаційних систем установок для контролю елементів та мікросхем, є важливими компонентами різних перетворювачів та генераторів, пристроїв введення виведення інформації ЕОМ. Широкі перспективи застосування ЦАП та АЦП відкриваються у телеметрії та телебаченні. Серійний випуск малогабаритних та відносно дешевих ЦАП та АЦП дасть можливість ще ширшого використання методів дискретно безперервного перетворення у науці та техніці.

Існує три різновиди конструктивно-технологічного виконання ЦАП та АЦП: модульне, гібридне та інтегральне. При цьому частка виробництва інтегральних схем (ІВ) ЦАП та АЦП у загальному обсязі їх випуску безперервно зростає, чому значною мірою сприяє широке поширення мікропроцесорів та методів цифрової обробки даних. ЦАП - пристрій, що створює на виході аналоговий сигнал (напруга або струм), пропорційний цифровому вхідному сигналу. При цьому значення вихідного сигналу залежить від значення опорної напруги U оп, що визначає повну шкалу вихідного сигналу. Якщо в якості опорної напруги використовувати якийсь аналоговий сигнал, то вихідний сигнал ЦАП буде пропорційний твору вхідних цифрового і аналоговогосигналів. В АЦП цифровий код на виході визначається ставленням перетворюваного вхідного аналогового сигналу до опорного сигналу, що відповідає повній шкалі. Це співвідношення виконується і в тому випадку, якщо опорний сигнал змінюється за законом. АЦП можна як вимірювач відносин чи дільник напруг із цифровим виходом.

5.4.2. Принципи дії, основні елементи та структурні схеми АЦП

В даний час розроблено велику кількість типів АЦП, що задовольняє різноманітні вимоги. В одних випадках переважною вимогою є висока точність, в інших – швидкість перетворення.

За принципом дії всі існуючі типи АЦП можна розділити на дві групи: АЦП з порівнянням вхідного сигналу, що перетворюється, з дискретними рівнями напруг і АЦП інтегруючого типу.

В АЦП з порівнянням вхідного перетворюваного сигналу з дискретними рівнями напруги використовується процес перетворення, сутність якого полягає у формуванні напруги з рівнями, еквівалентними відповідним цифровим кодам, і порівняння цих рівнів напруги з вхідною напругою з метою визначення цифрового еквівалента вхідного сигналу. У цьому рівні напруги можуть формуватися одночасно, послідовно чи комбінованим способом.

АЦП послідовного рахункузі ступінчастою пилкоподібною напругою є одним із найпростіших перетворювачів (рис. 5.12).

За сигналом "Пуск" лічильник встановлюється в нульовий стан, після чого принаймні надходження на його вхід тактових імпульсів з частотою f тлінійно-ступінчасто зростає вихідна напруга ЦАП.

При досягненні напругою U вих значення U вх схема порівняння припиняє підрахунок імпульсів у лічильнику Сч, а код з виходів останнього заноситься в регістр пам'яті. Розрядність і роздільна здатність таких АЦП визначається розрядністю і роздільною здатністю використовуваного в його складі ЦАП. Час перетворення залежить від рівня вхідного перетворюваного напруги. Для вхідної напруги, відповідного значення повної шкали, Сч повинен бути заповнений і при цьому він повинен сформувати на вході ЦАП код повної шкали. Це вимагає для n-розрядного ЦАП часу перетворення (2 n - 1) разів більше періоду тактових імпульсів. Для швидкого аналого-цифрового перетворення використання таких АЦП недоцільно.

У стежить АЦП(рис. 5.13) підсумовуючий Сч замінений на реверсивний лічильник РСч, щоб відслідковувати вхідну напругу, що змінюється. Вихідний сигнал КН визначає напрямок рахунку залежно від того, що перевищує чи ні вхідна напруга АЦП вихідна напруга ЦАП.

Перед початком вимірювань РСч встановлюється стан, відповідний середині шкали (01 ... 1). Перший цикл перетворення слідкуючого АЦП аналогічний циклу перетворення АЦП послідовного рахунки. Надалі цикли перетворення істотно скорочуються, оскільки даний АЦП встигає відстежити малі відхилення вхідного сигналу за кілька тактових періодів, збільшуючи або зменшуючи число імпульсів, записане в РСч, залежно від знака неузгодженості поточного значення напруги U вх, що перетворюється, і вихідної напруги ЦАП.

АЦП послідовного наближення (порозрядного врівноважування)знайшли найбільш широке поширення в силу досить простої їх реалізації при одночасному забезпеченні високої роздільної здатності, точності і швидкодії, мають дещо меншу швидкодію, але істотно більшу роздільну здатність у порівнянні з АЦП, що реалізують метод паралельного перетворення.

Для підвищення швидкодії керуючого пристрою використовується розподільник імпульсів РІ і регістр послідовного наближення. Порівняння вхідної напруги з опорним (напругою зворотного зв'язку ЦАП) ведеться, починаючи з величини, що відповідає старшому розряду двійкового коду, що формується.

При пуску АЦП за допомогою РІ встановлюється вихідний стан РПП:

1000 . . .0. При цьому на виході ЦАП формується напруга, що відповідає половині діапазону перетворення, що забезпечується включенням старшого розряду. Якщо вхідний сигнал менший, ніж сигнал від ЦАП, у наступному такті за допомогою РПП цифрових входів ЦАП формується код 0100. . . 0, що відповідає включенню 2-го за старшинством розряду. В результаті вихідний сигнал ЦАП зменшується вдвічі.

Якщо вхідний сигнал перевищує сигнал від ЦАП, черговий такт забезпечує формування коду 0110 ... 0 на цифрових входах ЦАП і включення додаткового 3-го розряду. При цьому вихідна напруга ЦАП, що зросла в півтора рази, знову порівнюється з вхідною напругою і т. д. Описана процедура повторюється nраз (де n- Число розрядів АЦП).

В результаті на виході ЦАП сформується напруга, що відрізняється від вхідного не більше ніж на одиницю молодшого розряду ЦАП. Результат перетворення знімається із виходу РПП.

Перевагою даної схеми є можливість побудови багаторозрядних (до 12 розрядів і вище) перетворювачів порівняно високої швидкодії (з часом перетворення порядку кілька сотень наносекунд).

В АЦП безпосереднього зчитування (паралельного типу)(рис. 5.15) вхідний сигнал одночасно прикладається до входів усіх КН, число mяких визначається розрядністю АЦП і m = 2 n - 1, де n - число розрядів АЦП. У кожному КН сигнал порівнюється з опорною напругою, що відповідає вазі певного розряду і знімається з вузлів резисторного дільника, що живиться від ІОН.

Вихідні сигнали КН обробляються логічним дешифратором, що виробляє паралельний код, що є цифровим еквівалентом вхідної напруги. Подібні АЦП мають найвищу швидкодію. Недоліком таких АЦП є те, що зі зростанням розрядності кількість необхідних елементів практично подвоюється, що ускладнює побудову багаторозрядних АЦП подібного типу. Точність перетворення обмежується точністю та стабільністю КН та резисторного дільника. Щоб збільшити розрядність при високій швидкодії реалізують двокаскадні АЦП, при цьому з виходів другого ступеня ДШ знімаються молодші розряди вихідного коду, а з виходів ДШ першого ступеня - старші розряди.

АЦП з модуляцією тривалості імпульсу (однотактний інтегруючий)

АЦП характеризується тим, що рівень вхідного аналогового сигналу U вх перетворюється на імпульс, тривалість якого t імп є функцією значення вхідного сигналу і перетворюється на цифрову форму за допомогою підрахунку числа періодів опорної частоти, які укладаються між початком і кінцем імпульсу. Вихідна напруга інтегратора під дією підклю-

ченого до його входу U оп змінюється від нульового рівня зі швидкістю

У момент, коли вихідна напруга інтегратора стає рівним вхідному U вх, КН спрацьовує, у результаті закінчується формування тривалості імпульсу, протягом якого в лічильниках АЦП відбувається підрахунок числа періодів опорної частоти. Тривалість імпульсу визначається часом, протягом якого напруга U вих змінюється від нульового рівня до U вх:

Достоїнство даного перетворювача полягає в його простоті, а недоліки - щодо низької швидкодії і низької точності.

1. Які пристрій, принцип роботи та застосування:

а) фотоелектричних перетворювачів;

Фотоелектричними називають такі перетворювачі, у яких вихідний сигнал змінюється в залежності від світлового потоку, що падає на перетворювач. Фотоелектричні перетворювачі або, як ми їх називатимемо надалі, фотоелементи діляться на три типи:

1) фотоелементи із зовнішнім фотоефектом

Вони є вакуумними або газонаповненими сферичними скляними балонами, на внутрішню поверхню яких наноситься шар фоточутливого матеріалу, що утворює катод. Анод виконується у вигляді кільця або сітки з нікелевого дроту. У затемненому стані через фотоелемент проходить темновий струм, як наслідок термоелектронної емісії та витоку між електродами. Під час освітлення фотокатод під впливом фотонів світла імітує електрони. Якщо між анодом і катодом прикладена напруга, ці електрони утворюють електричний струм. При зміні освітленості фотоелемента, включеного в електричний ланцюг, змінюється відповідно фотострум у цьому ланцюзі.

2) фотоелементи з внутрішнім фотоефектом

Вони є однорідною напівпровідниковою пластиною з контактами, наприклад з селеніду кадмію, яка під дією світлового потоку змінює свій опір. Внутрішній фотоефект полягає у появі вільних електронів, вибитих квантами світла з електронних орбіт атомів, що залишаються вільними всередині речовини. Поява вільних електронів у матеріалі, наприклад, у напівпровіднику, еквівалентна зменшенню електричного опору. Фоторезистори мають високу чутливість та лінійну вольт-амперну характеристику (ВАХ), тобто. їхній опір не залежить від прикладеної напруги.

3) фотогальванічні перетворювачі.

Дані перетворювачі є активними світлочутливими напівпровідниками, що створюють при поглинанні світла внаслідок фотоефектів у запірному шарі вільні електрони та ЕРС.

Фотодіод (ФД) може працювати у двох режимах - фотодіодному та генераторному (вентильному). Фототранзистор - напівпровідниковий приймач променистої енергії з двома та великим числом р - «-переходів, у яких поєднаний фотодіод та підсилювач фотоструму.

Фототранзистори, як і фотодіоди, застосовуються для перетворення світлових сигналів на електричні.

б) ємнісних перетворювачів;

Ємнісний перетворювач являє собою конденсатор, ємність якого змінюється під дією неелектричної величини, що вимірюється. Як ємнісний перетворювач широко використовують плоский конденсатор, ємність якого можна виразити формулою C = e0eS/5, де е0-діелектрична постійна повітря (е0= 8,85 10"12Ф/м;е - відносна діелектрична проникність середовища між обкладками конденсатора; S- площа обкладки;5-відстань між обкладками)

Так як вимірювана неелектрична величина може бути функціонально пов'язана з будь-яким з цих параметрів, то пристрій ємнісних перетворювачів може бути різним в залежності від області застосування. Для вимірювання рівнів рідких та сипких тіл використовують циліндричні або плоскі конденсатори; для вимірювання малих переміщень, швидкозмінних сил та тисків - диференціальні ємнісні перетворювачі зі змінним зазором між обкладками. Розглянемо принцип використання ємнісних перетворювачів для виміру різних неелектричних величин.

в) теплових перетворювачів;

Тепловий перетворювач є провідник або напівпровідник зі струмом, з великим температурним коефіцієнтом, що знаходиться в теплообміні з навколишнім середовищем. Є кілька шляхів теплообміну: конвекція; теплопровідністю середовища; теплопровідністю самого провідника; випромінюванням.

Інтенсивність теплообміну провідника з довкіллям залежить від наступних факторів: швидкості газового або рідкого середовища; фізичних властивостей середовища (щільності, теплопровідності, в'язкості); температури середовища; геометричні розміри провідника. Цю залежність температури провідника, отже, та його опору від перерахованих чинників можна

використовувати для вимірювання різних неелектричних величин, що характеризують газове чи рідке середовище: температури, швидкості, концентрації, густини (вакууму).

г) іонізаційних перетворювачів;

Іонізаційними перетворювачами називають такі перетворювачі, в яких вимірювана неелектрична величина функціонально пов'язана зі струмом електронної та іонної провідності газового середовища. Потік електронів та іонів виходить в іонізаційних перетворювачах або іонізацією газового середовища під впливом того чи іншого іонізуючого агента, або шляхом термоелектронної емісії, або бомбардування молекул газового середовища електронами і т.д.

Обов'язкові елементи будь-якого іонізаційного перетворювача - джерело та приймач випромінювань.

д) реостатних перетворювачів;

Реостатний перетворювач являє собою реостат, двигун якого переміщається під дією неелектричної величини, що вимірюється. На каркас із ізоляційного матеріалу намотаний з рівномірним кроком дріт. Ізоляція дроту на верхній межі каркаса зачищається, і по металу ковзає щітка. Додаткова щітка ковзає по токознімному кільцю. Обидві щітки ізольовані від приводного валика. Реостатні перетворювачі виконуються як із дротом, намотаним на каркас, так і реохордного типу. Як матеріал дроту застосовують ніхром, манганін, константан та ін. У відповідальних випадках, коли вимоги до зносостійкості контактних поверхонь дуже великі або коли контактні тиски дуже малі, застосовують сплави платини з іридієм, паладієм і т.д. Провід реостату має бути покритий або емаллю, або шаром оксидів для ізоляції сусідніх витків один від одного. Двигуни бувають з двох-трьох зволікань (платина з іридієм) з контактним тиском 0,003...0,005 Н або пластинчасті (срібло, фосфориста бронза) із зусиллям 0,05...0,1 Н. Контактна поверхня намотаного дроту полірується; ширина контактної поверхні дорівнює двом-трьом діаметрам дроту. Каркас реостатного перетворювача виконується з текстоліту, пластмаси або алюмінію, покритого ізоляційним лаком, або оксидною плівкою. Форми каркасів різноманітні. Реактивний опір реостатних перетворювачів дуже мало і їх зазвичай можна знехтувати на частотах звукового діапазону.

Реостатні перетворювачі можуть бути використані для вимірювання віброприскорень та вібропереміщень з обмеженим частотним діапазоном.

е) тензорезисторних перетворювачів;

Тензорезисторний перетворювач (тензорезистор) є провідником, що змінює свій опір при деформації розтягування або стиснення. Довжина провідника / та площа поперечного перерізу S змінюються при його деформаціях. Ці деформації кристалічних ґрат приводять до зміни питомого опору провідника р і, отже, до зміни повного опору

Застосування: для вимірювання деформацій та механічних напруг, а також інших статичних та динамічних механічних величин, які пропорційні деформації допоміжного пружного елемента (пружини), наприклад, шляху, прискорення, сили, згинального або крутного моменту, тиску газу або рідини і т.д. За цим вимірюваним величин можна визначити похідні величини, наприклад масу (вага), ступінь заповнення резервуарів і т.д. Дротові тензорезистори на паперовій основі, а також фольгові та плівкові застосовують для вимірювання відносних деформацій від 0,005...0,02 до 1,5...2 %. Вільні дротяні тензорезистори можуть бути використані для вимірювання деформацій до 6...10%. Тензорезистори практично безінерційні і застосовуються в діапазоні частот 0...100 кГц.

ж) індуктивних перетворювачів;

Індуктивні вимірювальні перетворювачі призначені для перетворення положення (переміщення) електричний сигнал. Вони є найбільш компактними, завадостійкими, надійними та економічними вимірювальними перетворювачами при вирішенні задач автоматизації вимірювання лінійних розмірів у машино- та приладобудуванні.

Індуктивний перетворювач складається з корпусу, в якому на напрямних кочення розміщений шпиндель, на передньому кінці якого розташований вимірювальний наконечник, а на задньому - якір. Напрямна захищена від зовнішніх впливів гумовим манжетом. Пов'язаний зі шпинделем якір знаходиться всередині котушки, що закріплена в корпусі. У свою чергу обмотки котушки електрично пов'язані з кабелем, закріпленим у корпусі та захищеним від перегинів конічною пружиною. На вільному кінці кабелю є роз'єм, який служить для підключення перетворювача до вторинного приладу. Корпус та шпиндель виконані із загартованої нержавіючої сталі. Перехідник, що з'єднує якір зі шпинделем, складається з титанового сплаву. Пружина, що створює вимірювальне зусилля, відцентрована, що виключає тертя під час руху шпинделя. Така конструкція перетворювача забезпечує зниження випадкової похибки та варіації показань рівня менше 0,1 мкм.

Індуктивні перетворювачі широко застосовують в основному для вимірювання лінійних та кутових переміщень.

з) магнітопружних перетворювачів;

Магнітопружні перетворювачі є різновидом електромагнітних перетворювачів. Вони засновані на явищі зміни магнітної проникності μ феромагнітних тіл в залежності від механічних напруг σ, що виникають в них, пов'язаних з впливом на феромагнітні тіла механічних сил Р (розтягуючих, стискаючих, згинальних, скручують). Зміна магнітної проникності феромагнітного осердя викликає зміну магнітного опору осердя RM. Зміна ж RM веде до зміни індуктивності котушки L, що знаходиться на осерді. Таким чином, у магнітопружному перетворювачі маємо наступний ланцюг перетворень:

Р -> σ -> μ -> Rм -> L .

Магнітопружні перетворювачі можуть мати дві обмотки (трансформаторного типу). Під дією сили внаслідок зміни магнітної проникності змінюється взаємна індуктивність М між обмотками та наведена ЕРС вторинної обмотки Е. Ланцюг перетворення в цьому випадку має вигляд

Р -> σ -> μ -> Rм -> М -> Е.

Ефект зміни магнітних властивостей феромагнітних матеріалів під впливом механічних деформацій називають магнітопружним ефектом.

Магнітопружні перетворювачі застосовують:

Для вимірювання великих тисків (більше 10 Н/мм2 або 100 кг/см2), так як вони безпосередньо сприймають тиск і не потребують додаткових перетворювачів;

Для виміру сили. І тут межа вимірювання приладу визначається площею магнитопругого перетворювача. Дані перетворювачі деформуються під впливом сили дуже мало. Так, при l= 50 мм, △ 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 .

і) електролітичних перетворювачів опору;

Електролітичні перетворювачі належать до типу електрохімічних перетворювачів. У загальному випадку електрохімічний перетворювач являє собою електролітичну комірку, заповнену розчином з поміщеними в неї електродами, що служать для включення перетворювача вимірювальний ланцюг. Як елемент електричного ланцюга електролітичний осередок може характеризуватись розвивається нею ЕРС, падінням напруги від струму, що проходить, опором, ємністю та індуктивністю. Виділяючи залежність між цими електричними параметрами і неелектричною величиною, що вимірюється, а також пригнічуючи дію інших факторів, можна створити перетворювачі для вимірювання складу і концентрації рідких і газоподібних середовищ, тисків, переміщень, швидкості, прискорення та інших величин. Електричні параметри комірки залежать від складу розчину та електродів, хімічних перетворень у комірці, температури, швидкості переміщення розчину та ін. Зв'язки між електричними параметрами електрохімічних перетворювачів та неелектричними величинами визначаються законами електрохімії.

Принцип дії електролітичних перетворювачів заснований на залежності опору електролітичної комірки від складу та концентрації електроліту, а також від геометричних розмірів комірки. Опір стовпа рідини електролітичного перетворювача:

R = ρh/S = k/૪

де ૪ = 1/ρ - питома провідність електроліту; k - постійна перетворювача, яка залежить від співвідношення його геометричних розмірів, що визначається зазвичай експериментально.