Параметрические измерительные преобразователи реферат

Обновлено: 04.07.2024

Методические указания содержат цель работы, краткие сведения из теории, описание лабораторной установки, лабораторное задание и порядок выполнения работы, а также указания по оформлению отчета и контрольные вопросы для проверки знаний студентов. Рассмотрены основные виды параметрических измерительных преобразователей (реостатные, индуктивные и емкостные), их основные характеристики и схемы включения в измерительную цепь. Выполнение лабораторной работы предполагает определение основных метрологических характеристик (функция преобразования, чувствительность, основная погрешность, погрешность определения чувствительности) рассмотренных измерительных преобразователей, а также овладение методикой измерения неэлектрических величин с помощью измерительных преобразователей и нахождения погрешностей определения значений неэлектрических величин.

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10 я 73

 Ревин В.Т., Батай Л.Е., составление, 2010

1 Цель работы

1.1 Изучение принципа действия, конструкции и основных характеристик реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

1.2 Изучение методов измерения неэлектрических величин с помощью реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей.

1.3 Практическое определение основных характеристик измерительных преобразователей и измерение с их помощью линейных и угловых перемещений.

2 Краткие сведения из теории

Особенностью современных измерений является необходимость определения значений множества физических величин, среди которых большую часть составляют неэлектрические величины. Для измерения неэлектрических величин широко используются электрические средства измерений, что обусловлено рядом их существенных достоинств. К ним относятся высокая точность измерения, высокие чувствительность и быстродействие средств измерений, возможность проведения дистанционных измерений, автоматического преобразования измерительной информации, автоматического управления процессом измерения и т.п. Особенностью электрических средств измерений, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую.

Первичный измерительный преобразователь устанавливает однозначную функциональную связь между выходной электрической величиной Y и входной неэлектрической величиной Х: Y = f ( X ).

В зависимости от вида выходного сигнала первичные измерительные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные.

В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи: сопротивление R, индуктивность L, взаимная индуктивность M или емкость C. При использовании параметрических измерительных преобразователей всегда необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя.

В генераторных измерительных преобразователях выходными величинами являются ЭДС, ток, напряжение, или заряд. При использовании генераторных измерительных преобразователей вспомогательные источники питания применяются только для усиления полученного сигнала.

По принципу действия параметрические измерительные преобразователи подразделяются на реостатные, тензочувствительные (тензорезисторы), термочувствительные (терморезисторы, термисторы), емкостные, индуктивные, ионизационные.

Зависимость выходной величины измерительного преобразователя Y от входной величины X, описываемая выражением Y = f (X), называется функцией преобразования. Часто выходная величина преобразователя Y зависит не только от входной измеряемой величины X, но и от некоторого внешнего фактора Z. Поэтому в общем виде функцию преобразования можно представить функциональной зависимостью: Y = f (X, Z).

При разработке измерительных преобразователей неэлектрических величин стремятся получить линейную функцию преобразования. Для описания линейной функции преобразования достаточно задать два параметра: начальное значение выходной величины Y₀ (нулевой уровень), соответствующее нулевому или иному начальному значению входной величины X, и параметр S, характеризующий наклон функции преобразования.

В этом случае функция преобразования может быть представлена в следующем виде:

. (1)

Параметр S, характеризующий наклон функции преобразования, называется чувствительностью преобразователя. Чувствительность преобразователя  это отношение изменения выходной величины измерительного преобразователя ΔY к вызвавшему его изменению входной величины ΔX:

. (2)

Чувствительность преобразователя является величиной, имеющей размерность, причем размерность зависит от природы входной и выходной величин. Для реостатного преобразователя, например, чувствительность имеет размерность Ом/мм, для термоэлектрического преобразователя  мВ/К, для фотоэлемента  мкА/лм, для двигателя  об/(сВ) или Гц/В, для гальванометра  мм/мкА и т. д.

Важнейшей проблемой при проектировании и использовании измерительного преобразователя является обеспечение постоянства его чувствительности. Чувствительность должна как можно меньше зависеть от значений входной величины Х (в этом случае функция преобразования линейна), скорости изменения X, времени работы преобразователя, а также воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение (такие величины называются влияющими). При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от значений входной величины: S = S(X).

Диапазон значений неэлектрических величин, преобразуемых с помощью измерительного преобразователя, ограничивается с одной стороны пределом преобразования, а с другой – порогом чувствительности.

Предел преобразования преобразователя – это максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без его повреждения или искажения функции преобразования.

Порог чувствительности – это минимальное изменение значения входной величины, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя.

Соотношение Y =f (X) выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные в основу работы преобразователей. На практике функция преобразования определяется экспериментально в численной форме в результате градуировки преобразователя. В этом случае для ряда точно известных значений X измеряют соответствующие значения Y, что позволяет построить градуировочную кривую (рисунок 1,а). Используя построенную градуировочную кривую, по полученным в результате измерения значениям электрической величины Y можно найти соответствующие значения искомой неэлектрической величины X (рисунок 1,б).

а – построение градуировочной кривой по измеренным значениям величин Х и Y;

б  использование градуировочной кривой для определения входной величины Х

Рисунок 1  Градуировочная характеристика измерительного преобразователя

Важнейшей характеристикой любого измерительного преобразователя является его основная погрешность, которая обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции преобразователя или технологии его изготовления и проявляется при нормальных значениях влияющих величин или нахождении их в пределах области нормальных значений.

Основная погрешность измерительного преобразователя может иметь несколько составляющих, обусловленных:

- неточностью образцовых средств измерений, с помощью которых проводилось определение функции преобразования;

- отличием реальной градуировочной характеристики от номинальной функции преобразования; приближенным (табличным, графическим, аналитическим) выражением функции преобразования;

- неполным совпадением функции преобразования при возрастании и убывании измеряемой неэлектрической величины (гистерезис функции преобразования);

- неполной воспроизводимостью характеристик измерительного преобразователя (чаще всего чувствительности).

При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

Градуировка измерительного преобразователя (определение реальной функции преобразования) производится с использованием средств измерений неэлектрических и электрических величин. В качестве примера на рисунке 2 представлена структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя. В качестве средства измерения линейного перемещения (неэлектрической величины) используется линейка, а средства измерения электрической величины – активного сопротивления – цифровой измеритель L, C, R E7-8.

Рисунок 2 – Структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя

Процесс градуировки преобразователя заключается в следующем. С помощью механизма перемещения подвижный контакт (движок) реостатного преобразователя последовательно устанавливается на оцифрованные отметки шкалы линейки, и на каждой отметке производится измерение активного сопротивления преобразователя с помощью прибора Е7-8. Измеренные значения линейного перемещения и активного сопротивления заносятся в градуировочную таблицу 1.

Измерение электрическими методами электрических и магнитных и физических величин. Классификационные признаки датчиков. Характер преобразования входной величины в выходную. Принцип действия параметрических, индукционных и частотных преобразователей.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	25.03.2013
Размер файла	1,3 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Измерительные преобразователи (датчики)

Ни одна система управления не может работать без информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющее воздействие. Элементом систем, обеспечивающим получение такой информации, является измерительный преобразователь-датчик.

Число типов датчиков значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.

Для большинства датчиков характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений, в виду того, что электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, электрические величины легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код, позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.

В качестве классификационных признаков датчиков можно принять многие характеристики: вид функции преобразования; род входной и выходной величины; принцип действия; конструктивное исполнение.

По виду используемой энергии датчики можно подразделить на электрические, механические, пневматические и гидравлические. В зависимости от вида выходного сигнала: аналоговые, дискретные, релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом.

По характеру преобразования входной величины в выходную: параметрические, генераторные, частотные, фазовые.

По виду измеряемой физической величины: линейных и угловых перемещениях, давления, температуры, концентрации веществ и т.д.

Принцип действия параметрических преобразователей заключается в преобразовании неэлектрических входных величин в параметры электрических цепей: сопротивление R, индуктивность L, емкость С, взаимоиндуктивность М. Для питания этих преобразователей требуются внешние источники. К таким датчикам относятся: резистивные, индуктивные, трансформаторные, емкостные преобразователи.

Генераторные преобразователи преобразуют входные величины в ЭДС. Они не требуют энергии дополнительных источников питания.

Это индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические преобразователи.

Фазовые и частотные преобразователи могут быть как параметрическими, так и генераторными.

Резистивные измерительные преобразователи

Реостатные - выполнены в виде реостата, подвижной контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины. Чаще всего реостатный датчик включается в измерительную систему по схеме потенциометра, их иногда называют потенциометрическими датчиками.

Выходной величиной датчика является электрическое сопротивление функционально связанное с положением подвижного контакта. Такие датчики служат для преобразования угловых или нелинейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока, напряжения.

Они также могут быть использованы для измерения давления, расхода, уровня. Их часто используют также в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

В устройствах автоматики широко применяются проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

К недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.

Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку или с заданным шагом. В качестве провода применяют константан, манганин.

Датчик данного типа не реагируют на знак входного сигнала, работают как на постоянном, так и на переменном токе.

Тензорезисторы. В основе их работы лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности Кт, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника

Константан - Кт = 2

Тензорезисторы используют для измерения давления жидкости и газов, при измерении упругих деформаций материалов: давлений изгибов, скручивания.

В качестве тензорезистивного материала можно использовать металлы с малым ТКС: манганин, константан, нихром, ртуть, высокотемпературные сплавы, полупроводниковые материалы: германий, кремний. Наибольшее распространение получили тензорезисторы из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые, последние более совершенны.

Угольные преобразователи. Их принцип действия основан на изменении контактного сопротивления между частицами угля при изменении давления. Их применяют для измерения усилий, давлений, малых перемещений. Различают угольные столбики и тензолиты.

Первые представляют собой набор из 10-15 отшлифованных шайб, изготовленных из электродных углей.

Характеристика угольного преобразователя не линейна, он имеет переменную чувствительность. Нестабильны в работе, характеристики зависят от температуры и влажности окружающей среды, качества подготовки поверхностей.

Вторые имеют малые размеры и массу. Их применяют для измерения быстроменяющихся и ударных напряжений в движущихся деталях небольшого размера, при этом они работают как на растяжение, так и на сжатие. Коэффициент чувствительности тензолитовых преобразователей больше, чем у тензорезисторов, и составляет К = 15 20.

Она выполняется в виде полосок, состоящих из смеси графита, сажи, бакелитового лака и других компонентов. Эти полоски наклеиваются на испытуемую деталь.

Резистивные преобразователи несмотря на присущие им недостатки до настоящего времени находят широкое применение.

Достоинство: независимость его точности от питающего напряжения

Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания U0. Однако при этом растет мощность рассеяние датчика.

Емкостные преобразователи. Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины

где - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;

S - площадь пластины;

- толщина диэлектрика или расстояния между пластинами.

Емкостные датчики используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности концентрации и др.

В емкостных плоскопараллельных датчиках изменяется плоскость перекрытия S (перемененная площадь перекрытия) статическая характеристика линейна.

В емкостных преобразователях с переменным воздушным зазором характеристика не линейна.

Преобразователи и изменением диэлектрической проводимости среды между электродами широко используются для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации. Они имеют линейную статическую характеристику.

Емкость измерительных преобразователей в зависимости от конструктивных особенностей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжения повышений частоты Гц.

Это существенный недостаток подобных преобразователей.

Диэлектрические свойства среды иногда изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используются для создания соответствующих измерительных преобразователей.

Изменение проницаемости под действием температуры описывается выражением

где т - диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т; 0 - диэлектрическая проницаемость при температуре Т0; - температурный коэффициент; .

Аналогичный вид имеет и зависимость от приложенного к нему усилия Р

где - чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости

Начальная емкость преобразователей тем больше, чем меньше зазор между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды и наличием силы электростатического притяжения пластин.

Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Они являются практически безинерционными элементами.

К достоинствам относятся: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Недостатки: низкий уровень выходной мощности сигнала, нестабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды, влияние паразитных, емкостей. Для уменьшения потери мощности выходного сигнала согласную нагрузку с внутренним сопротивлением измерительной системы, т.е. схему настраивают на резонанс.

Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика.

Такие преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и в зависимости от принципа действия бывают параметрическими и генераторными.

К параметрическим относятся те, в которых преобразуется выходное механическое воздействие в изменение параметров магнитной цепи - магнитной проницаемости , магнитного сопротивления RМ, индуктивность обмотки L.

К генераторным - преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин. Последняя группа - это тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы.

Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор , изменяя положение якоря, изменяя сечение S магнитного потока, поворачивая якорь относительно неподвижной части магнитной цепи, вводя в воздушный зазор пластину из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая 0 и магнитное сопротивление зазора.

Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности называют индуктивными.

Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности М, принято называть трансформаторными.

В трансформаторных преобразователях изменение взаимоиндуктивности М можно получить не только при изменении магнитного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток вдоль или поперек магнитной цепи.

Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжимающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость 0 сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника

и соответственно к изменению L или М.

Преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов.

Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку, то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная

где - скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки W.

Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то преобразователь имеет естественную входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходная в виде индуктируемой ЭДС. Такие преобразователи называют индукционными.

электрический датчик преобразователь измерение

Выходной сигнал получается в виде переменного напряжения, снимаемого с Rн. Питание от сети. Зазор меняется под воздействием перемещения якоря. Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора.

Индуктивность обмотки и ток в ней могут изменяться за счет изменения зазора или его площади.

Погрешность определяется стабиль-ностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на актив-ное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.

Чувствительность является нелинейной функцией

Анализ принципа действия и рассмотрения статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяет выявить его следующие недостатки:

- фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря;

- для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор 0, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения Uвых.о;

на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящая притянуть якорь. При большой мощности выходного сигнала она может принимать существенные значения, что требует введение компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, что усложняет устройство.

Из-за указанных недостатков однотактные индуктивные датчики используют только в качестве вспомогательных элементов.

Непосредственно для измерений применяют двухтактные датчики, которые включают по дифференциальной или мостовой схемам.

Дифференциальная схема включения индуктивного преобразователя требует использование трансформатора TV со средней точкой.

Оба сердечника идентичны по конструктивным и магнитным характеристикам. Расположенные на них обмотки W1 и W2 имеют также одинаковые параметры и включены последовательно - встречно.

В такой схеме ток нагрузки равен разности токов

При отсутствии входного сигнала зазоры 1 = 2. Равны и индуктивности L1 = L2, определяемые размерами зазоров. Выходное напряжение равно нулю.

При перемещении якоря на расстояние Х 1 и 2 становятся неравными, что приводит к изменению индуктивностей, а, следовательно, к дисбалансу токов I1 и I2, в результате через Rн течет ток Iн и появляется выходное напряжение.

Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 1800 относительно напряжение питания, являющегося опорным.

Электроизмерительные приборы получили широкое применение для измерений неэлектрических величин. Это стало возможным благодаря применению специальных преобразователей (Пр).

Выходные сигналы таких преобразователей передаются в виде параметров цепи или ЭДС (заряда), связанной функциональной зависимостью с входным сигналом. Первые называются параметрическими, вторые – генераторными.

Из параметрических преобразователей наибольшее распространение получили реостатные, тензочувствительные, термочувствительные, электролитические, ионизационные, индуктивные и емкостные устройства.

Реостатные преобразователи представляют собой изолированный остов, на который намотан проводник и перемещающаяся вдоль витков щетка. Их выходным параметром служит сопротивление цепи.

Измеряемой величиной Пр может быть перемещение щетки по прямой или по окружности. Усовершенствовав воспринимающую систему, Пр можно применять для определения давления или массы, под действием которых будет перемещаться ползунок.

Для обмотки реостата применяют материалы, сопротивление которых мало зависит от внешних факторов (температура, давление, влажность и т. д.). Такими материалами могут быть нихром, фехраль, константан или манганин. Изменяя форму и сечение остова (соответственно меняется и длина одного витка) можно добиться нелинейной зависимости сопротивления цепи от перемещения ползунка.

Достоинством реостатных преобразователей можно назвать простоту их конструкции. Однако невозможно точно определить перемещение, если выходное сопротивление при этом изменяется в пределах одного витка. Это является главным недостатком таких Пр, и характеризует их погрешность.

Тензочувствительные преобразователи (ТЧПр). Работа их основана на изменении активного сопротивления проводника под воздействием давления или механической деформации. Такое явление называется тензоэффектом.

Тензочувствительные Пр представляют собой тонкую подложку, выполненную из бумаги или пленки и наклеенную на нее проволоку, очень малого сечения. В качестве воспринимающего элемента обычно используют константановую проволоку, имеющую независимое от температуры сопротивление, диаметром 0,02-0,05 мм. Также применяют фольговые ТЧПр и пленочные тензорезисторы.

ТЧ преобразователь наклеивают на измеряемую деталь, таким образом, чтобы ось линейного расширения детали совпадала с продольной осью ТЧП. При расширении измеряемого объекта, увеличивается длина ТЧП, соответственно его сопротивление изменяется.

Достоинством таких приборов является линейность, простота конструкции и установки. К недостаткам можно отнести невысокую чувствительность.

Термочувствительные преобразователи (ТРПр). В качестве основных элементов таких устройств применяют терморезисторы, термодиоды, термотранзисторы и т. п. Термоэлемент включается в электрическую цепь, таким образом, что через него проходит ток цепи, и воздействует температура измеряемого элемента.

С их помощью могут быть измерены температура, вязкость, теплопроводность, скорость движения и прочие параметры среды, в которой находится элемент.

Для измерений в диапазоне температур -260°C до +1100°C применяют платиновые терморезисторы, в диапазоне -200°C до +200°C – медные. В диапазоне температур -80°C до +150°C, когда требуется особая точность, применяют термодиоды и термотранзисторы.

ТРПр по режиму работы разделяют на перегревные и без предварительного нагрева. Приборы без предварительного нагрева применяют только для измерения температуры среды, так как протекающий в них ток не влияет на их нагрев. По сопротивлению элемента достаточно точно определяют температуру среды.

Режим работы другого вида термопреобразователей связан с их предварительным разогревом до заданной величины. Затем их помещают в измеряемую среду, и следят за изменением его сопротивления.

По скорости изменения сопротивления можно судить насколько интенсивно происходит охлаждение или нагрев, а значит можно определить скорость движения измеряемого вещества, его вязкость и другие параметры.

Полупроводниковые ТРПр более чувствительны чем терморезисторы, поэтому их применяют в области точных измерений. Однако их существенным недостатком является узкий температурный диапазон и плохая воспроизводимость статической характеристики устройства.

Электролитические преобразователи (ЭЛП). Применяют для определения концентрации растворов, так как электрическая проводимость растворов существенно зависит от степени концентрации солей в них.

ЭЛП представляют собой сосуд с двумя электродами. К электродам подается напряжение, таким образом, электрическая цепь замыкается через слой электролита. Такие преобразователи применяют на переменном токе, так как под действием постоянного тока , электролит диссоциирует на положительные и отрицательные ионы, что вносит погрешность в измерения.

Еще одним недостатком ЭЛП модно назвать зависимость проводимости электролита от температуры, что вынуждает поддерживать постоянную температуру с помощью холодильных или нагревательных установок.

Индуктивные и емкостные преобразователи. Как следует из названия, выходными параметрами таких устройствй являются индуктивность и емкость. Измеряемой величиной простых индуктивных Пр может быть перемещение от 10 до 15 мм, для индуктивных трансформаторных Пр с незамкнутой системой это значение может быть увеличено до 100 мм. Емкостные Пр применяют для измерения перемещений порядка 1 мм.

Индуктивные Пр представляют собой две катушки индуктивности, размещенные на незамкнутом сердечнике. На взаимную индуктивность катушек влияют такие параметры как: длина воздушного зазора незамкнутого участка, площадь поперечного сечения воздушного зазора, магнитная проницаемость воздушного зазора.

Таким образом, измерением взаимной индуктивности катушек можно определить насколько изменились вышеприведенные параметры. А измениться они могут при перемещении в воздушном промежутке пластины диэлектрика. На этом основан принцип работы индуктивных Пр.

Принцип работы емкостных Пр основан на изменении емкости конденсатора при уменьшении активной площади обкладок, изменении расстояния между обкладками конденсатора и изменении диэлектрической проницаемости межобкладочного пространства.

Емкостные преобразователи имеют более высокую чувствительность к изменению входных параметров. Емкостный Пр в состоянии зафиксировать изменение емкости даже при перемещении на тысячные доли миллиметра.

Основными недостатками индуктивных и емкостных Пр можно назвать их подверженность воздействию внешних электрических полей, паразитных токов и необходимость в источниках питания повышенной частоты.

Ионизационные преобразователи. Принцип работы приборовя основан на явлении ионизации газа и других сред под воздействием ионизирующих излучений, в качестве которых могут применяться ионизирующие α-, β- и γ-излучения радиоактивных веществ, или рентгеновские излучения.

Если камеру с газом подвергнуть излучению, то через электроды потечет электрический ток. Величина этого тока будет зависеть от состава газа, размеров электродов, расстояния между электродами и приложенного напряжения.

Измеряя электрический ток в цепи, при известном составе среды, расстоянии между электродами, приложенном напряжении модно определить размер электродов, или наоборот другие параметры. Их применяют для измерения размеров деталей, или составов газа и пр.

Основным преимуществом ионизирующих Пр является возможность бесконтактного измерения, в агрессивных средах, под повышенным давлением или температурой. Недостатком таких Пр является необходимость биологической защиты персонала от воздействия излучений.

Измерительный преобразователь — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………..3
2. Резистивные преобразователи…………………………………………. 5
3. Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………11
4. Электромагнитные преобразователи………………………………. 16
5. Электростатические преобразователи…………………………………18
6. Гальваномагнитные преобразователи………………………………….22
7. Тепловые преобразователи……………………………………………..26
8. Оптоэлектрические преобразователи………………………………….28
9. Библиографический список…………………………………………. 31

Прикрепленные файлы: 1 файл

Курсовая физ основы измерений.doc

Министерство образования и науки РФ

студент гр. УК-10Э1

Шевченко C.C. ________

Введение………………………………………………………… ………..3
Резистивные преобразователи……………………………………… …. 5
Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………11
Электромагнитные преобразователи………………………………. . 16
Электростатические преобразователи…………………………………18
Гальваномагнитные преобразователи………………………………….2 2
Тепловые преобразователи……………………………………… ……..26
Оптоэлектрические преобразователи………………………………….2 8
Библиографический список…………………………………………. 31

Измерительный преобразователь -- техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования:

Аналоговый измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
Аналого-цифровой измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
Цифро-аналоговый измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.

По месту в измерительной цепи:

Первичный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;
Датчик -- конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;
Детектор -- датчик в области измерений ионизирующих излучений;
Промежуточный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

По другим признакам:

Передающий измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;
Масштабный измерительный преобразователь -- измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.

1. Резистивные преобразователи. Принцип действия, общие

свойства, область применения.

Сопротивление постоянному току одноэлементного резистивного преобразователя зависит от его длины l, поперечного сечения S и удельного сопротивления материала р. Если сечение резистора постоянно по его длине, то R = pl/S. Применяемые в настоящее время пленочные резисторы, толщина которых определяется технологией нанесения пленки, а ширина и длина сравнимы по значению, характеризуются сопротивлением R_⁪ площадки, имеющей равные ширину и длину. Таким образом, сопротивление R₀ резистора, имеющего длину l и ширину b, определяется формулой R₀ =R_⁪ l/b (например, при l = 3 мм и b = 1 мм R₀ = 3R_⁪ ).

Мощность, выделяемая на резисторе при включении его в измерительную цепь, определяется формулой Р = I 2 R или Р = U 2 /R, где I и U -- ток и падение напряжения на резисторе. Значение допустимой мощности Р_доп для резистора задается, как правило, допустимым перегревом, и поэтому ограничивают ток через преобразователь или напряжение на нем , где R_max и R_min -- границы диапазона, в которых может изменяться сопротивление преобразователя в процессе работы. Значение допустимой мощности определяется площадью поверхности S_охл, условиями охлаждения и допустимой температурой перегрева Θ_доп, а именно Р_доп =ζ·S_охл·Θ_доп , где ζ - коэффициент теплоотдачи поверхности, или удельная мощность, при выделении которой на единице поверхности охлаждения температура преобразователя повышается на один градус по отношению к окружающей среде. В отдельных случаях среди технических характеристик преобразователей указывается допустимая плотность тока и по ней определяется ток.

Эквивалентная схема резистивного преобразователя учитывает, что при включении резистора в цепь последовательно с его сопротивлением R₀

Рис.1 - Эквивалентная схема резистивного преобразователя

оказывается включенным сопротивление соединительных проводов и контактов R_л = 2R_пр + 2R_к, а параллельно -- сопротивление изоляции между контактами и сопротивление утечек на корпус или на землю, вместе образующих сопротивление R_у_т (рис. 1, а и б). Таким образом, эквивалентное сопротивление определится как R = (R₀ + R_л) R_ут/( R₀ + R_л + R_ут). Разность между сопротивлениями R и R_o равна ∆R = R -- R₀ = (R_л R_ут -- R₀R_л -- R₀ 2 )/(R₀ + R_л + R_yт) ≈ R_л -- R₀/R_yт, и относительная погрешность сопротивления y_R = ∆R/R₀ = R_л /R₀ -- R_o/R_ут Очевидно, что при малых сопротивлениях R₀ погрешность определяется сопротивлением R_л, а при больших сопротивлениях R₀ -- сопротивлением R_ут. При R₀ 0, а при R₀>√R_л/R_ут значение y_R ;

Сопротивление переменному току можно характеризовать постоянной времени τ, равной τ = L'_ЭKB/R или τ = C'_ЭКВR. Лучшие с этой точки зрения резистивные преобразователи характеризуются τ ≈ 10 -6 - 10 -7 с. Для преобразователя с τ = 10 -6 с изменение модуля сопротивления на 0,01%

происходит при частоте напряжения питания 1000 Гц.

Активное сопротивление переменному току R на высокой частоте из-за поверхностного эффекта больше сопротивления постоянному току R₀. Для медного провода диаметром 1 мм увеличение сопротивления на 0,01 % соответствует частоте 10 кГц.

Во всяком сопротивлении R присутствуют тепловые шумы, средняя мощность которых определяется формулой Найквиста: P_ш=4kT∆f,

где k - постоянная Больцмана, равная k= 1,38·10 -23 Дж/К;
Т - абсолютная температура; ∆f - полоса частот, к которой относится мощность.

В полной эквивалентной схеме резистивного преобразователя (рис.2, г) напряжение шума учитывается в виде источника ЭДС U_ш.

В зависимости от условий работы преобразователя должны быть учтены те или иные составляющие эквивалентной схемы, однако всегда приходится учитывать сопротивление соединительных проводов и контактов и сопротивление изоляции, поэтому устранению их влияний уделяется особое внимание. Кроме того, при включении преобразователя в измерительную цепь приходится учитывать электрохимическую ЭДС е_эх, термо-ЭДС и ЭДС наводок е_инд и е_э.

Чувствительность преобразователя и влияние внешних факторов.

В общем случае на резистивный преобразователь влияют различные по физической природе величины: электрические (Х_э), магнитные (Х_м), механические (Х_мх), тепловые (Х_т), световые (Х_с) и т. д.

Функциональные зависимости между сопротивлением резистивного преобразователя и воздействующим фактором используются для построения соответствующих преобразователей, но в то же время приводят к нестабильности сопротивления и появлению погрешностей. Поэтому при построении преобразователя стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления происходило под действием лишь одной измеряемой величины; для этого влияние остальных величин сводят к минимуму конструктивным путем или применением компенсирующих устройств.

Одним из наиболее существенно влияющих факторов является температура. Для чистых металлов и большинства сплавов сопротивление повышается с ростом температуры. Температурная зависимость сопротивления манганина в диапазоне температур 10-35 °С определяется формулой:

В более широком диапазоне температур (от --100 до +300 °С) изменение сопротивления достигает ±0,5%. Удельное сопротивление полупроводников с ростом температуры падает, зависимость сопротивления от температуры нелинейная, но в диапазоне температур 10--30 °С можно приближенно считать ТКС равным 0,03 Кг 1 . Для уменьшения температурных погрешностей применяется термостатирование преобразователей и различные схемы температурной коррекции.

Изменение сопротивлений под действием однонаправленного механического напряжения σ, вызывающего относительную деформацию . Чувствительность проводниковых и полупроводниковых материалов к давлению окружающей среды характеризуется барическим коэффициентом . Этот эффект для металлов сказывается лишь при очень высоких давлениях (больше 10 8 Па).

Для измерения высоких и сверхвысоких давлений (до 30-Ю 8 Па) используются манганиновые преобразователи. Барический коэффициент манганина Кр = 2,5-10 -11 Па -1 . Для работы в активных средах применяются сплавы золота с хромом. Ведется также исследование полупроводниковых материалов, барические коэффициенты которых значительно выше.

Влияние внешнего магнитного поля заметно лишь в преобразователях из специальных материалов, поэтому в большинстве случаев влияние магнитного поля на стабильность резисторов не учитывается.

Освещенность существенно влияет на сопротивление полупроводниковых резисторов. В специально разработанных фоторезисторах сопротивление при переходе от темноты к полной освещенности уменьшается в 100--1000 раз. На другие полупроводниковые резисторы (терморезисторы, тензорезисторы) освещенность влияет, безусловно, меньше, однако может привести к заметной нестабильности их характеристик; поэтому они должны быть экранированы от световых потоков.

Радиоактивное излучение влияет на металлические и полупроводниковые резисторы, вызывая при больших дозах даже необратимые изменения, определяемые как изменениями самого сопротивления, так и ухудшениями свойств изоляции и нарушением герметичности. На основе селенистого кадмия и сернистого кадмия выпускаются специальные резисторы, чувствительные к радиоактивному излучению.

Удельная проводимость некоторых полупроводниковых материалов существенно зависит от напряженности электрического поля. На основе этих материалов (тирит, тервит, винит) разработаны и выпускаются нелинейные полупроводниковые резисторы, называемые варисторами. Сопротивление варистора падает при увеличении напряжения на нем, коэффициент чувствительности к напряжению достигает 0,1--1 В - 1 при напряжении питания до 10 - 20 В. Варисторы находят применение в схемах регулирования и стабилизации электрических величин, а также в схемах защиты от перенапряжений

Читайте также: