Измерительные преобразователи электрических величин

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Измерительные преобразователи электрических величин

Измерительные преобразователи электрических величин

1

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Реферат

по дисциплине ОМЭТ

Тема: Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрические схемы, режим работы, метрологические характеристики и области применения

Студента Группы ЭСЭ 22-в

Левицкого Павла Владимировича

Проверил -----------------------------(------------------)

Севастополь

2008 г.

Введение

Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков. Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники, число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений. При косвенных измерениях широко применяется преобразование измеряемой величины в процессе измерений. Если мы проанализируем известные нам процессы измерений, то обнаружим, что в подавляющем большинстве случаев мы получаем числовое значение измеряемой величины, только после того, как тем или иным способом видоизменим ее. Рассмотрим в качестве примера измерение массы тела, которую мы измеряем с помощью обыкновенных равноплечих весов. Под действием земного притяжения создаются силы. Масса тела вместе с этими силами давит на одну чашку, а масса гирь - на другую. Подбирая гири, мы добиваемся равновесия, т.е. равенство этих сил. Это дает нам право сказать, что масса взвешиваемого тела равна массе гирь, принимая, что сила земного притяжения на расстоянии между чашками остается одной и той же. Как видим, для измерения массы нам пришлось преобразовать массы тела и гирь в силы, а для сравнения сил между собой преобразовать их действие в механическое перемещение рычагов весов. Приведенный пример показывает, что даже простые измерения проводятся путем преобразования измеряемой величины. Необходимо отметить, что преобразования измеряемых величин всегда таят в себе опасность внесения погрешностей. Например, при взвешивании, описанном выше, мы не учли закона Архимеда, в соответствии с которым вес тела, находящегося в какой - либо среде, уменьшается на вес вытесненного телом объема среды, если плотность материала гирь отличается от плотности вещества взвешиваемого тела. Другими словами, объем вытесненного воздуха различен, при взвешивании влияние этого явления может исказить результат. Правда это влияние оказывается очень небольшим и учитывать его приходится только при точных взвешиваниях, в частности, при взвешивании драгоценных металлов. Основным выводом из сказанного является то, что в подавляющем большинстве случаев измерения связаны с преобразованием измеряемой величины.

1. Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрические схемы, режим работы, метрологические характеристики и области применения

1.1 Метрологические термины и определения

Измерения проводятся с помощью технических средств измерений. Основные виды средств измерений следующие:- мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера, например, мера массы - гиря;- измерительный прибор -это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором. - измерительный преобразователь -это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не подающейся непосредственному восприятию оператором. Измерительные преобразователи в зависимости от их назначения подразделяются на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и другие.- первичный измерительный преобразователь - это преобразователь, к которому подведена измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, масштабный измерительный преобразователь - для изменения измеряемой величины в заданное число раз.

- измерительное устройство - это средство измерений, состоящее из измерительных приборов и измерительных преобразователей. В зависимости от назначения измерительные устройства подразделяются на первичные и вторичные. - измерительные информационные системы - это измерительное устройство, которое осуществляет многоканальное измерение и обработку информации по некоторому заданному алгоритму.

1.2 Физические основы преобразователей

1.2.1 Резистивные преобразователи

Реостатные преобразователи

Реостатным преобразователем называют реостат, подвижный контакт которого перемещается в соответствии со значением измеряемой величины. Естественная входная величина реостатного преобразователя - перемещение, выходная - активное сопротивление.

Используют реостатные преобразователи двух основных типов: проволочные и пленочные. Наибольшее распространение получили проволочные преобразователи, схема конструкции которых приведена на рис. 1, а. На неподвижный каркас плотно наматывают изолированный провод, который образует обмотку с сопротивлением R. Обмотка включается в цепь постоянного напряжения V. На обмотке очищается от изоляции "контактная дорожка", по которой может перемещаться щетка 1, жестко закрепленная в щеткодержателе 2. При этом создается скользящая контактная пара: щетка - контактная дорожка. Каркас преобразователя изготавливают из изоляционных материалов: эбонита, текстолита, радиокерамики и других. Наиболее распространенными материалами

Рис. 1. Реостатные преобразователи

Провода являются манганин, константан, а также сплавы из благородных металлов; золота с никелем, серебра с медью и других. Диаметр провода изменяется, в пределах 0,03-0,1 мм для прецизионных реостатов и достигает 0,3 мм в грубых реостатах. Щетку выполняют в виде двух-трех проволочек диаметром 0,1-0,2 мм. Каркас может иметь не только прямоугольную, но и более сложную форму. Для получения нелинейной характеристики используют фигурные каркасы (рис. 1,6).Статической характеристикой реостатного преобразователя является зависимость Rвых = f(x) или Uвых = ш(x), где х -- перемещение щетки. Эти зависимости могут быть линейными (рис. 1, а) и нелинейными (рис.1, б). На рис.1, а сплошной линией показана реальная характеристика проволочных реостатных преобразователей. Ступенчатый вид характеристики показывает, что при движении щетки в момент перехода от одного витка к другому сопротивление или напряжение изменяется скачками. С помощью ступенчатой кривой определяется порог чувствительности или витковая погрешность преобразователя. Для линейного реостата витковая погрешность определяется.

Рис. 6. Конструкция и схемы включения индуктивных пореобразователей.

Выходной параметр индуктивного преобразователя - изменение индуктивности L обмотки, надетой на сердечник, при изменении зазора д или площади S.

Для измерения больших перемещений применяют индуктивные преобразователи соленоидного типа ( рис.6. в.). Изменение индуктивности в этих преобразователях вызывается перемещением в катушке ферромагнитного сердечника. Соленоидные преобразователи могут применяться для измерения перемещений 100 - 1000 мм.Особенность индуктивных преобразователей в том, что чувствительность их к внешним факторам не зависит от чувствительности к измеряемой величине, поэтому увеличение чувствительности к измеряемой величине приводит к уменьшению погрешности преобразователя.Индуктивные преобразователи применяют для измерения перемещений, толщены покрытий, в микромерах. Изготавливают также индуктивные динаметры и манометры, в которых усилие и давление преобразуется в перемещение при помощи упругих элементов, т.е. промежуточных преобразователей.При эксплуатации индуктивных преобразователей следует учитывать электромеханическую силу, действующую на подвижный сердечник. Поэтому их можно использовать только для измерения достаточно больших сил.Динамические характеристики индуктивных преобразователей определяются в основном параметрами подвижной механической системы, которая чаще всего является колебательной.

Трансформаторные преобразователи.

Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности, называются трансформаторными.

На рис.7. а и б показаны трасформаторные преобразователи с подвижным сердечником.

Рис.7. Конструкции и схемы включения трансформаторных преобразователей

Достоинства трансформаторных преобразователей : достаточная мощность сигнала без усилительных устройств, сравнительная простота для измерения усилий и давлений. Трансформаторные преобразователи применяют в сочетании с упругими элементами (мембранами, пружинами).Недостатки индуктивных и трансформаторных преобразователей - в большой инерционности, необходимости регулировки и компенсации начального напряжения на выходе преобразователя. Кроме того, для уменьшения помех оба преобразователя нуждаются в тщательной экранировке, что увеличивает размеры и массу преобразователя. Погрешности трансформаторных преобразователей вызываются в основном нестабильностью напряжения и частоты источника питания, а также влиянием изменения температуры.При измерении динамических процессов частота источника питания должна быть значительно выше частоты измеряемого процесса. При измерении медленно меняющихся процессов преобразователь подключают к источнику питания промышленной частоты.

Магнитоупругие преобразователи.

Преобразователи, основанные на изменении магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называют магнитоупругими.Магнитоупругий преобразователь представляет собой ферромагнитный сердечник с одной или двумя обмотками, к которому прикладываются механические усилия. Усилие создает в сердечнике механическое напряжение, которое приводит к изменению магнитной проницаемости м и, следовательно, к изменению магнитного сопротивления, что обуславливает изменение электрического сопротивления Z катушки. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе имеется следующая цепь преобразований:F > у > м > R > Z или e. Магнитоупругий эффект объясняется дополнительным магнитным взаимодействием атомом вследствие искажения атомной решетки кристалла от воздействия механических усилий. В общем случае зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеет довольно нелинейный характер. Однако, выбирая оптимальные режимы работы, можно получить относительно линейную зависимость.

Существует большое разнообразие конструктивных форм магнитоупругих преобразователей. Их можно разбить на две основные группы: преобразователи дроссельного и трансформаторного типов.В преобразователях дроссельного типа изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрического сопротивления катушки дросселя.В преобразователях трансформаторного типа в качестве выходной величины используется взаимная индуктивность. Такие пореобразователи - по существу трансформаторные с переменным коэффициентом трансформации. Конструкции основных типов магнитоупругих преобразователей показаны на рис. 8.

Рис.8. Конструкции магнитоупругих преобразователей.

Сердечник преобразователя при измерении сосредоточенных сил может претерпевать деформацию сжатия (растяжения) (рис. 8. а, б, и в ) или изгиба (рис.8.д.). На рис.8.г. изображен тензометрический магнитоупругий преобразователь, магнитная цепь которого выполнена из тонкого листа пермаллоя, наклеенного на исследуемую деталь.

В преобразователях, приведенных на рис.8. а-д, используется эффект изменение магнитной проницаемости сердечника в одном направлении. В настоящее время широкое применение получили магнитоупругие преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. магнитная анизотропия сердечника. На рис.8. е показана конструкция магнитноанизотропного преобразователя со скрещенными обмотками. Первичная и вторичная обмотки расположены в сплошном магнитопроводе под прямым углом друг к другу. В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки не пересекают вторичную обмотку, в результате чего ЭДС вторичной обмотки равно нулю. При действии усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитное поле вытягивается в направлении большей проницаемости, сжимается в направлении меньшей проницаемости и, сцепляясь со вторичной обмоткой, индуцирует в ней ЭДС, пропорциональную приложенному усилию.

Магнитострикционный эффект - четный эффект, т.е. знак деформации сердечника не меняется при перемене направления поля на обратное. Частота изменения деформаций или колебаний сердечника в 2 раза больше частоты переменного тока, протекающего через обмотку преобразователя. На магнитострикционном эффекте основана работа магнитострикционных ультразвуковых преобразователей или излучателей.

Основные достоинства магнитоупругих преобразователей: высокие мощность и уровень выходного сигнала, надежность, простота конструкции. Однко магнитоупругие преобразователи обладают довольно большими погрешностями. Основные источники погрешностей: температурная погрешность и магнитоупругий гистерезис. При быстроизменяющихся усилий следует учитывать также инерционность магнитоупругих преобразователей.

Индукционные преобразователи.

Преобразователи, в которых используется яление электромагнитной индукции, т.е. наведение ЭДС в электрическом контуре при изменении магнитного потока, называются индукционными.По принципу действия индукционные преобразователи подразделяются на две группы.В преобразователях первой группы магнитное сопротивление постоянного магнитного потока остается неизменным, а индуцированная ЭДС наводится из-за линейных или угловых перемещений сердечника катушки в зазоре ( рис. 9.).

Н1

UIII

К1

UII = UIII - UIIII

U1

Н2

UIIII

К2

От ЧЭ Рис. 9. Индукционный преобразователь.

В некоторых конструкциях перемещается катушка. Конструктивно преобразователь представляет собой катушку, имеющую три обмотки.

Первичная обмотка равномерно распределена по всей длине. Две вторичные обмотки выполнены в виде отдельных секций с одинаковым числом витков. Внутри каркаса размещен сердечник, связанный со штоком чувствительного элемента., где:- ЭДС верхней вторичной обмотки;- ЭДС нижней вторичной обмотки;К - коэффициент продолжительности;- частота переменного напряжения, подаваемого на первичную обмотку;- напряжение первичной обмотки;М - взаимоиндуктивность первичной и вторичных обмоток.Так как вторичные обмотки включены встречно, то суммарное напряжение на выходе преобразователя в среднем положении сердечникаравно нулю:.При изменении давления сердечник перемещается, например, вверх. Вследствие этого взаимоиндуктивность катушек изменяется на . ЭДС во вторичных обмотках будут иметь: На выходе преобразователя будет действовать напряжение

При перемещении сердечника вниз на выходе преобразователя действует напряжение Изменение взаимоиндуктивности пропорционально изменению положения сердечника :.

Таким образом, величина действующего напряжения Uii определяется перемещением сердечника и пропорциональна этому перемещению.

В преобразователях второй группы магнит и катушка неподвижны. А индуцированная ЭДС наводится путем изменения магнитного потока вследствие колебания магнитного сопротивления магнитной цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора этой цепи

Рис. 10. Конструкции индукционных преобразователей.

При вращении ротора происходит изменение сопротивления магнитной цепи с частотой, определяемой скорость вращения и числом зубцов. Индукционные преобразователи, предназначенные для измерения скорости вращения, называют тахогенераторами. Тахогенераторы - это электрические машины, работающие в генераторном режиме и служащие для преобразования скорости вращения в пропорциональный электрический сигнал.

1.2.3 Емкостные преобразователи

В основу работы емкостного преобразователя положено изменение его емкости под действием входной измеряемой величины. Емкость плоского конденсатора, как известно, выражается формулой

= S / д где -- диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S -- площадь поверхности обкладки; д - расстояние между обкладками, или толщина диэлектрика. Таким образом, изменение емкости преобразователя можно получить, изменяя:1) расстояние между обкладками (рис. 11, а); 2) площадь электродов, образующих емкость (рис. 11,6); 3) диэлектрическую проницаемость диэлектрика (рис. 11, в). Как видно из формулы зависимость емкости от диэлектрической проницаемости и площади пластин имеет линейный характер, а от расстояния между пластинами - нелинейный, гиперболический характер.Если обозначить емкость, в отсутствие измеряемой величины через , а в момент измерения , то изменение емкости составляет: = -

Рис. 12. Схема включения тензочувствительных пьезоэлектрических преобразователей

Пьезоэлектрические преобразователи с изменяющимся акустическим импедансом строят на основе пьезоэлектрических резонаторов и пьезоэлектрических трансформаторов. Об измеряемом усилии судят либо по изменению тока в цепи пьезорезонатора либо по изменению выходного напряжения или сдвига фаз между входным и выходным напряжениями пьезотрансформатора. Пьезорезонаторы и пьезотрансформаторы включаются также в частотозадающую цепь автогенератора В этом случае об измеряемом усилии судят по изменению частоты колебаний или напряжения на выходе автогенератора. Измеряемая нагрузка прикладывается либо непосредственно к пьезорезонатору или пьезотрансформатору, либо к сочлененному с ними акустическому чувствительному элементу. В первом случае преобразователи называют контактными преобразователями, во втором -- преобразователями с акустическими чувствительными элементами.

Пьезоэлектрические преобразователи с изменяющимся акустическим импедансом применяют для измерения широкого круга механических величин, параметров жидкостей и газов, а также электрических и магнитных величин.

Тензочувствительные преобразователи

Тензочувствительностью или силочувствительностыо пьезоэлектрического резонатора называют зависимость его резонансной частоты от силы или деформации, определяемой силовым воздействием. Преобразователь может характеризоваться как преобразователь силы в частоту, либо как преобразователь деформации в частоту.

Изменение частоты при деформациях пьезорезонатора определяется уровнем и характером механических напряжений, поэтому более точно характеризует физическую сущность преобразования коэффициент тензочувствительности = ;

Тензочувствительные преобразователи строятся главным образом на основе пьезорезонаторов, в которых возбуждаются колебания сдвига по толщине и колебания изгибаю Тенэочувствительные преобразователи, использующие колебания сдвига по толщине, выполняют в виде прямоугольных пластин, стержней, круглых линз, в центральной части которых размещаются электроды

Рис.14. Тензочувствитеьные пьезорезонаторы с возбуждением колебаний сдвига.

Толщина пьезоэлементов в зависимости от резонансной частоты выбирается 0,05 - 33 мм при поперечных размерах 3--30 мм. Кроме того, вклад в тезночувствительность дает также изменение упругих свойств пьезоэлемента. Изменение частоты зависит от направления прикладываемой нагрузки.

Термочувствительные преобразователи.

Под термочувствительностью пьезоэлектрического резонатора понимается зависимость его резонансной частоты от температуры. Коэффициент термочувствительности можно представить как производную от частоты по температуре

Конструктивно термочувствительные пьезорезонаторы выполняются в виде пластин или линз подобно тензочувствительным. Термочувствительность кварцевых пьезорезонаторов зависит от типа среза. Минимальную зависимость имеют кварцевые резонаторы АТ-среза, которые применяются в тензочувствительных преобразователях. Коэффициент термочувствительности увеличивается пропорционально частоте резонатора, поэтому в измерительных преобразователях используются высокочастотные резонаторы с колебаниями сдвига по толщине. Для резонаторов -срезов экспериментальные значения термочувствительности достигаются при углах ? +5° и ? +70°. Высокой термочувствительностью обладают резонаторы из ниобата лития при возбуждении колебаний по толщине.

1.2.5 Тепловые преобразователи

Термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей или термопар основан на явлении термоэлектрического эффекта, которое заключается в том, что в цепи из двух различных проводников (или полупроводников), соединенных между собой концами при разности температур соединений возникает ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения спаями. Рабочий конец термопары, помещенный в измеряемую среду, называют горчим спаем, а свободный (нерабочий) - холодным. Один из термоэлектродов называется термоположительным, а второй - термоотрицательным. Термоположительным называют тот проводник, от которого термоток течет в холодном спае, а термоотрицательным - тот проводник, к которому течет термоток в том же холодном спае.При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС пропорциональна разности температур. Величина термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратных явлений. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то в одном спае выделяется тепло, а на другом поглощается.

На рис.1 изображена электрическая цепь, состоящая из двух разнородных проводников.

t0, 0C

1 2

Электрохимический преобразователь представляет собой электролитичекую ячейку, заполненную раствором, с помещенными в ней двумя или несколькими электродами, служащими для включения преобразователя в электрическую цепь. Как элемент электрической цепи электолитическая ячейка характеризуется сопротивлением, емкостью, индуктивностью, падением напряжения от проходящего тока, развиваемой ЭДС.

Выделяя зависимость одного из этих электрических параметров от измеряемой неэлектрической величины, создают электрохимические преобразователи для измерения и контроля концентрации, давления, перемещения и других неэлектрических величин.

Гальванические преобразователи.

Принцип действия гальванических измерительных преобразователей основан на зависимости электродных потенциалов, т.е. гальванической ЭДС, от состава и концентрации растворов. Наиболее широкое применение они получили для измерения и контроля активности водородных ионов, по которой определяют состав и свойства раствораов.

Электропроводность воды обусловлена тем, что ее молекулы часто диссоциируют на ионы водорода Н+ и ионы гидрокисла ОНЇ :

Н2О = Н+ + ОНЇ.

Приборы для измерения этого называют рН-метрами.

1.2.7. Оптические преобразователи