Типы преобразователей

60

Московский Государственный Открытый Университет

Курсовой проект

По дисциплине: Основы проектирования приборов и систем

На Тему: Типы преобразователей и преобразование ими сигналов

Выполнил: Кузенков И.Г.

Москва 2008 г.

Содержание

Введение

1.Измерительные преобразователи

1.1 Механические элементарные преобразователи

1.2 Электрические элементарные преобразователи

2.Промежуточные преобразователи

2.1 Преобразователь силы в давление сжатого воздуха

2.2 Преобразователь тока в давление сжатого воздуха

2.3 Преобразователь силы в ток

2.4 Преобразователь Э.Д.С. термопары в ток

2.5 Преобразователь электрического сопротивления термометра в ток

2.6 Преобразователь напряжения переменного тока в ток

2.7 Преобразователь давления сжатого воздуха в ток

3.Основные типы полупроводниковых преобразователей электрической энергии

4.Фотоэлектрические преобразователи энергии

5.Аналого-цифровые преобразователи

6.Цифро-аналоговые преобразователи

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Возможно, наиболее увлекательной (и наиболее полезной) областью применения электроники являются сбор и использование данных о технологических процессах или при научных экспериментах. Вообще говоря, первичные преобразователи или датчики (устройства, с по мощью которых некоторые физические величины, такие, например как температура или светимость, преобразуются в напряжение, или другие электрические сигналы) используются мя получения сигналов, которые далее могут обрабатываться в электронных схемах, кодироваться с помощью АЦП, запоминаться и анализироваться компьютерами. Если исследуемый сигнал настолько мал, что его маскируют шумы и помехи, то используются мощные метод выделения частот сигнала, такие, как «детектирование с захватом» ‚ усреднение сигналов, многоканальные счетчики, а также корреляционный и спектральный анализы, с помощью которых требуемый сигнал восстанавливается. В конце концов, результаты таких физических измерений можно использовать мя внешнего управления самим экспериментом или мя контроля процесса, который обычно обеспечивается небольшим компьютером или микропроцессором, предназначенным мя такой задачи. Недавние достижения в развитии мощных и недорогих микропроцессоров привели к бурному проникновению электроники в область управления и регистрации хода процессов, что не имело прецедентов всею десять лет назад.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.2 Наименование разработки:

Разработка преобразователей различного типа и преобразование ими сигналов

1.3 Основание для создания:

Необходимость модернизации сбора и использования данных о технологических процессах или о научных экспериментах.

1.4 Назначение и цель:

Наиболее важной областью применения электроники являются сбор и использование данных о технологических процессах или при научных экспериментах. Первичные преобразователи или датчики (устройства, с помощью которых некоторые физические величины, такие, например как температура или светимость, преобразуются в напряжение, или другие электрические сигналы) используются для получения сигналов, которые далее могут обрабатываться в электронных схемах, кодироваться с помощью АЦП, запоминаться и анализироваться компьютерами. Поэтому целью данной работы является разработка системы приборов обработки результатов физических измерений, которые можно использовать для внешнего управления самим экспериментом или для контроля процесса, который обычно обеспечивается небольшим компьютером или микропроцессором, предназначенным для такой задачи.

1.5 Требования к системе:

- Приборы соответствуют требованиям ГОСТ. 222SI-76 и ГОСТ 9781-78

- Приборы относятся по условиям применения к группе 4 ГОСТ 22261-76;

- Приборы относятся по точности измерения к классу 1,0 и 1,5 ГОСТ 9781-78.

Нормальные значения влияющих величин должны соответствовать стандартным параметрам по умолчанию.

1. Измерительные преобразователи

В настоящее время в технике широко применяют блочный принцип построения сложных технических устройств. В соответствии с этим принципом функции, выполняемые сложным устройством, разбивают на ряд простых, элементарных. Элементарные функции выполняют и более простые устройства. Любое сложное устройство может быть собрано из таких простых устройств. Любую АСР, например, можно собрать из унифицированных элементов: измерительных устройств, сумматоров, регуляторов и регулирующих органов.

Измерительную цепь, также целесообразно разбить на ряд элементов: первичный преобразователь, промежуточные преобразователи и измерительный прибор. Это позволяет унифицировать промежуточные преобразователи и измерительные приборы в существенно сократить их номенклатуру. Вообще блочный принцип дает возможность унифицировать отдельные элементы сложных устройств и облегчает их соединение.

При разработке промежуточных преобразователей и измерительных приборов также используют блочный принцип, разбивая их на простейшие преобразователи, каждый из которых выполняет, как правило, одну элементарную функцию и называется элементарным. Однако элементарные преобразователи обычно не обеспечивают требуемых метрологических характеристик преобразования: малой погрешности, стабильности, линейности, чувствительности, а также достаточной мощности выходного сигнала. Поэтому в промышленных преобразователях и измерительных приборах применяют комбинации элементарных преобразователей с использованием обратной связи, корректирующих в регулирующих элементов, усилителей сигналов и т. п.

1.1. Механические элементарные преобразователи

Наиболее распространенные механические элементарные преобразователи: рычаг, шток, пружина.

1. Рычаг. Служит для преобразования вращающего момента М в угловое перемещение (рис. 1). При малых углах поворота рычага перемещение всех его точек почти линейное. Поэтому рычаг с малым углом поворота можно считать преобразователем момента в линейное перемещение l. Рычаг может находиться в состоянии равновесия только при отсутствии входного сигнала, когда действующий на него вращающий момент М равен нулю. При наличии входного сигнала (М не равен нулю) рычаг непрерывно поворачивается и его выходной сигнал (перемещение l) непрерывно изменяется. При снятии входного сигнала это изменение прекратится, а положение рычага в этот момент может оказаться любым. Такой вид зависимости выходного сигнала от входного характерен для интегратора. Следовательно, рычажный преобразователь вращающего момента в перемещение является интегратором.

Рис.1 Рычаг.



2. Шток.

Рис.2 Шток

Служит для преобразования силы F в линейное перемещение l (рис. 2). Если на шток действует несколько сил, направленных вдоль его оси, то за F принимают результирующую этих сил. При наличии входного сигнала Е шток непрерывно перемещается, т. е. его выходной сигнал l непрерывно изменяется. При снятии входного сигнала перемещение штока прекратится и его положение в этот момент может оказаться любым. Следовательно, шток, как и рычаг, является интегратором.

3. Пружина служит для преобразования линейного перемещения l в силу F (рис. 3). Между деформацией пружины l и усилием F имеется

Линейная зависимость:

Коэффициент пропорциональности k, называемый жесткостью пружины, представляет собой коэффициент передачи ее как преобразователя. Жесткость каждой пружины -- постоянная вели чина. Жесткости пружин различного назначения могут сильно отличаться. Существуют пружины, обладающие очень большой жесткостью, например пружины в рессорах железнодорожных вагонов. Имеются и пружины с очень малой жесткостью, например в наручных часах. С помощью пружины можно производить и обратное преобразование силы в перемещение. При этом ее статическая характеристика также будет линейной.

Рис.3 Пружина.

1.2.Электрические элементарные преобразователи

Наиболее распространенные электрические элементарные преобразователи рассмотрены в данном разделе. Ими являются: реостат, неуравновешенный мост, магнитоэлектрический преобразователь, трансформаторный преобразователь, усилитель, реверсивный электродвигатель

Реостат. Представляет собой намотанную на каркас проволочную спираль, по которой перемещается передвижной контакт (рис. 4). Реостат предназначен для преобразования перемещения l в изменение электрического сопротивления R

.

Рис.4 Реостат.

Существуют реостаты с линейной и нелинейной характеристиками. Зависимость выходного сигнала от входного для реостатов с линейной характеристикой имеет вид:

Достоинство реостата как преобразователя -- возможность получения любой заданной зависимости выходного сигнала от входного, например линейной или квадратичной. Следует иметь в виду, что для работы реостата как преобразователя его необходимо включить в электрическую цепь. При этом в зависимости от способа включения выходным сигналом реостата может быть напряжение на нем, ток или сопротивление. В последнем случае его включают в специальную схему, называемую уравновешенным мостом.

Неуравновешенный мост. Некоторые технологические параметры, например температура, первичным преобразователем преобразуются в изменение электрического сопротивления. Такие преобразователи можно рассматривать как резисторы с переменным сопротивлением. Для работы переменного резистора его так же, как и реостат, необходимо включить в электрическую цепь, В качестве такой цепи часто используют неуравновешенный мост, который преобразует переменное сопротивление в напряжение.

Чтобы понять принцип действия неуравновешенного моста, рассмотрим сначала более простой преобразователь сопротивления в напряжение, называемый делителем. Делитель представляет собой последовательное соединение переменного резистора R1 и постоянного резистора R2, включенных по схеме, показанной на рис. 4, а. Входным сигналом делителя является сопротивление резистора R1, а выходным -- напряжение на нем U1(рис.4,6).

Для работы делителя на него необходимо подать напряжение питания U пит. При изменении входного сигнала -- сопротивления R1 -- изменяется и общее сопротивление делителя равное R1+ R2.При этом изменяется ток через делитель i в напряжение на переменном резисторе U1, т. е. выходной сигнал. В соответствии с законом Ома для участка цепи ток i через делитель

равен:

а напряжение на резисторе R1 по формуле:

Изменение сопротивления R1 приводит к изменению и числителя и знаменателя дроби в формуле. Однако, в отличие от числителя, знаменатель при этом изменяется слабее, так как здесь R1 является лишь одним из слагаемых. Это приводит к нелинейности статической характеристики делителя Д, которая приведена на рис.5, в

Рис.5 Делитель:

а - схема; б - структурная схема; в - статическая характеристика;

Д - делитель.

Кроме нелинейности характеристики делитель обладает еще одним недостатком: его выходное напряжение равно нулю лишь при нулевом сопротивлении переменного резистора R1. Диапазон же изменения сопротивления переменных резисторов, применяемых в качестве датчиков, как правило, начинается не от нуля, а от некоторого начального сопротивления R1н. Поэтому выходное напряжение Делителя начинается с величины U1н и часть диапазона выходного сигнала от О до U1н оказывается неиспользованной.

Этого недостатка лишен неуравновешенный мост (рис. 6, а) благодаря применению в нем двух делителей: рассмотренного выше делителя Д1 с переменным резистором R1 и делителя Д2 с постоянными резисторами R3 и R4. Резисторы составляющие мост, называются его плечами.

Входным сигналом моста является сопротивление переменного резистора R1 а выходным -- напряжение ?U, равное разности выходных сигналов делителей U1и U2 Выходной сигнал постоянного делителя связан с сопротивлениями его резисторов, так же как и в переменном делителе, по формуле:

Поэтому для уравновешенного моста зависимость выходного сигнала от входного имеет вид:

Эта зависимость приведена на рис.6, в.



Рис.6 Неуравновешенный мост.

а - схема, б - структурная схема; в - статическая характеристика; Д1,Д2 - делитель С - сумматор.

Как видно из графика, зависимость выходного сигнала неуравновешенного моста от входного нелинейна. Из графика также видно, что выходное напряжение неуравновешенного моста ?U равно нулю при начальном сопротивлении переменного резистора R1н. Как следует из формулы , подбором сопротивлений постоянных плеч моста всегда можно добиться того, чтобы нулевой выходной сигнал соответствовал началу диапазона изменения сопротивления переменного резистора (чтобы начало диапазона было т точке R1).

Состояние моста, при котором его выходной сигнал равен нулю, называется состоянием равновесия, а мост в этом состоянии -- уравновешенным.

Из формулы видно, что условие равновесия моста выполняется при равенстве произведений противоположных плеч моста, т. е. когда

Неуравновешенный мост как преобразователь сопротивления в напряжение ?U можно представить как алгебраический сумматор двух напряжений U1и U2 (рис. , 6). Напряжение U1 является выходным сигналом делителя Д1 и изменяется при изменении его входного сигнала -- сопротивления R1. Напряжение U2 является выходным сигналом делителя Д2, образованного постоянными резисторами R3.и R4 Следовательно, величина напряжения U2 постоянна. Из анализа рис. 6,б можно заключить, что неуравновешенный мост реализует дифференциальный метод измерения, а делитель Д2 представляет собой постоянную меру. Особенность неуравновешенного моста заключается в том, что мера конструктивно является частью моста и образована резисторами его постоянных плеч.

Магнитоэлектрический преобразователь. Предназначен для преобразования тока в силу (рис.7).

Рис.7.Магнитоэлектрический преобразователь.

1 - постоянный магнит; 2 - магнитопрвод; 3 - катушка.

Он состоит из постоянного магнита 1 и магнитопровода 2, образующих магнитную цепь, в разрыве которой помещена катушка 3. При взаимодействии электрического тока i, протекающего по катушке, с полем постоянного магнита возникает сила F, действующая на катушку. Зависимость этой силы от тока по закону силового действия тока выражается формулой:

Достоинством магнитоэлектрического преобразователя является линейность его характеристики.

Трансформаторный преобразователь. Трансформаторный преобразователь служит для преобразования перемещения в напряжение переменного тока. Для преобразования линейных перемещений наибольшее применение получили дифференциально-трансформаторные преобразователи, а для угловых перемещений -- ферродинамические

Чтобы понять принцип действия дифференциально-трансформаторного преобразователя, рассмотрим сначала более простой преобразователь линейного перемещения (рис.8). Он представляет собой трансформатор, состоящий из двух обмоток: первичной 1 и вторичной 2, расположенных на каркасе З. Внутри каркаса может перемещаться железный плунжер 4, который изменяет магнитную проницаемость среды. Поэтому выходной сигнал трансформатора -- напряжение переменного тока U -- зависит от входного сигнала -- положения плунжера l. Напряжение максимально, когда плунжер находится в середине каркаса, и уменьшается при его выдвижении из каркаса. Зависимость выходного сигнала трансформатора U от входного l приведена на рис. 8,в.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь (рис. 9) состоит из двух одинаковых трансформаторов с общим каркасом и плунжером. Обе обмотки каждого трансформатора расположены на одной из половин каркаса

Рис.8 Трансформаторный преобразователь

а - устроиство;б - электрическая схема; в - статическая характеристика;1 - первичная обмотка;2 - вторичная обмотка;3 - каркас;4 - плунжер.

Электрическая схема дифференциально-трансформаторного преобразователя показана на рис. 9, 6. Как видно из схемы, первичные обмотки обоих трансформаторов соединены так, что одна является продолжением другой (согласное включение об моток). Вторичные же обмотки трансформаторов соединены таким образом, что их напряжения вычитаются друг из друга (встречное включение). Поэтому и результирующее напряжение U дифференциально-трансформаторного преобразователя равно разности напряжений вторичных обмоток составляющих его трансформаторов.

Зависимость напряжения дифференциально-трансформаторного преобразователя U (выходной сигнал) от перемещения плунжера l (входной сигнал) приведена на рис. 9, в. Из рисунка видно, что при среднем положении плунжера (l = О) выходной сигнал равен нулю.

В промышленных дифференциально-трансформаторных преобразователях ход плунжера выбирается малым по сравнению с длиной катушек трансформатора (обычно не более 5 мм). При этом, как видно из рис. 9, в, зависимость напряжения U от перемещения плунжера l можно считать линейной:

где коэффициент пропорциональности k является коэффициентом передачи дифференциально-трансформаторного преобразователя. Линейность статической характеристики выгодно отличает

дифференциально-трансформаторный преобразователь от простого трансформаторного

Рис.9 Дифференциально-трансформаторныи преобразователь

а - устроиство;б - электрическая схема; в - статическая характеристика;1 - первичная обмотка;2 - вторичная обмотка;3 - каркас;4 - плунжер.

Рассмотрим теперь ферродинамический преобразователь углового перемещения в напряжение переменного тока (рис.10). Он представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого 1 намотана на железный сердечник 2, а вторичная обмотка З выполнена в виде поворотной рамки и находится в зазоре между концами сердечника. В соответствии с законом электромагнитной индукции напряжение U зависит от положения вторичной обмотки по отношению к силовым линиям магнитного поля между концами сердечника. Когда рамка со вторичной обмоткой расположена вдоль силовых линий, напряжение равно нулю. При повороте рамки в ту или иную сторону от этого положения напряжение увеличивается по абсолютной величине, а его фаза зависит от направления поворота рамки. Зависимость выходного сигнала ферродинамического преобразователя -- напряжения U -- от входного сигнала -- угла поворота рамки ? -- приведена на рис. 10, б.

В промышленных ферродинамических преобразователях используется небольшой угол поворота рамки (обычно ±20оС), при котором зависимость напряжения U от угла поворота ? остается линейной:

Рис.10 Дифференциально-трансформаторныи преобразователь

а - устроиство;б - статическая характеристика;1 - первичная обмотка;2 - сердечник;3 - вторичная обмотка (рамка).

Необходимо иметь в виду, что трансформаторный преобразователь следует включать в электрическую цепь переменного тока. При этом его выходной сигнал U будет зависеть от колебаний питающего напряжения, что является недостатком данной схемы. Для устранения этого недостатка приходится применять стабилизированные источники питания.

Трансформаторные преобразователи, так же, как и реостатные, преобразуют линейное перемещение в электрический сигнал. Казалось бы, для этой цели можно ограничиться реостатным преобразователем, как более простым. Однако трансформаторные преобразователи обладают существенным преимуществом перед реостатными: у них нет подвижных электрических контактов. Это преимущество является решающим при работе преобразователя в агрессивных средах, где подвижные электрические контакты ненадежны.

Усилитель. В измерительных цепях усилители предназначены для пропорционального усиления электрических сигналов. Различают усилители сигнала по величине -- усилители напряжения или тока -- и усилители сигнала по мощности -- усилители мощности, не изменяющие величины усиливаемого сигнала. Усиление сигналов по величине применяется в измерительных цепях, построенных по принципу следящей системы, для увеличения глубины обратной связи. Усилители мощности применяют обычно для устранения нагрузочного эффекта.

Реверсивный электродвигатель. Реверсивный электродвигатель может вращаться в разные стороны. По своим свойствам он, как преобразователь, является интегратором. действительно, пока к нему приложено напряжение, вал электродвигателя вращается. При снятии напряжения вал останавливается. Таким образом, при наличии входного сигнала выходной сигнал такого преобразователя непрерывно изменяется, а при отсутствии его может быть любым, но неизменным.

Таким образом, наличие реверсивного электродвигателя в элементах АСР, например в измерительных приборах, позволяет придать им астатизм без применения специального интегратора.

2. Промежуточные преобразователи

Промежуточные преобразователи предназначены для преобразования механических выходных сигналов датчиков (силы, перемещения) в унифицированные промежуточные сигналы; преобразования неунифицированных электрических сигналов датчиков (электрическое сопротивление, э. д. с.) в унифицированные электрические сигналы; преобразования унифицированных пневматических сигналов в унифицированные электрические и наоборот. Наибольшее распространение получили промежуточные преобразователи первой группы, поскольку большинство датчиков для измерения таких распространенных технологических пара метров, как давление, уровень и расход, имеют механический выходной сигнал. Промежуточные преобразователи этой группы всегда составляют с датчиком одно устройство. Преобразователи второй группы обычно применяют с датчиками температуры в случаях, когда сигналы необходимо передавать в устройство, имеющее только унифицированный вход, например УВМ. Преобразователи третьей группы позволяют переходить от пневматической ветви ГСП к электрической и наоборот. Такой переход обычно необходим при управлении технологическими процессами, которые ведутся в пожаро и взрывоопасных условиях. Если управление таким процессом ведется с помощью локальных АСР, то применяют элементы пневматической ветви ГСП или электрические, конструкция которых позволяет при менять их во взрывоопасных помещениях. Если же используется АСУ ТП, то сигналы из цеха к УВМ и от УВМ в цех передаются через пневмоэлектрические и электропневматические промежуточные преобразователи. Промежуточный преобразователь представляет собой комбинацию элементарных преобразователей, обеспечивающую заданные метрологические характеристики: погрешность, стабильность, линейность, чувствительность. В большинстве преобразователей используется наиболее точный метод измерения нулевой. Поэтому промежуточные преобразователи, как правило, представляют собой астатические следящие системы или статические с глубокой обратной связью, подобно изображенным на рис. 17. В качестве промежуточных применяются также и элементарные преобразователи, работающие по методу непосредственной оценки. Для этой цели применяют лишь трансформаторные и мостовые преобразователи, так как они обеспечивают достаточно хорошие метрологические характеристики без дополнительных устройств. Все промежуточные преобразователи пневматической ветви ГСП имеют одинаковый выходной унифицированный сигнал -- давление сжатого воздуха от 0,2. 10 до 1,0. 10 Па. В отличие от пневматической, электрическая ветвь ГСП допускает использование различных выходных сигналов. Среди промежуточных преобразователей с электрическим выходом наибольшее распространение получили преобразователи с выходным сигналом в виде постоянного тока, изменяющегося от 0 до 5 или от 4 до 20 мА. Такой выходной сигнал позволяет к одному промежуточному преобразователю подключить последовательно не сколько потребителей: измерительные приборы, регуляторы, машины централизованного контроля и системы управления.

2.1.Преобразователь силы в давление сжатого воздуха

Такой преобразователь состоит из рычага 1, сопла с заслонкой 4, сильфона 6, а также пневматического усилителя мощности 5.

Входным сигналом преобразователя является сила F, приложенная к левому плечу рычага а, а выходным -- давление сжатого воздуха р на выходе усилителя мощности.

На рис.15, б приведена структурная схема преобразователя, из которой видно, что его можно представить в виде последовательного соединения двух преобразователей: преобразователя измеряемой силы F в момент M (приложенный к рычагу 1) и преобразователя этого момента в выходное давление р. Второй преобразователь представляет собой следящую систему, в которой обратным преобразователем является сильфон 6 вместе с правым плечом рычага b. Рычаг одновременно выполняет функции преобразования приложенных к нему сил F и Fм в моменты М и Мм (преобразователи а и b), вычитания этих моментов (сумматор С) и интегратора (И). Рассмотрим принцип действия преобразователя. К рычагу 1 приложены измеряемая сила F и сила Fм создаваемая сильфоном 6. Эти силы создают на рычаге противоположно направленные моменты: М = а *F; Мм = b * Fм, где а и b -- длины плеч рычага.

Результирующий вращающий момент ?М = М--Мм вызывает поворот рычага 1 и перемещение l расположенной на нем заслонки элементарного преобразователя сопло-заслонка 3--4. Выходной сигнал этого преобразователя -- давление сжатого воздуха p1 -- после усиления по мощности в усилителе 5 становится выходным сигналом р всего преобразователя. Этот выходной сигнал подается на вход обратного преобразователя сильфона б, замыкая тем самым контур обратной связи.

Рис. 15. Преобразователь силы в давление сжатого воздуха: а -- устройство; б -- структурная схема; в -- статическая характеристика; 1 -- рычаг; 2 -- корректор нуля; З -- постоянный дроссель; 4 -- сопло с заслонкой; 5 усилитель мощности; 6 -- сильфон; а, в -- плечи рычага; С -- сумматор; И - интегратор.

Наличие в следящей системе интегратора И в виде рычага 1 делает ее астатической. Следовательно, в установившемся состоянии такой системы, рассогласование равно нулю. Так как в рассматриваемом преобразователе рассогласованием является разность моментов ?М, то моменты М и Мм при этом оказываются равными. Это означает, что связь выходного сигнала следящей системы р с ее входным сигналом М такая же, как с сигналом Мм . Но, как видно из структурной схемы, момент Мм -- результат преобразования выходного давления р двумя преобразователями в цепи обратной связи: сильфоном 6 и плечом рычага b.

Таким образом, статическая характеристика всей следящей системы как преобразователя момента М в давление р определяется только статической характеристикой цепи обратной связи.

Найдем статическую характеристику цепи обратной связи. Для сильфона, имеем: Fм=S*р.

Подставляя это выражение в формулу для рычага , получим статическую характеристику всей цепи обратной связи: Мм=b*S*p

Искомая статическая характеристика следящей системы получается из уравнения , если вы предыдущем выражении заменить Мм на М и затем решить относительно р: р==[1/(b*S)]*М,

Теперь можно получить статическую характеристику всего преобразователя. Для этого достаточно заменить момент М силой F по формуле М = а *F: p=k*F где коэффициент пропорциональности k = а/(b*S)-- коэффициент передачи преобразователя.

Тот факт, что статическая характеристика астатической следящей системы определяется только характеристикой обратной связи, является важным свойством следящих систем как измерительных устройств. Благодаря этому свойству метрологические требования ко всей системе могут быть выполнены в результате выбора преобразователя в цепи обратной связи с необходимой характеристикой. При этом в прямой цепи следящей системы могут быть применены преобразователи с низкими метрологическими качествами.

Так, в нашем случае перемещение рычага l преобразуется в выходное давление р преобразователем сопло-заслонка и усилителем мощности. Такое преобразование, как видно из рис. 34, 6, является нелинейным и, кроме того, зависит от давления питания p пит.

В преобразователе имеется корректор нуля 2 (пружина). Изменяя натяжение пружины, можно создавать дополнительный вращающий момент на рычаге и тем самым изменять величину выходного сигнала преобразователя при неизменном значении входного. При наладке преобразователя корректором устанавливают начальное значение выходного давления (ро= 0,2*105 Па) при нулевом значении измеряемой силы F.

С учетом влияния корректора статическая характеристика преобразователя силы в давление сжатого воздуха примет вид: р=ро+k*F

График этой характеристики приведен на рис.15, в.

Следует подчеркнуть, что в данном преобразователе с помощью астатической следящей системы реализуется нулевой метод измерения. При этом роль переменной меры играют преобразователи в цепи обратной связи. Такой же прием используется во всех промежуточных преобразователях, которые будут описаны ниже.

Рассмотренный преобразователь может служить и для преобразования перемещения в давление сжатого воздуха. В этом случае перед ним включают дополнительный преобразователь перемещения в силу (например, пружину).

Для преобразования силы в давление сжатого воздуха промышленность выпускает преобразователи, обычно объединенные в один блок с первичными преобразователями, имеющими выходной сигнал в виде силы. Поэтому для них регламентируются лишь предельное расстояние передачи выходного сигнала по пневмотрассе (300 м) и постоянная времени (равная 7 с) при работе преобразователя на тупиковую импульсную трубку длиной 60 м и внутренним диаметром 6 мм. Эта постоянная времени обусловлена нагрузочным эффектом и зависит от мощности выходного сигнала, для повышения которого и применен пневматический усилитель мощности.

Предельное значение силы F, измеряемой преобразователем, для различных моделей--от 10 до 100 Н.

2.2.Преобразователь тока в давление сжатого воздуха

Такой преобразователь (рис. 16, а) состоит из рычага 1, преобразователя сопло-заслонка 3--4, сильфона 6, магнитоэлектрического преобразователя 7, а также пневматического усилителя мощности 5.

Рис. 16. Преобразователь тока в давление сжатого воздуха: а устройство; б -- структурная схема; в -- статическая характеристика; 1-- рычаг; 2 -- корректор нуля; З -- постоянный дроссель; 4 -- сопло с заслонкой; 5 -- усилитель мощности; б -- сильфон; 7 -- магнитоэлектрический преобразователь; 8 преобразователь силы а давление сжатого воздуха.

Входным сигналом преобразователя является ток i в катушке магнитоэлектрического преобразователя, а выходным -- давление сжатого воздуха р на выходе усилителя мощности.

Сравнив этот преобразователь с рассмотренным выше, можно заметить, что он представляет собой последовательное соединение двух преобразователей (рис. 16, 6). Первый -- магнитоэлектрический преобразователь 7 входного тока i в силу F. Второй--преобразователь 8 этой силы в выходное давление сжатого воздуха р. Так как статические характеристики обоих преобразователей линейны, то и статическая характеристика всего преобразователя тока в давление сжатого воздуха также линейна.

Статическая характеристика преобразователя приведена на рис. 16, в.

Установка начального значения выходного давления ро = 0,2*105 Па при нулевом входном токе производится корректором нуля 2.

Для преобразования тока в давление сжатого воздуха промышленность выпускает преобразователи типа ЭПП-63. Метрологические характеристики этого преобразователя по выход ному сигналу аналогичны характеристикам преобразователя силы в давление сжатого воздуха. Кроме них для него регламентируется выходное сопротивление предыдущего измерительного преобразователя (приблизительно 1500 Ом), так как от этого сопротивления зависит дополнительная погрешность из-за нагрузочного эффекта.

2.3.Преобразователь силы в ток

Преобразователь (рис. 17, а) состоит из рычага 1, дифференциально-трансформаторного преобразователя З, магнитоэлектрического преобразователя 5, а также электронного усилителя 4 с выпрямителем переменного тока.

Рис. 17. Преобразователь силы в ток: а - устройство; б -- структурная схема; в -- статическая характеристика; 1 - рычаг; 2 -- корректор нуля; З -- дифференциально-трансформаторный преобразова тель; 4 усилитель; 5 -- магнитоэлектрический преобразователь.

Входным сигналом преобразователя является сила F, приложенная к левому плечу рычага а, а выходным -- ток i на выходе усилителя.

Структурная схема преобразователя приведена на рис. 17,6. Из схемы видно, что его можно представить в виде двух последовательно соединенных преобразователей: преобразователя измеряемой силы F в момент М, (приложенный к рычагу 1) и преобразователя этого момента в выходной сигнал i. Второй преобразователь представляет собой следящую систему, в цепь обратной связи которой включен магнитоэлектрический преобразователь 5 вместе с правым плечом рычага 6. Рычаг выполняет те же функции, что и в преобразователях двух рассмотренных выше типов

Принципы действия этих преобразователей во многом схожи. Здесь на рычаг 1 также действуют две силы: измеряемая сила F и сила Fм создаваемая магнитоэлектрическим преобразователем 5. Моменты этих сил М и Мм сравниваются на рычаге, и результирующий вращающий момент ?М вызывает поворот рычага и перемещение l прикрепленного к нему плунжера дифференциально-трансформаторного преобразователя 3. Этот преобразователь преобразует перемещение l в напряжение переменного тока U, которое затем усиливается и выпрямляется в электронном усилителе 4. Выходной сигнал усилителя -- постоянный ток i--проходит через внешнюю нагрузку (например, миллиамперметр) и катушку магнитоэлектрического преобразователя 5, включенные последовательно. Иначе говоря, выходной сигнал преобразователя -- ток i -- подается на вход магнитоэлектрического преобразователя, замыкая тем самым контур обратной связи следящей системы.

Наличие интегратора И (рычага) делает эту систему астатической аналогично следящей системе на рис. 15,б. Поэтому статическая характеристика системы также определяется статической характеристикой цепи обратной связи. Магнитоэлектрический преобразователь в этой цепи имеет линейную характеристику и поэтому статическая характеристика всей, следящей системы -- зависимость тока i от момента М -- также линейна. А так как характеристика преобразователя а силы F в момент М линейная, то и статическая характеристика всего преобразователя оказывается также линейной. Эта характеристика приведена на рис.17, в.

Промышленность выпускает преобразователь силы в ток, который состоит из двух отдельных блоков. Один блок включает в себя элементы, имеющие механическую связь между собой: рычаг, дифференциально-трансформаторный преобразователь и магнитоэлектрический преобразователь. Вторым блоком преобразователя является электронный усилитель. Расстояние между блоками должно быть не более 3 м при монтаже линии связи неэкранированным кабелем и не более 100 м при монтаже экранированным кабелем. Сопротивление нагрузки--не более 2500 Ом.

Измерительные приборы или другие потребители, например регулятор, могут быть подключены к преобразователю по двум схемам: измерения тока или измерения напряжения. В первом случае несколько потребителей соединяются последовательно друг с другом, во втором -- параллельно специальному нагрузочному резистору.

В преобразователе имеется корректор нуля 2-- пружина, натяжением которой устанавливают нулевое значение выходного тока при нулевом значении измеряемой силы. Максимальная сила, измеряемая преобразователем, в зависимости от модели,-- от 10 до 100 Н.

2.4.Преобразователь Э.Д.С. термопары в ток

Для преобразования э. д. с. термопары в унифицированный токовый сигнал применяют нормирующий преобразователь. Преобразователь (рис. 18, а) состоит из усилителя 1 с выпрямителем и блока линеаризации 2.

Рис. 18.Преобразователь э. д. с. термопары в ток: а - блок-схема; б -- структурная схема; в -- статическая характеристика; 1 - усилитель; 2 - блок линеаризации; З -- термопара.

Входным сигналом преобразователя является э. д. с. термопары U, выходным--ток i.

Из структурной схемы преобразователя (рис. 18, 6) видно, что он представляет собой следящую систему. В прямой цепи этой системы включен усилитель напряжения 1, во входной цепи которого производится вычитание сигналов U и Uм . Следовательно, входная цепь усилителя выполняет функцию сумматора С. В цепь обратной связи включен блок линеаризации 2, преобразующий выходной ток i в напряжение обратной связи Uм .

Рассмотрим принцип действия преобразователя. К входу усилителя 1 приложена разность ?U измеряемой э. д. с. U и напряжения обратной, связи Uм . Эта разность усиливается усилителем, и его выходной ток i проходит через внешнюю нагрузку и блок линеаризации 2, включенные последовательно. Поэтому ток i является одновременно выходным сигналом всего преобразователя и входным сигналом преобразователя в цепи обратной связи. Выходной сигнал этого преобразователя -- напряжение Uм -- подается во входную цепь усилителя, замыкая тем самым цепь обратной связи.

Из структурной схемы преобразователя видно, что в ней отсутствует интегратор. Поэтому преобразователь представляет собой статическую следящую систему. В такой системе, как известно, в установившемся состоянии имеется статическая ошибка: напряжение ?U не равно нулю. Однако глубина обратной связи в этой следящей системе выбирается настолько большой, чтобы статической ошибкой можно было пренебречь. Тогда выходной сигнал обратного преобразователя Uм можно считать равным измеряемому сигналу U. Следовательно, зависимость выходного тока i от входной э. д. с. U (статическая характеристика преобразователя), так же как и в астатической системе, определяется только статической характеристикой преобразователя в цепи обратной связи -- блока линеаризации 2. Характеристика блока линеаризации выбирается такой, чтобы скомпенсировать нелинейность характеристики первичного преобразователя -- термопары 3. Таким способом достигается линейная зависимость выходного тока от измеряемой температуры Т. Статическая характеристика преобразователя приведена на рис. 18, в.

Промышленность выпускает преобразователь НП-ТЛ 1-М для работы в одном из стандартных диапазонов температур совместно с термопарами различных типов. Сопротивление нагрузки преобразователя не должно превышать 2,5 кОм, а сопротивление линии связи с первичным преобразователем -- 150 Ом.

В преобразователе имеются корректор нуля выходного тока и кнопка «Репер» для проверки исправности преобразователя. При нажатии на кнопку «Репер» должен устанавливаться

2.5.Преобразователь электрического сопротивления термометра в ток

Наиболее распространенные электрические элементарные преобразователи рассмотрены в данном разделе. Ими являются: реостат, неуравновешенный мост, магнитоэлектрический преобразователь, трансформаторный преобразователь, усилитель, реверсивный электродвигатель

Рис. 19. Преобразователь электрического сопротивления в ток: а -- блок-схема; б структурная схема; в -- статическая характеристика; 1 -- усилитель; 2 блок линеаризации; 3 -- неуравновешенный мост; 4 -- преобразователь напряжения в ток; 5 - термометр сопротивления.

Для преобразования электрического сопротивления термометра сопротивления в унифицированный токовый сигнал применяют нормирующий преобразователь (рис. 19, а). Он состоит из неуравновешенного моста 3, усилителя 1 и блока линеаризации 2. Входным сигналом преобразователя является электрическое сопротивление термометра R, а выходным -- ток i. Из структурной схемы преобразователя (рис. 19, 6) видно, что он представляет собой последовательное соединение двух преобразователей. Первый из них -- неуравновешенный мост 3, преобразующий электрическое сопротивление R в напряжение U, второй -- преобразователь 4, преобразующий это напряжение в ток i. Преобразователь 4 аналогичен преобразователю э. д. с. в ток.

Характеристика блока линеаризации 2 преобразователя выбирается такой, чтобы скомпенсировать нелинейность статических характеристик неуравновешенного моста 3 и первичного преобразователя -- термометра сопротивления 5. Таким образом достигается линейная зависимость выходного тока от измеряемой температуры Т. Статическая характеристика преобразователя приведена на рис. 19, в.

Для работы в одном из стандартных диапазонов температур совместно с термометрами сопротивления различных типов промышленностью выпускаются преобразователи НП-СЛ 1-М.

Сопротивление нагрузки преобразователя, включая сопротивление линии связи, недолжно превышать 2,5 кОм.

В преобразователе НП-СЛ 1-М, как и в 1-НП-ТЛ 1-М, имеются корректор нуля выходного тока и кнопка «Репер». Кроме того, на переднюю панель преобразователя выведен подгоночный резистор, сопротивление которого подбирается так, чтобы разница сопротивлений проводов, соединяющих термометр сопротивления с преобразователем, не превышала 0,05 Ом.

2.6.Преобразователь напряжения переменного тока в ток

Этот преобразователь (рис.20, а) обычно применяют в качестве нормирующего для преобразования в унифицированный токовый сигнал выходного сигнала дифференциально-трансформаторногопреобразователя 5. При такой схеме включения дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещение l его плунжера преобразуется в напряжение переменного тока U1. При этом, необходимо стабилизировать напряжение питания преобразователя, для чего предусмотрен стабилизированный источник питания с напряжением Uстаб.

Рис. 20. Преобразователь напряжения переменного тока в ток: а -- блок-схема; б -- структурная схема; в -- статическая характеристика; 1 -- уcилитель; 2-- блок линеаризации; 3 -- выпрямитель; -- преобразователь напряжения в ток; 5 -- дифференциально-трансформаторныи преобразователь.

Преобразователь состоит из выпрямителя З, усилителя 1 и блока линеаризации 2. Назначение усилителя и блока линеаризации то же, что и в преобразователе э. д. с. в ток. Входным сигналом преобразователя является напряжение переменного тока U1 выходным -- ток i.

Из структурной схемы преобразователя (рис. 20,6) видно, что он представляет собой последовательно включенные выпрямитель З и преобразователь 4, который аналогичен преобразователю э. д. с. в ток.

Выпрямитель З преобразует входное напряжение переменного тока U1 во входной сигнал преобразователя 4-- напряжение постоянного тока U. Выходным сигналом преобразователя 4 является ток i. Линейная зависимость выходного тока от параметра, измеряемого дифференциально-трансформаторным преобразователем 5, достигается настройкой характеристики блока линеаризации 2.

Статическая характеристика преобразователя (относительно измеряемого параметра) дана на рис. 20,в.

Для преобразования напряжения переменного тока в ток промышленностью выпускаются преобразователи типа НП-П3.

Сопротивление нагрузки преобразователя не должно превышать 2,5 кОм, а сопротивление линии связи с дифференциально-трансформаторным преобразователем -- 20 Ом на каждый провод.

Органы настройки преобразователя выведены на переднюю панель. Ручкой «Корректор» устанавливается нулевое значение выходного тока при нулевом значении измеряемого параметра на входе первичного преобразователя, а ручкой «Чувствительность» -- максимальное значение выходного тока (5 мА) при максимальном значении измеряемого параметра.

Для периодического контроля исправности преобразователя на передней панели расположены три пары гнезд. Гнезда «П» служат для контроля напряжения питания первичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя (24 В), гнезда «Д» -- для контроля его выходного напряжения (от О до 2 В), гнезда «В»-- для проверки выходного сигнала преобразователя. К гнездам «В» подключается милливольтметр, показания которого должны изменяться от О до 102 мВ при изменении выходного тока от О до 5 мА.

2.7.Преобразователь давления сжатого воздуха в ток

Такой преобразователь (рис. 21, а) состоит из трубчатой пружины 3, пружины 4, рычага 1, колебательного контура 5, специального усилителя б и магнитоэлектрического преобразователя 7.

Рис. 21. Преобразователь давления сжатого воздуха в ток: а -- устройство; б -- структурная схема; в -- статическая характеристика; 1 -- рычаг; 2--корректор нуля; З--трубчатая пружина; 4--пружина; 5--колебательный контур; 6 -- усилитель; 7 -- магнитоэлектрический преобразователь; 8 -- преобразователь силы в ток.

Входным сигналом преобразователя является давление сжатого воздуха р, подаваемое в трубчатую пружину, а выходным -- ток i.

Структурная схема преобразователя приведена на рис. 21, б. Как видно из схемы, преобразователь представляет собой последовательное соединение трех преобразователей. Первый -- преобразователь 3 давления сжатого воздуха р в перемещение l1 конца трубчатой пружины, второй -- преобразователь 4 этого перемещения в силу F, приложенную к левому плечу рычага а. Статические характеристики обоих этих преобразователей линейны. Третий преобразователь 8 силы F в выходной ток i почти аналогичен предыдущему. Отличается он лишь тем, что перемещение l преобразуется не в напряжение переменного тока U, а в резонансную частоту колебательного контура 5 и затем усилителем б--в выходной ток i.

Статическая характеристика преобразователя 8 определяется характеристикой магнитоэлектрического преобразователя 7 и поэтому линейна. Следовательно, рассмотренный преобразователь, измерительная цепь которого состоит из трех преобразователей, имеет линейную статическую характеристику (рис. 21,в).

Для преобразования давления сжатого воздуха в ток промышленность выпускает преобразователь типа ПЭ-55М. К нему может быть подключено несколько потребителей. Схемы и условия их подключения такие же, как для преобразователя силы в ток.

В преобразователе имеется корректор нуля 2, изменяющий натяжение пружины 4. Этим корректором устанавливают нулевое значение выходного тока при начальном значении измеряемого давления pо.

3. Основные типы полупроводниковых преобразователей электрической энергии

К основным типам полупроводниковых преобразователей относятся:

- неуправляемые и управляемые выпрямители, ведомые сетью инверторы;

- импульсные преобразователи постоянного и переменного напряжения;

- автономные инверторы;

- преобразователи частоты, числа фаз и т.д.

Регулируемые преобразователи содержат системы управления на базе устройств информационной электроники. Современные микропроцессорные системы управления позволяют реализовать самые эффективные режимы работы и законы регулирования преобразователей.

Устройства силовой электроники широко используются в промышленности, энергетике, на транспорте. Основными областями применения преобразователей являются регулируемый электропривод постоянного и переменного тока, источники для питания электротехнологических установок, источники бесперебойного питания, стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.

Примечание:

Выпрямитель - это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряж. в постоянное.

Инвертор - устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т. е. выполняет функцию, обратную той, которую выполняет выпрямитель.

Импульсные преобразователи напряжения - это устройства, предназначенные для регулирования напряжения на нагрузке путем периодического подключения к ней источника постоянного или переменного напряжения.

Автономные инверторы (АИ) - это устройства, предназначенные для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока и рабо-тающие на автономную (не связанную с сетью) нагрузку.

Различают три основные типа АИ:

- автономные инверторы тока (АИТ);

- автономные инверторы напряжения (АИН);

- резонансные инверторы (АИР)

4.Фотоэлектрические преобразователи энергии

Для питания магистральных систем электроснабжения и различного оборудования на КЛА широко используются ФЭП; они предназначены также для подзарядки бортовых химических АБ. Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США), совершившего перелет через пролив Ла-Манш.

В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП - искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и другие КЛА. Достоинства ФЭП: большой срок службы; достаточная аппаратурная надежность; отсутствие расхода активного вещества или топлива. Недостатки ФЭП: необходимость устройств для ориентации на Солнце; сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА на орбиту; неработоспособность в отсутствие освещения; относительно большие площади облучаемых поверхностей. Для современных ФЭП характерны удельная масса 20 - 60 кг/кВт (без учета механизмов разворота и автоматов слежения) и удельная мощность КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен В каскадных ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов при двухслойном и при трехслойном исполнении. Для перспективных АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников - арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать .

Работа ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. Внешние радиационные (световые, тепловые ) воздействия обуславливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных носителей р- и п-областях. Под влиянием электростатического притяжения разноименные свободные основные носители диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее р-п гетеропереход с напряженностью электрического поля ЕК , контактной разностью потенциалов UK = SEK и потенциальным энергетическим барьером WK=eUK для основных носителей, имеющих заряд е. Напряженность поля EK препятствует их диффузии за пределы пограничного слоя шириной S . Напряжение U = (kT/e) ln(pp/pn) = (kT/e) ln(nn/np) зависит от температуры Т, концентраций дырок или электронов в p- и n-областях заряда электрона е и постоянной Больцмана k. для неосновных носителей EK - движущее поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из области р в область п, а дырок - из области п в область р. Область п приобретает отрицательный заряд, а область р- положительный, что эквивалентно приложению к р-п переходу внешнего электрического поля с напряженностью EВШ, встречного с EK. Поле с напряженностью EВШ - запирающее для неосновных и движущее для основных носителей. Динамическое равновесие потока носителей через р-п переход переводит к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 - ЭДС холостого хода ФЭ. Эти явления могут происходить даже при отсутствии освещения р-п перехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов), которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла с энергетическими уровнями W. Если энергия фотона Wф=hv (v -частота волны света, h - постоянная Планка) больше W, электрон покидает уровень и порождает здесь дырку; р-п переход разделяет пары электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается. Если подключить сопротивление нагрузки RН, по цепи пойдет ток I, направление которого встречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами полупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потока Ф, но не превосходит предельного тока In ФЭ, который получается при переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший рост числа неосновных носителей невозможен. В режиме К3 (RН=0, UН=IRН=0) напряженность поля Евш =0, р-п переход ( напряженность поля ЕК) наиболее интенсивно разделяет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента IФ для заданного Ф. Но в режиме К3, как и при холостом ходе (I=0), полезная мощность P=UНI=0, а для 0<UН<I0.