Измерительные системы и приборы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

прибор преобразователь излучение сигнал

Во всех измерительных цепях и практически во всех информационно-измерительных системах сигналы от первичных измерительных преобразователей поступают на вторичные измерительные приборы и преобразователи, которые, как правило, располагаются на различных щитах управления. Вторичные электрические измерительные приборы бывают аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие, одно- и многоканальные, миниатюрные, малогабаритные, полногабаритные и т. д.

Наибольшее распространение получили комплексы КС1, КП1, КС2, КСЗ, КС4 и К140, использующие компенсационный метод измерения. Приборы комплекса К140 предназначены для применения в тяжелых условиях эксплуатации, а приборы остальных комплексов являются общепромышленными. Приборы КД1 и К140 -- только показывающие, КС1, КС2, КСЗ и КС4 -- показывающие и регистрирующие, КС1 и КСЗ -- одноканальные, у КСЗ -- круглая дисковая диаграмма, КС2 и КС4 -- одно и многоканальные. Число каналов -- 3, 6 и 12. В зависимости от вида входного сигнала приборы КС и К140 делятся на следующие группы: КСП, КПП и КП 140 -- потенциометры, работающие с термоэлектрическими преобразователями или с источниками напряжения постоянного тока; КСУ, КПУ -- потенциометры, работающие с преобразователями с токовым выходным сигналом постоянного тока; КСМ, КПМ и КМ140 -- мосты, работающие с термопреобразователями сопротивления; КСД, КПД и КД140 -- дифференциально-трансформаторные приборы, работающие с преобразователями такого же типа с выходным сигналом взаимной индуктивности; КСТ -- мостовые компенсаторы, работающие с тензорезисторными преобразователями; КСПВ -- приборы для измерения малых значений постоянного тока; КСПП, КСММ, КСПМ -- двухканальные потенциометры, мосты и потенциометры-мосты.

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.

2. 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 Рисунке 1а.

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.

Рисунок 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, изображенные на рисунке 16. Статической характеристикой реостатного преобразователя является зависимость Rвых = f(x) или Uвых = ш(x), где х -- перемещение щетки. Эти зависимости могут быть линейными (рисунок 1а) и нелинейными (рисунок 1б). На рисунке, 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.

Рисунок 2. Схемы включения реостатных преобразователей

Наиболее распространенные схемы включения реостатных преобразователей приведены на рисунке 2. Недостаток первых трех схем - нелинейная зависимость тока от перемещения движка. Значительно меньшую нелинейность имеют мостовые схемы, изображенные на рисунке 2г и д. Расчет линейного реостатного преобразователя, сводится к определению диаметра и длины намоточного провода, а также геометрических размеров каркаса. Реостатные преобразователи применяют для измерения перемещений. В сочетании с упругими элементами их используют в датчиках для измерения усилий и давлений. Основной недостаток реостатных преобразователей - наличие трущегося контакта, которое приводит, с одной стороны, к уменьшению надежности, с другой -- к возникновению погрешности преобразователя вследствие изменения контактного сопротивления. Во многих случаях нежелательное явление -- наличие дискретности.

3. Тензорезисторные преобразователи

В основе работы тензорезисторных преобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Входная величина преобразователя - деформация, выходная - изменение сопротивления. В настоящее время получили распространение проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. В наиболее простом случае тензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, который жестко закреплен при помощи клея или цемента. На упругодеформируемой детали. Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки, в результате чего изменяются ее длина, поперечное сечение и удельное сопротивление, что в итоге приводит к изменению электрического сопротивления проволоки:

R = с

где l - длина;

S -- поперечное сечение;

с - удельное сопротивление проволоки, то при растяжении ее сопротивление изменится на величину Д R и составит R + Д R. Относительное изменение сопротивления тензорезистора равно:

= ( l + 2 м)

где - изменение длины;

м - коэффициент Пуассона:

= :

- отношение относительного поперечного сужения (растяжения) к относительному продольному удлинению (сжатию). Частное от деления относительного изменения сопротивления = на относительное изменение проводника = - в пределах упругой деформации характеризуется постоянной величиной, которая называется коэффициентом тензочувствительности : = = k_т.

Коэффициент тензочувствительности - основная характеристика тензорезистора. Сопротивление преобразователя не должно изменяться от действия внешних факторов (температуры и других) более чем на сотые доли процента. Для измерений приходится применять высокочувствительную аппаратуру - основной недостаток металлических тензорезисторных преобразователей. Конструктивно проволочные тензосопротивления представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких петель (витков) проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (пленочную) основу (рисунок 3). Сверху решетка закрыта также тонкой бумагой или пленкой. Длина петли l_б называется базой преобразователя.

Обычно l_б = 8--15 мм. Применяются тензорезисторы с меньшей базой (до 2,5 мм). Ширина преобразователей от 3 до 10 мм, сопротивление порядка 50-150 Ом. Изготавливают преобразователи и больших размеров (до 100 мм), имеющие сопротивление 800-1000 Ом. Промышленность выпускает достаточно разнообразный ассортимент проволочных тензорезисторов. Более совершенные тензорезисторы - фольговые. Они имеют решетку в виде тонких полосок фольги прямоугольного сечения, наносимых на лаковую основу. Из-за большей площади соприкосновения полосы фольгового тензорезистора с объектом измерения и большой теплоотдачи, чем у проволочного, он имеет большую чувствительность и по нему можно пропустить больший ток. Кроме того, преимущество фольговых тензорезисторов в возможности изготовления решеток любого рисунка, наиболее полно удовлетворяющего условиям измерений.

Рисунок 3. Проволочный тензорезистор

Рисунок 4. Фольговые тензорезисторы

Рисунок 5. Схемы включения тензорезисторов

Основа полупроводниковых тензорезисторов - кристалл кремния или германия. В зависимости от количества примесей типа р или п сопротивление пластинок тснзорезисторов изменяется от 100 Ом до 10 кОм. Знак тензоэффекта (при растяжении) в полупроводниках п-типа проводимости -- отрицательный, а р-типа -- положительный. Проводимость р-типа имеют тензорезисторы КТД, а n-типа -- КТЭ.

Недостаток полупроводниковых тензорезисторов - малые значения прочности и гибкости. Другой недостаток в том, что, несмотря на большую тензочувствительность реализовать ее довольно сложно из-за нелинейности характеристик, высокой чувствительности к воздействию внешних условий (температуры, освещения и т.д.) и существенного разброса параметров от образца к образцу. При выборе метода измерения механических величин тензорсзисторам часто отдают предпочтение. Действительно, они являются универсальными преобразователями и могут с успехом использоваться во многих случаях, но они не всегда представляют собой лучшее средство. Тензорезисторные датчики представляют собой упругий элемент, на который наклеены тензорезисторы. Деформация упругого элемента должна иметь достаточно большую величину. Это обстоятельство часто недооценивается при выборе метода измерения.

Так, например, датчик давления, представляющий собой диафрагму с наклеенными на ней тензорезисторами, имеет линейную характеристику только в диапазоне относительно малых деформаций. Индуктивный или емкостный преобразователи в этом случае имеют лучшую линейность при более высоком уровне сигнала. Преобразователи имеют широкую область применения, прежде всего датчики динамометров для измерения усилий. Большинство динамометров представляют собой цилиндрическую колонку, которая подвергается сжатию. Для измерения усилий ниже 1 т обычно применяют кольцевые динамометры с наклеенными тензореэисторами. Для измерения давления применяются датчики с консольной балкой. При изменении температуры возникает погрешность за счет изменения сопротивления от температуры независимо от деформации, т.е. изменение от температуры крутизны градуировочной характеристики, вызванное температурной зависимостью модуля упругости упругого элемента, на который наклеены тензорезисторы, и сопротивления тензорезистора. Температурная коррекция выполняется путем включения последовательно и параллельно с тензорезистором сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом (рисунок 5 а). Корректирующие сопротивления должны обладать как можно большим температурным коэффициентом, чтобы ею значение было меньше сопротивления тснзорезистора. Этому требованию удовлетворяют только полупроводниковые материалы (термисторы). Температурная коррекция выполняется также путем включения пар тензорезисторов в смежные плечи моста изображенного на рисунке 5 б.

4. 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 рисунке 6.

Рисунок 6. Конструкции магнитоупругих преобразователей

Сердечник преобразователя при измерении сосредоточенных сил может претерпевать деформацию сжатия (растяжения) (рисунок 6. а, б, и в) или изгиба, в соответсвий с рисуноком 6. На рисунок 6 г. изображен тензометрический магнитоупругий преобразователь, магнитная цепь которого выполнена из тонкого листа пермаллоя, наклеенного на исследуемую деталь.

В преобразователях, приведенных на Рисунок 7. 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 Рисунок8. 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 с 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.

5. 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;

2) площадь электродов, образующих емкость

3) диэлектрическую проницаемость диэлектрика.

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: = - .

Рисунок 7. Основные типы емкостных преобразователей

Емкостные преобразователи с изменяющимся воздушным зазором используют для измерения малых перемещений (от долей микрометра до долей миллиметра), для измерения силы, давления при наличии промежуточных преобразователей силы и давления в перемещение.

Преобразователи с изменяющейся площадью применяют для измерения больших линейных и угловых перемещений.

Преобразователи с изменяющейся диэлектрической проницаемостью чаще всего используют для измерения влажности твердых тел (тканей, пластмасс), сыпучих тел, аморфных (например, мазута), а также для измерения уровней, толщины изоляционных материалов, усилий. В последнем случае используется свойство сегнетоэлектриков, применяемых в качестве диэлектрика в преобразователе, изменять диэлектрическую проницаемость под действием сжимающей силы. Их применяют только для измерения сравнительно больших усилий. Достоинства емкостных преобразователей: высокая чувствительность, простота конструкции, малая инерционность.

Наряду с этим емкостным преобразователям присущи и недостатки:

1) большое внутреннее сопротивление, что вызывает необходимость производить питание током высокой частоты;

2) необходимость тщательной экранировки для уменьшения влияния внешних электрических полей и паразитных емкостей.

6. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи - преобразователи генераторного типа. Принцип действия их основан на явлении пьезоэлектричества, характерного для определенного класса кристаллов, не имеющих центра симметрии. Пьезоэлектрические кристаллы обладают прямым пьезоэффектом, заключающимся в появлении поляризации при действии давления, и обратным, заключающимся в том, что кристаллы деформируются в электрическом поле. На использовании прямого пьезоэффекта строятся преобразователи усилий, ускорений, давлений; обратного - вибраторы, ультразвуковые излучатели и другие устройства. В пьезоэлектрических трансформаторах и преобразователях на их основе используется совместное действие прямого и обратного пьезоэффектов. В настоящее время получено большое число пьезоэлектрических материалов, которые подразделяют на две основные группы: пьезоэлектрические монокристаллы и поликристаллические материалы или пьезокерамика. Среди монокристаллических пьезоэлектриков особое место занимает кварц. Он обладает высокими значениями добротности и стабильности характеристик, Недостаток кварца -- низкое значение диэлектрической проницаемости и коэффициента электромеханической связи, что ограничивает его применение в пьезоэлектрических преобразователях некоторых типов. В последнее время широкое применение находят искусственно выращиваемые монокристаллы ниобита лития, германата висмута и силиката висмута, которые имеют более высокие значения коэффициента электромеханической связи и диэлектрической проницаемости по сравнению с кварцем. Кроме того, ниобат лития обладает очень высокой температурой Кюри, а германосилиниты не имеют температуры фазового перехода, поэтому они успешно используются в условиях высоких температур.

7. Тензочувствительные преобразователи

Тензочувствительностью или силочувствительностью 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 Тензочувствительные преобразователи, использующие колебания сдвига по толщине, выполняют в виде прямоугольных пластин, стержней, круглых линз, в центральной части которых размещаются электроды.

Рисунок 8. Тензочувствительные 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.

8. 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.

9. Элетрохимические преобразователи

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.

10. 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 ОН:

Н₂О = Н⁺ + ОН^Ї.

При этом в воде и водных растворах ионное произведение воды:

= б_н + б_он

является величиной постоянной, при 22⁰С равной 10^-14.

В чистой воде или нейтральном растворе активности Н⁺ и ОН^Ї равны:

б_н = б_он = = 10^-7 г·ион/л.

В кислотном растворе больше ионов Н⁺, чем ОН^Ї_, но производение их активностей остается равным ионному произведению воды . В щелочных растворах больше ионов ОН^Ї, чем Н⁺. Таким образом, у кислотных растворов б_н > б_он, а у щелочных - б_он > б_н.

Следовательно, для характеристики раствора достаточно знать активность водородных ионов, которую характеризуют отрицательным логарифмом активности ионов водорода - водородным показателем рН:

РН = lg б_н.

Приборы для измерения этого называют рН-метрами.

11. Оптические преобразователи

Оптический преобразователь содержит источник излучения - оптический канал и приемник излучения. Измеряемая величина воздействует либо непосредственно на источник излучения, изменяя его параметры, либо на поток излучения в процессе его распространения по оптическому каналу. В качестве источников оптического излучения применяют тепловые и люминесцентные источники.

Литература

1. Трофимов А.Н. Автоматика, телемеханика, вычислительная техника в химических производствах. Учебник. Энергоатомиздат. 1985.

2. Фарзане Н.Г., Илясов П.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. Учебник. Москва. Высшая школа.1989.

3. Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и управления. Учебник. Высшая школа.

Размещено на Allbest.ru