Материал для самостоятельной работы слушателей по теме «Измерительные преобразователи и системы» (стр. 2 )

Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения - это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр, который называется измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаются помехами. Поэтому у каждого измерительного преобразователя устанавливается его естественная входная величина, которая лучше всего воспринимается им на фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину измерительного преобразователя.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические с точки зрения вида сигнала на его выходе могут быть подразделены на генераторные, выдающие заряд, напряжение или ток (выходная величина Е = F (X) или I = F(X) и внутреннее сопротивление ZBH = const), и параметрические с выходным сопротивлением, индуктивностью или емкостью, изменяющимися в соответствии с изменением входной величины (ЭДС Е = 0 и выходная величина в виде изменения R, L или С в функции X).

Различие между генераторными и параметрическими преобразователями обусловлено их эквивалентными электрическими схемами, отражающими фундаментальные отличия в природе используемых в преобразователях физических явлений. Генераторный преобразователь является источником непосредственно выдаваемого электрического сигнала, а измерение изменений параметров параметрического преобразователя производится косвенно, по изменению тока или напряжения в результате его обязательного включения в схему с внешним источником питания. Электрическая схема, непосредственно связанная с параметрическим преобразователем, формирует его сигнал. Таким образом, совокупность параметрического преобразователя и электрической схемы является источником электрического сигнала.

По физическому явлению, положенному в основу работы, и типу входной физической величины генераторные и параметрические преобразователи делятся на ряд разновидностей (рисунок 2.3):

-  генераторные - на пьезоэлектрические,

-  термоэлектрические и т. п.;

-  резистивные - на контактные,

-  реостатные и т. д.;

-  электромагнитные - на индуктивные,

-  трансформаторные и т. д.

По виду модуляции все ИП делятся на две большие группы: амплитудные и частотные, временные, фазовые. Последние три разновидности имеют очень много общего и поэтому объединены в одну группу.

Рис. 2.3. Классификация измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

2.  По характеру преобразования входные величины:

-  линейные;

-  нелинейные.

3. По принципу действия первичного измерительного преобразователя (ПИП) делятся на:

-  генераторные;

-  параметрические.

Выходным сигналом генераторных ПИП является ЭДС, напряжение, ток и электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной, например ЭДС термопары.

В параметрических ПИП измеряемая величина вызывает пропорциональное ей изменение параметров электрической цепи: R, L, C.

К генераторным относятся:

-  индукционные;

-  пьезоэлектрические;

-  некоторые разновидности электрохимических.

Резистивные ИП - преобразуют измеряемую величину в сопротивление.

Электромагнитные ИП – преобразуют в изменение индуктивности или взаимоиндукцию.

Емкостные ИП – преобразуют в изменение ёмкости.

Пьезоэлектрические ИП – преобразуют динамическое усилие в электрический заряд.

Гальваномагнитные ИП – основаны на эффекте Холла преобразуют действующее магнитное поле в ЭДС.

Тепловые ИП - измеряемую температуру преобразуют в величину термосопротивления или ЭДС.

Оптоэлектронные ИП – преобразуют оптические сигналы в электрические.

Для датчиков основными характеристиками являются:

-  тип;

-  диапазон рабочих температур и погрешность в этом диапазоне;

-  обобщенные входные и выходные сопротивления;

-  частотная характеристика.

В промышленном применении погрешность датчиков, используемых в процессах регулирования, должна быть не более 1–2%. А для задач контроля – 2 – 3%.

2.1.3. Схемы включения первичных измерительных преобразователей

Первичные измерительные преобразователи бывают:

- параметрические;

- генераторные.

Схемы включения параметрических первичных измерительных преобразователей подразделяют на:

-  последовательное включение:

-  с одним первичным измерительным преобразователем;

-  с двумя первичными измерительными преобразователем;

-  дифференциальное включение:

-  с одним первичным измерительным преобразователем;

-  с двумя первичными измерительными преобразователем;

-  мостовые схемы включения:

-  симметричный неуравновешенный мост с одним активным плечом;

-  симметричный неуравновешенный мост с двумя активными плечами;

-  симметричный неуравновешенный мост с четырьмя активными плечами.

Схемы включения генераторных измерительных преобразователей подразделяются на:

-  последовательные;

-  дифференциальные;

-  компенсационные.

Генераторные не нуждаются в источнике энергии, а параметрические нуждаются. Очень часто генераторные можно представить как источник ЭДС, а параметрические можно представить как активный или реактивный резистор, сопротивление которого меняется с изменением измеряемой величины.

Последовательное и дифференциальное включение может применяться как к параметрическим, так и к генераторным ИП. Компенсационная схема – к генераторным. Мостовая – к параметрическим.

2.1.3.1. Схемы последовательного включения параметрических измерительных преобразователей

Последовательное включение одного параметрического измерительного преобразователя (рис.2.4):

Рис. 2.4. Последовательное включение одного параметрического ИП.

;

;

;

;

;

- чувствительность по току;

- чувствительность по напряжению;

- чувствительность по мощности;

а)

б)

Рис. 2.5. Выходные характеристики последовательно включенного ИП:

а – реальная; б – идеальная.

Последовательное включение двух параметрических измерительных преобразователей (рис.2.6).

Рис.2.6. Последовательное включение двух параметрических ИП.

;

;

;

;

.

Если e<<1, то

.

Рис. 2.7. Выходная характеристика двух последовательно включенных параметрических ИП.

Нелинейность в рабочей области гораздо меньше, чем в предыдущем случае.

2.1.3.2. Дифференциальное включение параметрических измерительных преобразователей

Дифференциальная схема состоит из двух смежных контуров с источником питания, причём измерительный прибор (нагрузка) включается в общую ветвь и реагирует на разность контурных токов.

Рассмотрим примеры дифференциальных схем включения.

Пример 1. Дифференциальное включение с одним измерителем преобразователя (рис.2.8).

Рис. 2.8. Дифференциальная схема включения одного параметрического измерительного преобразователя.

Для анализа этой схемы рассмотрим эквивалентную схему включения (рис.2.9).

Рис. 2.9. Эквивалентная схема включения параметрического ИП.

- напряжение нагрузки.

Строим зависимость (рис.2.10).

Рис. 2.10. Выходная характеристика преобразователя с одним параметрическим измерительным преобразователем.

Пример 2. Дифференциальная схема включения с двумя измерительными преобразователями (рис.2.11).

Рис. 2.11. Дифференциальная схема включения двух ИП.

Для анализа этой схемы рассмотрим эквивалентную схему (рис.2.12):