Конструкция реостатного измерительного преобразователя и принцип его работы
ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ (РЕОСТАТНЫЕ) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Такие измерительные преобразователи широко используются в различных измерительных системах и системах автоматики и служат для преобразования линейных или угловых перемещений (входной сигнал) в электрическое напряжение (выходной сигнал).
Потенциометрические измерительные преобразователи представляют собой проволоку, намотанную виток к витку на каркас и подвижный ползунок (рис. 1).
Рис. 1. Реостатный измерительный преобразователь
Полное сопротивление реостатного измерительного преобразователя:
, (1)
где R0 — сопротивление одного витка преобразователя;
- удельное сопротивление материала проволоки;
- длина одного витка;
- площадь поперечного сечения витка; w — количество витков.
Подставляя в (1)
; ; ,
где: t — шаг одного витка, d — диаметр проволоки, D — диаметр каркаса.
Потенциометрические измерительные преобразователи имеют дискретность преобразования за счет минимально возможного изменения сопротивления на длину одного витка (рис. 2), определяемую шагом t. Следовательно, такие преобразователи имеют межвитковую погрешность.
Кроме того, погрешности преобразователя возможны от неоднородности по длине, непостоянства диаметра каркаса, влияния температуры. Чем выше удельное сопротивление ρ проволоки, тем выше чувствительность преобразователя. Поэтому в качестве материала проволоки в потенциометрическом измерительном преобразователе используется нихром, манганин, константан, вольфрам, платина и сплавы на основе серебра и никеля. В качестве каркаса используется керамика, фарфор и другие термостойкие изоляторы.
Рис. 2. Передаточные характеристики потенциометрического измерительного преобразователя: 1 — идеальная, 2 — реальная
Рис. 3. Схема последовательного включения реостатного измерительного преобразователя
Рис. 4. Функция преобразования потенциометрического преобразователя при его последовательном включении с нагрузкой
Схемы включения реостатного преобразователя в измерительную цепь и положительное действие этих схем
При последовательном включении потенциометрического измерительного преобразователя в цепь они изменяют силу тока в цепи по формуле
Емкостные преобразователи
... вход преобразователя измерительного сигнала. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях ... варикондами. Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики параметрические (недифференциальные) и датчики дифференциальные. В схемах с параметрическими датчиками ...
где — функция преобразования.
Функция преобразования графически представлена на рис. 4, ее вид нелинейный и зависит от соотношения и .
При ,, а при (2)
Выходное сопротивление падает по гиперболической зависимости, поэтому последовательное включение потенциометрического измерительного преобразователя с нагрузкой применяется редко из-за высокой нелинейности. Более распространенной является схема включения потенциометрического измерительного преобразователя и нагрузки по схеме представленной на рис. 5.
Рис. 5. Схема включения потенциометрического преобразователя (а) и его эквивалентная схема (б).
Рассматривая включение резисторов Rx и Rн, как параллельное, определим ток:
тогда напряжение на выходе преобразователя составит:
где — функция преобразования.
На рис. 6. а представлена зависимость напряжения на нагрузке, подключенной к потенциометрическому измерительному преобразователю по схеме, представленной на рис. 5. а. При холостом ходе (Rн → ∞) зависимость линейная, с уменьшением нагрузки зависимость становится всё более нелинейной.
Рис. 6. Функция преобразования потенциометрического преобразователя (а), и его относительная погрешность (б)
На рис. 6. б показано изменение относительной погрешности преобразователя в зависимости от величины нагрузки и перемещения ползунка. Относительная погрешность определяется следующим образом:
; ; ,
тогда .
Чувствительность схемы определяется изменением электрического параметра на преобразователе от минимально возможного изменения входного сигнала.
Рис. 7. К определению чувствительности потенциометрического измерительного преобразователя
Ток, текущий в цепи:
Чувствительность по напряжению:
- При условии >>
- получим
- (3)
Рис. 8. Зависимость мощности потребляемой преобразователем от положения ползуна (X~Rx)
Чувствительность по току:
Мощность, потребляемая преобразователем:
При этом допустимое напряжение питания:
где — максимальное сопротивление преобразователя.
Структурная схема преобразования аналогового сигнала с измерительного преобразователя в цифровую форму
Измери́тельный преобразова́тель — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
Классификация
По характеру преобразования:
- Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
- Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
- Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.
По месту в измерительной цепи:
Измерительные сигналы
... оптическое излучение и др.) Перечислите признаки, по которым классифицируются измерительные сигналы По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые. По характеру ...
- Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;
- Датчик — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;
- Детектор — датчик в области измерений ионизирующих излучений;
- Промежуточный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.
По другим признакам:
- Передающий измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;
- Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.
По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.
Измерительные преобразователи предназначены для преобразования сигналов, поступающих от термопреобразователей сопротивления, термоэлектрических преобразователей, омических устройств и милливольтовых устройств постоянного тока в унифицированный электрический выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА (линейный по температуре или входному сигналу).
Измерительный преобразователь применяется для линейного преобразования среднеквадратичного значения тока в унифицированный аналоговый выходной сигнал постоянного тока. Информацию дает среднее значение выходного сигнала. Измерительный преобразователь отличается от других видов преобразователей способностью выполнять преобразования с установленной точностью. Измерительный преобразователь, выходной сигнал которого предназначен для наблюдения за объектом, является измерительным прибором высокой точности.
Работа измерительного преобразователя протекает в условиях, когда помимо основного сигнала Х, связанного с измеряемой величиной, на него воздействуют множество других сигналов Zi, рассматриваемых в данном случае как помехи
Рис. Структурная схема измерительного преобразователя (а) и его функция преобразования (б)
Важнейшей характеристикой
