Любая измерительная задача начинается с выбора первичного преобразователя – «датчика», способного преобразовать исходную информацию (любой вид деформации, кинематический параметр движения, температурные изменения и пр.) в сигнал, подлежащий последующему исследованию. Первичный преобразователь является начальным звеном измерительной системы, схематично представленной на рис. 1.
Рис. 1 Схема измерительной системы
При включении преобразователей в измерительные системы возникает проблема их согласования. Все преобразователи по своей сущности являются чисто аналоговыми устройствами, главным образом в силу того, что пока не известны физические явления, позволяющие преобразователю непосредственно представлять измеряемую величину в цифровом коде на выходе. Для аналоговых систем подобная ситуация обладает рядом недостатков. Однако она становится еще более сложной для цифровых систем, которых выпускается все больше. В этой ситуации аналоговый выходной сигнал первичного измерительного преобразователя должен иметь форму, пригодную для его использования в цифровой системе.
- электронной системе существуют три вида сигналов:
- аналоговый сигнал, являющийся электрическим представлением или аналогом (током или напряжением) исходного измеряемого параметра;
- цифровой сигнал, в котором функция, например частота, используется для представления значения исходного параметра;
- кодированный цифровой сигнал, в котором параллельный цифровой сигнал, например, разрядностью в 8 бит, представляет значение исходного параметра.
Эти виды сигналов обычно определяют типы первичных измерительных преобразователей. Известны преобразователи, выход которых является чисто электронным аналогом измеряемой величины. Другие преобразователи представляют измеряемую величину в цифровой форме, а третьи – в виде цифрового кода. И лишь несколько принципов действия применимы для преобразователей всех перечисленных выше типов. Однако с помощью электроники можно преобразовать сигнал одного вида в другой.
Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Применение измерительных преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств.
Цифровые системы автоматического управления
... УВК используются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП), при автоматизации научных и технических экспериментов, в испытательных и измерительных САУ. Набор технических ... цифровых ЭВМ. При использовании цифровой вычислительной техники в САУ необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровые при вводе их в цифровую вычислительную машину (ЦВМ) и цифровые сигналы ...
Измерительный преобразователь (ИП) — это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование.
Структурная схема преобразователя показана на рис. 2.
Рис. 2 Структурная схема измерительного преобразователя
-
Классификация ИП по физическому явлению, положенному в основу принципа действия
По виду измеряемой физической величины различают ИПИ линейных и угловых перемещений.
По физическим явлениям, положенным в основу принципа действия, в ГСП принята следующая классификация ИПИ:
- механические – с упругим чувствительным элементом, дроссельные, ротаметрические, объемные, поплавковые, скоростные;
- электромеханические – тензорезистивные, термоэлектрические, термомеханические, термокондуктометрические, манометрические;
- электрохимические – кондуктометрические, потенциометрические, полярографические;
- оптические – фотоколометрические, рефракторометрические, оптико-акустические, нефелометрические;
- электронные и ионизационные – индукционные, хроматогра-фические, радиоизотопные, магнитные.
-
Классификацию ИП по принципу преобразования
В каждом приборе преобразующий элемент основан на определенном физическом принципе, который связан с электрическими характеристиками устройства так, что изменение измеряемой величины влечет за собой изменение этих характеристик. Изменения в электрических характеристиках создает электрический сигнал, зависящий от измеряемой величины. Принципов действия, на которых основаны измерительные преобразователи, существует относительно немного.
Емкостные преобразующие элементы превращают изменения измеряемой величины в изменения емкости. Конденсатор формируется из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика, а его емкость определяется
где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
- S – площадь поверхности каждой пластины;
- x – расстояние между пластинами.
Из этого соотношения следует, что емкость зависит от диэлектрической проницаемости, площади поверхности пластин и расстояния между ними (рис.3).
Рис. 3 Емкостный измерительный преобразователь
Емкость такого преобразователя обычно измеряется следующим образом:
- с помощью мостовой схемы переменного тока, и которой преобразователь образует одно плечо моста;
- с помощью мультивибратора, в котором конденсатор в цепи определяет частоту колебаний.
Примером емкостного преобразователя может служить конденсаторный микрофон, предназначенный для измерения уровня звукового давления. При падении звуковой волны на мембрану (рис. 4) она прогибается, что влечет за собой изменение расстояния между мембраной и задним электродом и, следовательно, емкостью. Емкостное сопротивление определяется выражением:
- где f – частота падающей волны;
- С – ёмкость конденсатора.
Рис. 4 Схема конденсаторного микрофона
Одним из емкостных принципов преобразования, требующим специального рассмотрения, является пьезоэлектрический эффект (рис. 5), при котором изменение измеряемой величины превращается в изменение электростатического заряда или напряжения, возникающих в некоторых материалах при их механическом напряжении. Напряжение обычно образуется под действием сил сжатия, растяжения или изгиба, которые являются измеряемой величиной и воздействуют на чувствительный элемент либо непосредственно, либо с помощью некоторой механической связи
Термоэлектрические преобразователи
... величины за пределы, установленные нормальными условиями. В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин ... мест соединения проводников. Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, ... измерения (статическая характеристика (функция преобразования), чувствительность, цена деления, диапазон измерения); Характеристики ...
Рис. 5 Схема пьезоэлектрического преобразователя
Чтобы воспринять изменение заряда или напряжения, к пьезоэлектрическому материалу подсоединяют две металлические пластинки, которые фактически образуют пластины конденсатора, емкость которого определяется в виде:
- где Q – заряд;
- V – напряжение.
В качестве пьезоэлектрического материала, применяемого в конструкции такого преобразователя, используются:
- природные кристаллы, такие, как кварц или рочеллевая соль;
- синтетические кристаллы, например сульфат лития;
- поляризованная ферромагнитная керамика, например, титанат бария.
Электродвижущая сила (ЭДС) генерируется вдоль про- водника, когда его пересекает переменное магнитное поле. И, наоборот, когда проводник движется через магнитное поле, вдоль него генерируется ЭДС (рис. 6), определяемая
где – скорость изменения потокосцепления;
- Q – заряд.
Рис. 6 Электромагнитное преобразование
Рис. 7 Индуктивное преобразование (слева) и преобразование магнитного сопротивления (справа)
Индуктивное преобразование показано на рис. 7, где самоиндукция катушки меняется в соответствии с изменением измеряемой величины. Изменение индуктивности может быть осуществлено путем движения ферромагнитного сердечника внутри катушки либо путем внесения внешнего изменяющегося потока в катушку с неподвижным сердечником.
Преобразование магнитного сопротивления показано на рис. А.5, на котором цепочка сопротивления между двумя или более катушками (или отдельными частями одной или нескольких катушек) изменяется в зависимости от вариаций измеряемой величины. Когда к системе катушек прикладывается переменный ток, тогда изменение измеряемой величины трансформируется в изменение выходного напряжения.
Электромеханические преобразователи выпускаются в разном исполнении, но все они выполняются в форме механического контактного устройства, работающего под действием изменяющейся физической величины, измерение которой и осуществляется. Обычно контакты имеют простую форму и работают в дискретном режиме, как, например, биметаллический выключатель (рис. 8).
Рис. 8 Биметаллический элемент, работающий как электромеханический преобразователь
Когда значение измеряемой величины превышает точку переключения, контакт размыкается или замыкается, вследствие этого в замкнутой или разомкнутой электрической цепи формируется выходной сигнал преобразователя. Электромеханические преобразователи являются, как правило, цифровыми (дискретными), поскольку их контакты могут быть лишь в двух положениях и представляют собой элемент включен/выключен. Ионизационные преобразующие элементы превращают изменение измеряемой величины в изменение тока ионизации, который протекает, например, через жидкость, расположенную между двумя электродами (рис. 9).
Обзор методов измерения и первичных преобразователей массы
... исторически первоначально. Он отличается простотой и наглядностью измерения массы. Недостаток метода: выходной величиной для преобразователей, реализующих механический метод является деформация (то есть ... выходного преобразователя. Область применения метода: Индуктивный метод измерения применяется для измерения скоростей жидких металлов, водных растворов. Метод основан на изменении магнитной ...
Рис. 9 Ионизационное преобразование, при котором ионы мигрируют в жидкости к электродам и действуют как переносчики зарядов
Типичным примером использования ионизационного принципа является прибор для измерения кислотности раствора. Степень кислотности раствора определяется концентрацией в нем положительно заряженных ионов водорода, называемой водородным потенциалом (известного больше в виде аббревиатуры рН).
Причем
где [] – концентрация ионов водорода в граммах на литр.
Значение рН = 0 для чисто кислотного раствора, 7 – для нейтрального раствора (например, чистой воды) и 14 – для чисто щелочного раствора.
Типичный рН-зонд имеет электроды, находящиеся в желатине с известным значением водородного потенциала. Они формируются специальной стеклянной мембраной, которая находится в контакте с раствором, значение рН которого измеряется. Разность потенциалов между двумя электродами отражает значение рН раствора (около 59 мВ на единицу рН).
Фотоэлектрическими являются такие первичные измерительные преобразователи, которые реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность преобразующего элемента. Излучение может быть видимым, т. е. световым, а также иметь большую или меньшую длину волны и быть невидимым. Известны три основных типа фотоэлектрических преобразователей: два из них официально классифицируются как полупроводниковые приборы (фотоэлектрические и фотополупроводниковые).
Они подробно рассмотрены ниже. Хотя фотоэлектрический преобразователь и не относится к полупроводниковым приборам, он тоже будет описан ниже.
Фотопроводящие преобразователи
Эти преобразователи превращают изменение измеряемой величины в изменение сопротивления используемого материала (рис. 10).
Несмотря на то, что используемые материалы являются полупроводниковыми, фотопроводящие преобразователи не всегда являются полупроводниковыми приборами, поскольку они не имеют переходов между различными типами полупроводников. Такие преобразователи называются пассивными, т. е. нуждаются во внешнем питании. Зачастую их название характеризует тип используемого преобразования, например, светочувствительные резисторы.
