Лекція 3. Вимірювальні перетворювачі. Структура перетворювачів. Характеристики перетворювачів. Види перетворювачів (термоелектричні, терморезисторні, реостатні, тензорезисторні, ємнісні, індуктивні, ультразвукові).

Провідникові тензорезистори поділяються на дротові і фольгові. Дротовий тензорезистор (рис. 3.5, а) являє собою покладений петлеподібно між двома електроізоляційними гнучкими підкладками 1, дріт 2 з константану діаметром 0,01...0,05 мм. До кінців дроту припаяні вихідні кінці 3. Фольгові тензорезистори (рис. 3.5, б) мають вид ґрат зі стрічки товщиною 0,04—0,012 мм, що закріплюється між плівками з лаку.

 

Рис. 3.5. Принципові схеми тензорезисторних перетворювачів: а — дротового; б — фольгового.

 

Напівпровідникові тензорезистори являють собою тонку (до 0,01 мм) пластинку з германія або кремнію, до кінців якої спеціальним методом кріпляться вивідні провідники.

Тензорезистори спеціальним клеєм наклеюються на поверхню випробовуваної деталі або арматури так, щоб напрямок їхньої бази збігався з напрямком очікуваної деформації. Сприймані тензорезистором деформації змінюють розміри чутливого елемента і його питомий опір.

Основною характеристикою перетворювача є коефіцієнт відносної чутливості, який дорівнює відношенню відносної зміни опору до відносної зміни довжини провідника:

 . /3.11/

Тому що деформація тензорезистора і досліджуваної деталі однакова, то /3.11/ можна звести до виду

 , /3.12/

де σ — механічна напруга в місці наклейки тензорезистора; Е — модуль пружності матеріалу досліджуваної деталі.

Тензорезистори застосовують також для вимірювання механічних величин, які можна претворити у деформацію пружного елемента.

 

Вони являють собою електричні конденсатори, ємність яких  змінюється внаслідок зміни під дією вимірюваної величини відстані між обкладками або діелектричної проникності середовища, що знаходиться між ними. Ємність перетворювача

 , /3.13/

де ε — діелектрична проникність середовища, що знаходиться між обкладками конденсатора;   - відповідно площа обкладок і відстань між ними.

З /3.13/ випливає, що вхідними величинами можуть бути переміщення або діелектрична проникність речовини, а вихідною - ємність. 

Тому ємнісні перетворювачі застосовують для вимірювання механічних переміщень і зв'язаних з ними величин (тиску, прискорення, сили, вібрації тощо), а також для вимірювання складу середовищ з різними значеннями ε (наприклад, рівня рідини, вологості ґрунту тощо).

Конструктивно ємнісні перетворювачі виготовляють плоско-паралельними і коаксіальними. На (рис. 3.6,а), зображена конструктивна схема перетворювача для вимірювання малих (0,001 ... 1,0 мм) переміщень. Обкладка 1 закріплена на пружинах 2 і може переміщуватися поступально під дією вимірюваної величини хвх. Обкладка 3 нерухома. Коаксіальний перетворювач для вимірювання рівня діелектричних рідин (рис. 3.6, б) являє собою циліндричний конденсатор, обкладками якого є стрижень 1 і циліндр 2. Тому що діелектрична проникність рідини значно більша діелектричної проникності повітря, то при зміні рівня змінюється сумарна ємність перетворювача.

Якщо між обкладками конденсатора помістити вологий матеріал, наприклад, ґрунт, то ємність конденсатора буде залежати від вологості. Цю залежність використовують для вимірювання вологості.

Ємнісні перетворювачі практично безінерційні і їх широко застосовують для вимірювання швидкозмінних величин, наприклад, для вимірювання рівня води.

 

Рис. 3.6. Схеми ємнісних перетворювачів: а  —  плоского;   б  —  коаксіального.

 

Для вимірювання ємності ємнісних перетворювачів найчастіше використовують мости змінного струму. Для підвищення чутливості вимірювальні схеми живлять струмом високої частоти.

 

Індуктивні  і трансформаторні  перетворювачі

Принцип роботи індуктивних перетворювачів базується на зміні індуктивності або взаємоіндуктивності котушки зі сталевим осердям при зміні повітряного проміжку, спричиненого переміщенням рухливої частини магнітопровода під впливом вимірюваної величини.

На рис. 3.7,а показана схема двотактного індуктивного перетворювача, вхідний сигнал якого х - переміщення якоря відносно середнього положення, а вихідний - напруга Uвих.

 

Рис. 3.7. Схеми індуктивних перетворювачів: а – зі змінним повітряним   проміжком; б   —   трансформаторного.

 

Якщо знехтувати магнітним опором сталевого осердя, який значно менший магнітного опору повітряних проміжків, і активним опором котушки, то струм у  котушці можна вважати пропорційним величині повітряного проміжку:

 , /3.14/

де  

δ — значення повітряного зазору; U - напруга, прикладена до котушки; ω - частота живильної напруги; W - число витків котушки; S – площа поперечного перерізу сталевого осердя.

При переміщенні якоря, наприклад, вверх на значення х відносно середнього положення зміняться величини повітряних проміжків і згідно з формулою /3.14/ зміняться і струми в котушках, а саме:

 . Струми І1 і І2 зумовлять розбаланс моста і вихідна напруг

 . /3.15/

При переміщенні якоря вниз вихідна напруга також буде визначатися рівнянням /3.15/, але фаза її зміниться на 180°.

Перетворювачі зі змінними повітряними проміжками використовують для вимірювання переміщень від декількох мікронів до декількох міліметрів. Для вимірювання великих переміщень використовують трансформаторні перетворювачі, робота яких побудована на зміні взаємно індуктивності двох котушок.

На рис.3.7.,б показана схема перетворювача, що має одну первинну 3 і дві вторинні (1 і 2) обмотки. Вхідною величиною перетворювача є переміщення осердя, а вихідною - різниця е.р.с. вторинних обмоток.

Якщо осердя знаходиться в середнім положенні, то у вторинних обмотках індукуються е.р.с., рівні за значенням. Оскільки обмотки 1 і 2 з'єднані зустрічно, то  . При переміщенні осердя 4 (наприклад, вверх) Е1 збільшується, а Е2 зменшується внаслідок зміни магнітних потоків, які зв'язані з вторинними обмотками, і

 , /3.16/

де k — коефіцієнт пропорційності.

Рівняння /3.16/ справедливе, якщо напруга живлення вибрана з умови роботи перетворювача на лінійній частині кривої намагнічування для всіх значень х. Позитивною якістю трансформаторного перетворювача є відсутність електричного зв'язку між джерелом живлення і вихідним сигналом.

 

Робота ультразвукових перетворювачів базується на явищі зсуву звукових (частота понад 20 кГц) коливань середовищем, що рухається, або на явищі відбивання звуку від границі розділу двох середовищ.

На рис. 3.8 показана схема перетворення швидкості руху рідини в електричну напругу за допомогою ультразвуку. 

У трубі 1, по якій рухається рідина зі швидкістю V, розташовані два п'єзоелектричних елементи 2 і 3 у вигляді пластинок із титанату барію, що електризуються під дією тиску звукових хвиль (прямий п’єзоефект) або змінюють свої геометричні розміри при дії електричного поля (обернений пьєзоефект).

 

Рис.  3.8. Структурна схема   ультразвукового   перетворювача.

 

Від генератора 4 напруга ультразвукової частоти подається на п’єзоелектричний елемент 3, що перетворює електричні коливання в ультразвукові. П’єзоелектричний елемент 2 сприймає тиск ультразвукової хвилі і перетворює у коливання електричних зарядів, які підсилюються підсилювачем 6. Коливання на виході підсилювача зміщуються щодо коливань генератора на час

 , /3.17/

де l — відстань між п’єзоелементами; с — швидкість звуку в рідині; V — швидкість потоку. Зсув між цими коливаннями фазометром 5 перетворюється в електричну напругу, пропорційну швидкості потоку рідини в трубі.

Ультразвукові перетворювачі, що працюють на основі відбивання звукових хвиль від границі розділу двох середовищ з різною щільністю, використовують для вимірювання рівня рідин. У цьому випадку електричні коливання також перетворюються за допомогою п’єзоелемента в ультразвукові, котрі після відбивання від поверхні рідини знову попадають на п’єзоелемент і перетворюються в електричні, зміщені щодо вихідних на час

 , /3.18/

де Н — рівень рідини. Вираз /3.18/ показує, що час зсуву пропорційний рівневі рідини.

Ультразвукові перетворювачі широко застосовують для вимірювання витрати, рівня й інших величин. Їх основний недолік - залежність вихідної величини від температури, тому що швидкість звуку сильно залежить від температури середовища, у якій він поширюється.

 

В основі їх дії лежить явище уповільнення швидких нейтронів в середовищі, що містить атоми водню. Ефективним сповільнювачем є вода. Тому якщо опромінювати вологий матеріал, наприклад, ґрунт, швидкими нейтронами, то кількість повільних нейтронів, що утворяться в результаті розсіювання нейтронного потоку, буде залежати від кількості атомів водню в одиниці об'єму і побічно - від вологості матеріалу. Таким чином, кількість повільних нейтронів може служити мірою вологості ґрунту або інших матеріалів.

Як джерело повільних нейтронів використовується суміш порошків радію і берилію, запаяна в металеву гільзу. Термін служби такого джерела практично необмежений, тому що період напіврозпаду складає 150 років. Приймачем повільних нейтронів є борний газорозрядний лічильник, що нечутливий до швидких нейтронів.

На рис. 3.9 показана схема нейтронного перетворювача для вимірювання вологості. 

Перетворювач являє собою тонкостінну дюралеву герметичну гільзу 1, у середині якої розташовані джерело нейтронів 2 і циліндр із плексигласу 4 з трьома повздовжними пазами, у яких розташовані лічильники повільних нейтронів (γ-лічильники) 5. Між джерелом нейтронів і лічильниками знаходиться екран 3 зі свинцю.

При попаданні повільних нейтронів у лічильники в них виникають імпульси струму, які по сполучному кабелю 6 передаються в радіометр з інтегратором 9, що перетворює число імпульсів у напругу. Для контролю роботи джерела випромінювання  гільзу 1 переміщають по трубі 7 в еталонний сповільнювач 8, виготовлений з парафіну або плексигласу.

 

Рис. 3.9.   Принципова  схема   нейтронного  перетворювача.

 

При вимірюванні вологості ґрунту нейтронним перетворювачем необхідно вносити поправки на вміст атомів водню у твердій фазі ґрунту.