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

 

Вимірювальним перетворювачем називається засіб вимірювання, призначений для перетворення сигналу вимірювальної інформації у форму, зручну для передачі і подальшої обробки. 

 

На рис. 3.1 представлені вимірювальний перетворювач і його структурна схема. Зміна рівня Н (вхідна величина) за допомогою поплавка перетворюється в лінійне переміщення Δl, що сприймає трос, і за допомогою барабана і противаги перетворює у кутове переміщення Δφ. Кутове переміщення барабана сприймає повзунок реостата і перетворює в електричний опір, що вимірювальним ланцюгом перетворюється в напругу Uвих (вихідна величина).

 

Рис.3.1. Кінематична схема вимірювального перетворювача  (а) і його  структурна схема (б).

 

У цьому перетворювачі поплавок є первинним вимірювальним перетворювачем, барабан із тросом і противагою, а також реостат — проміжними вимірювальними перетворювачами. Кожний з них виконує одне окреме вимірювальне перетворення, тобто здійснює відображення розміру однієї фізичної величини розміром іншої, функціонально з нею зв'язаної. Вимірювальний ланцюг, будучи вихідним елементом, перетворює проміжну фізичну величину в сигнал, зручний для передачі і подальшого використання.

Характеристики перетворювачів

Функціональна залежність вихідної величини від вхідний y=f(x), задана аналітичним виразом або графіком, називається статичною характеристикою перетворювача.

 Для вимірювальних перетворювачів, що застосовуються у системах автоматичного керування, статична характеристика повинна бути лінійною, тобто y=Sx, де   - чутливість перетворювача, тобто його здатність реагувати на найменші зміни вимірювальної величини .

 

Метрологічними характеристиками перетворювачів, крім того, є:

 1) межі основної похибки, у відсотках від верхньої межі виміру або в одиницях вимірюваної величини; 

2) додаткова похибка, що виникає при відхиленні умов виміру від нормальних;

 3) динамічна похибка, що виникає при зміні вимірюваної величини і дорівнює різниці між значенням вихідного сигналу в динамічному режимі і його значенням в усталеному режимі; 

 

За видом вихідної величини первинного вимірювального перетворювача перетворювачі поділяються на генераторні і параметричні.

 

У генераторних перетворювачах відбувається безпосереднє перетворення вимірюваної величини (температури, світлового потоку, швидкості руху рідини й інших фізичних величин) в електричний або інший сигнал вимірювальної інформації. Найчастіше вихідним сигналом є електрорушійна сила.

У параметричних перетворювачах вимірювана величина (температура, рівень, тиск і ін.) викликає зміну деякого параметра (електричного опору, індуктивності, ємності й ін.), що потім перетворюється в сигнал  вимірювальної інформації. Тому параметричні перетворювачі складаються з трьох і більшого числа перетворюючих елементів.

Найбільш широке застосування в автоматичних системах знайшли вимірювальні перетворювачі, у яких вимірювана величина спочатку перетворюється в механічне переміщення, а потім за допомогою декількох елементів в електричний сигнал.

При автоматизації виробничих процесів у гідромеліорації найбільше широко застосовують термоелектричні, терморезисторні, реостатні, ємнісні, індуктивні, ультразвукові вимірювальні перетворювачі.

 

За принципом перетворення енергії

За принципом перетворення енергії розрізняють активні і пасивні давачі, що відрізняються способами формування сигналу і схемами підключення:

активні (генераторні) — давачі, у яких здійснюється перетворення видів енергії від входу до виходу;

пасивні (параметричні) — давачі, у яких вхідна енергія змінює параметри визначених елементів первинних вимірювальних перетворювачів.

 

За видом вхідної фізичної величини

За вхідними фізичними величинами, що підлягають перетворенню давачі бувають:

електричні та магнітні; теплових величин; механічних величин; оптичних параметрів; форми та розмірів; акустичних величин; концентрації та складу;

іонізаційного випромінення.

 

За використаними фізико-хімічними ефектами

За фізико-хімічними ефектами, що лежать в основі роботи вимірювальних перетворювачів, розрізняють давачі:

резистивні; ємнісні (електростатичні); індуктивні та електромагнітні;

електричного заряду, напруги або струму; зміни геометричних розмірів, маси або положення; оптичних ефектів; біохімічні.

 

За характером вихідного сигналу

За видом вихідного сигналу давачі бувають: дискретні; аналогові; цифрові; імпульсні.

За видом вихідного сигналу

За фізичною природою вихідного сигналу давачі бувають: з електричним вихідним сигналом (найпоширеніші); пневматичним вихідним сигналом; оптичним вихідним сигналом (перспективні);

 

Принцип їх дії оснований на явищі термоелектричного ефекту, що полягає у виникненні термоелектрорушійної сили (термо - е.р.с.) у ланцюзі, що складається з двох різних провідників А і В, якщо температури t1 і t2 на їх кінцях різні (рис. 3.2.).

Представлений на рис.3.2. ланцюг є термоелектричним перетворювачем і називається термопарою; провідники, що складають термопару, називаються термоелектродами, а місця їх з'єднань - спаями.

Виникаюча термо-е.р.с. являє собою різницю функцій температур спаїв:

 .

При сталій температурі одного спаю  (t2 = const)

  . /3.1/

Залежність /3.1/ використовують для вимірюваня температури. Одержати цю залежність аналітичним шляхом не можна через відсутність строгої теорії термоелектричного явища. Тому залежність /3.1/ знімають експериментально і задають у виді градуювальної таблиці, складеної для температури холодних кінців термопари t2=0°С.

Щоб одержати великі значення термо-е.р.с. для виготовлення термопар, використовують в основному спеціальні сплави, наприклад,   платинородій   (10%   родію) - платина, хромель - копель (56% міді і 44% нікелю) і ін.

 

Термопари із благородних металів мають більш високу точність у порівнянні з термопарами з неблагородних металів.