Pierwotne przetworniki pomiarowe. Generatorowe przetworniki pomiarowe Jaka jest budowa, zasada działania i zastosowanie
Elektryczne przyrządy pomiarowe są szeroko stosowane do pomiaru wielkości nieelektrycznych. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych konwerterów (Converters).
Sygnały wyjściowe takich przetworników przesyłane są w postaci parametrów obwodu lub pola elektromagnetycznego (ładunku), powiązanego z zależnością funkcjonalną z sygnałem wejściowym. Pierwsze nazywane są parametrycznymi, drugie generatorowymi.
Spośród przetworników parametrycznych najczęściej stosowane są urządzenia reostatyczne, wrażliwe na odkształcenia, wrażliwe na temperaturę, elektrolityczne, jonizacyjne, indukcyjne i pojemnościowe.
Przetworniki reostatu Są to izolowana rama, na której nawinięty jest przewodnik i szczotka poruszająca się po zwojach. Ich parametrem wyjściowym jest rezystancja obwodu.
Mierzoną wielkością Pr może być ruch pędzla po linii prostej lub po okręgu. Po udoskonaleniu systemu wykrywania, Pr można wykorzystać do określenia ciśnienia lub masy, pod wpływem której suwak będzie się poruszał.
Do uzwojenia reostatu stosuje się materiały, których rezystancja jest w niewielkim stopniu zależna od czynników zewnętrznych (temperatura, ciśnienie, wilgotność itp.). Takimi materiałami mogą być nichrom, fechral, konstantan lub mangan. Zmieniając kształt i przekrój rdzenia (odpowiednio zmienia się także długość jednego zwoju), można uzyskać nieliniową zależność rezystancji obwodu od ruchu suwaka.
Zaletą przetwornic reostatycznych jest prostota ich konstrukcji. Niemożliwe jest jednak dokładne określenie ruchu, jeśli rezystancja wyjściowa zmienia się w ciągu jednego obrotu. Jest to główna wada takich Prs i charakteryzuje ich błąd.
Przetworniki wrażliwe na odkształcenia (TCTr). Ich działanie opiera się na zmianie rezystancji czynnej przewodnika pod wpływem nacisku lub odkształcenia mechanicznego. Zjawisko to nazywane jest efektem odkształcenia.
Sygnałem wejściowym dla TCPR może być rozciąganie, ściskanie lub inny rodzaj odkształcenia części sprzętu, konstrukcji metalowych, sygnałem wyjściowym jest zmiana rezystancji przetwornika.
Druty wrażliwe na odkształcenia to cienkie podłoże wykonane z papieru lub folii, na które naklejony jest drut o bardzo małym przekroju. Jako element czujnikowy zwykle stosuje się drut Constantan, który ma rezystancję niezależną od temperatury i ma średnicę 0,02-0,05 mm. Stosowane są również foliowe TCPR i tensometry foliowe.
Przetwornik PM przykleja się do mierzonej części w taki sposób, aby oś rozszerzania liniowego części pokrywała się z osią wzdłużną PM. Gdy mierzony obiekt rozszerza się, zwiększa się długość TCP i odpowiednio zmienia się jego rezystancja.
Zaletą takich urządzeń jest liniowość, prostota konstrukcji i montażu. Wady obejmują niską czułość.
Konwertery termoczułe (TPr). Głównymi elementami takich urządzeń są termistory, diody termiczne, tranzystory termiczne itp. Termoelement włącza się w obwód elektryczny w taki sposób, że przepływa przez niego prąd w obwodzie i ma to wpływ na temperaturę mierzonego elementu.
Za ich pomocą można zmierzyć temperaturę, lepkość, przewodność cieplną, prędkość ruchu i inne parametry otoczenia, w którym znajduje się element.
Termistory platynowe stosuje się do pomiarów w zakresie temperatur -260°C do +1100°C, natomiast termistory miedziane stosuje się w zakresie temperatur -200°C do +200°C. W zakresie temperatur -80°C do +150°C, gdy wymagana jest szczególna dokładność, stosuje się diody termiczne i termotranzystory.
W zależności od trybu pracy TRPr dzieli się na przegrzanie i bez podgrzewania wstępnego. Urządzenia bez podgrzewania służą wyłącznie do pomiaru temperatury medium, ponieważ przepływający w nich prąd nie ma wpływu na ich nagrzewanie. Temperaturę ośrodka określa się dość dokładnie na podstawie rezystancji elementu.
Tryb pracy innego typu przetworników termicznych związany jest z ich podgrzaniem do zadanej wartości. Następnie umieszcza się je w mierzonym środowisku i monitoruje zmianę jego rezystancji.
Na podstawie szybkości zmian rezystancji można ocenić, jak intensywnie następuje chłodzenie lub nagrzewanie, co oznacza, że można określić prędkość ruchu mierzonej substancji, jej lepkość i inne parametry.
Półprzewodnikowe TPR są bardziej czułe niż termistory, dlatego znajdują zastosowanie w dziedzinie precyzyjnych pomiarów. Jednak ich istotną wadą jest wąski zakres temperatur i słaba powtarzalność charakterystyk statycznych urządzenia.
Konwertery elektrolityczne (ELC). Służą do określania stężenia roztworów, ponieważ przewodność elektryczna roztworów zależy w znacznym stopniu od stopnia stężenia w nich soli.
ELP to naczynie z dwiema elektrodami. Do elektrod przykładane jest napięcie, zamykając w ten sposób obwód elektryczny przez warstwę elektrolitu. Takie przetworniki stosuje się na prąd przemienny, ponieważ pod wpływem prądu stałego elektrolit dysocjuje na jony dodatnie i ujemne, co wprowadza błąd w pomiarach.
Kolejną wadą ELP jest zależność przewodności elektrolitu od temperatury, co wymusza utrzymywanie stałej temperatury za pomocą urządzeń chłodniczych lub grzewczych.
Przetwornice indukcyjne i pojemnościowe. Jak sama nazwa wskazuje, parametrami wyjściowymi takich urządzeń są indukcyjność i pojemność. Zmierzoną wartością prostych indukcyjnych PR może być przemieszczenie od 10 do 15 mm, w przypadku indukcyjnych PR transformatorów z układem otwartej pętli wartość tę można zwiększyć do 100 mm. Pojemnościowe Prs służą do pomiaru ruchów rzędu 1 mm.
Indukcyjne Prs to dwie cewki indukcyjne umieszczone na otwartym rdzeniu. Na indukcyjność wzajemną cewek wpływają takie parametry jak: długość szczeliny powietrznej przekroju otwartego, pole przekroju poprzecznego szczeliny powietrznej, przenikalność magnetyczna szczeliny powietrznej.
Zatem mierząc indukcyjność wzajemną cewek można określić, jak bardzo zmieniły się powyższe parametry. I mogą się zmieniać, gdy płyta dielektryczna porusza się w szczelinie powietrznej. Na tym opiera się zasada działania indukcyjnego pr.
Zasada działania pojemnościowych PR opiera się na zmianie pojemności kondensatora, gdy zmniejsza się powierzchnia czynna płytek, zmienia się odległość między płytami kondensatora i zmienia się stała dielektryczna przestrzeni między płytami.
Przetworniki pojemnościowe charakteryzują się większą wrażliwością na zmiany parametrów wejściowych. Capacitive Pr jest w stanie rejestrować zmiany pojemności nawet przy przesunięciu o tysięczne części milimetra.
Konwertery jonizacyjne. Zasada działania przyrządu opiera się na zjawisku jonizacji gazu i innych ośrodków pod wpływem promieniowania jonizującego, którym może być jonizujące promieniowanie α, β i γ substancji radioaktywnych lub promieniowanie rentgenowskie.
Jeżeli komora zawierająca gaz zostanie wystawiona na działanie promieniowania, przez elektrody przepłynie prąd elektryczny. Wielkość tego prądu będzie zależeć od składu gazu, wielkości elektrod, odległości między elektrodami i przyłożonego napięcia.
Mierząc prąd elektryczny w obwodzie, przy znanym składzie ośrodka, odległości między elektrodami i przyłożonym napięciu, można określić wielkość elektrod i odwrotnie, inne parametry. Służą do pomiaru wymiarów części, składu gazu itp.
Główną zaletą jonizacji Prs jest możliwość bezkontaktowego pomiaru w środowiskach agresywnych, pod podwyższonym ciśnieniem lub temperaturą. Wadą takiego pr jest konieczność biologicznej ochrony personelu przed narażeniem na promieniowanie.
Najważniejszymi charakterystykami metrologicznymi przetworników są: nominalna statyczna charakterystyka konwersji, czułość, błąd podstawowy, błędy dodatkowe lub funkcje wpływu, zmienność sygnału wyjściowego, impedancja wyjściowa, charakterystyki dynamiczne itp.
Do najważniejszych cech niemetrologicznych zalicza się wymiary, wagę, łatwość montażu i konserwacji, bezpieczeństwo przeciwwybuchowe, odporność na przeciążenia mechaniczne, termiczne, elektryczne i inne, niezawodność, koszt produkcji i eksploatacji, itp.
W zależności od rodzaju sygnału wyjściowego wszystkie przetworniki pomiarowe dzielą się na parametryczny I generator Klasyfikuje się je także ze względu na zasadę działania. Poniżej omówiono jedynie najczęściej stosowane przetworniki pomiarowe.
13.1 Przetworniki parametryczne
Informacje ogólne. W przetwornikach parametrycznych wartością wyjściową jest parametr obwodu elektrycznego (R, L, M, C). W przypadku stosowania przetworników parametrycznych wymagane jest dodatkowe źródło zasilania, którego energia wykorzystywana jest do generowania sygnału wyjściowego przetwornika.
Przetworniki reostatu. Przetworniki reostatyczne działają na zasadzie zmiany rezystancji elektrycznej przewodnika pod wpływem wielkości wejściowej – przemieszczenia. Przetwornik reostatyczny to reostat, którego szczotka (ruchomy styk) porusza się pod wpływem mierzonej wielkości nieelektrycznej. Na ryc. Rysunek 11-5 schematycznie pokazuje niektóre opcje projektowania przetwornic reostatycznych dla kątowych (ryc. 11-5, A) i ruchy liniowe (ryc. 11-5, b i c). Konwerter składa się z uzwojenia nałożonego na ramę i szczotki. Do produkcji ram używa się dielektryków i metali. Drut nawojowy wykonany jest ze stopów (stop platynowo-irydowy, konstantan, nichrom i fechral). Do nawijania zwykle używa się drutu izolowanego. Po wykonaniu uzwojenia należy oczyścić izolację drutu w miejscach styku ze szczotką. Szczotkę przetwornika wykonuje się z drutów lub z płaskich pasków sprężynowych i stosuje się zarówno czyste metale (platyna, srebro), jak i stopy (platyna z irydem, brąz fosforowy itp.).
Ryż. 11-5. Przetworniki reostatyczne dla kątowego (a), liniowego (B) ruchów oraz do funkcjonalnej transformacji ruchów liniowych (in)
Wymiary przekształtnika określa wartość zmierzonego przemieszczenia, rezystancja uzwojenia oraz moc wydzielana w uzwojeniu.
Aby uzyskać nieliniową funkcję transformacji, stosuje się funkcjonalne przetworniki reostatyczne. Pożądany charakter przeróbki często uzyskuje się poprzez wyprofilowanie ramy konwertera (Rys. 11-5, V).
W rozważanych przetwornicach reostatycznych charakterystyka konwersji statycznej ma charakter schodkowy, ponieważ rezystancja zmienia się w krokach równych rezystancji jednego zwoju, co powoduje błąd. Czasami stosuje się przetworniki reochordowe, w których szczotka ślizga się wzdłuż osi drutu. Te konwertery nie mają określonego błędu. Przetworniki reostatu wchodzą w skład obwodów pomiarowych w postaci mostków zrównoważonych i nierównowagowych, dzielników napięcia itp.
Do zalet konwerterów należy możliwość uzyskania dużej dokładności konwersji, znacznych poziomów sygnału wyjściowego oraz względna prostota konstrukcji. Wadami są obecność styku ślizgowego, potrzeba stosunkowo dużych ruchów, a czasem znaczny wysiłek podczas poruszania się.
Przetworniki reostatyczne służą do przekształcania stosunkowo dużych przemieszczeń i innych wielkości nieelektrycznych (siła, ciśnienie itp.), które można przeliczyć na przemieszczenie.
Przetworniki wrażliwe na odkształcenia (tensometry). Działanie przetworników opiera się na efekcie tensoelektrycznym, który polega na zmianie rezystancji czynnej przewodnika (półprzewodnika) pod wpływem naprężeń mechanicznych i wywołanych w nim odkształceń.
Ryż. 11-6. Przetwornik drutowy wrażliwy na naprężenia
Jeśli drut zostanie poddany naprężeniom mechanicznym, na przykład rozciąganiu, jego rezystancja ulegnie zmianie. Zmianę oporu drutu pod działaniem mechanicznym tłumaczy się zmianą wymiarów geometrycznych (długość, średnica) i rezystywności materiału.
Przetworniki wrażliwe na odkształcenia, powszechnie stosowane dzisiaj (Rys. 11-6), to cienki zygzakowaty drut ułożony i przyklejony do paska papieru (podłoża /) 2 (ruszt druciany). Przetwornik podłącza się do obwodu za pomocą przewodów spawanych lub lutowanych 3. Przetwornik przykleja się do powierzchni badanej części tak, aby kierunek oczekiwanego odkształcenia pokrywał się z osią wzdłużną siatki drucianej.
Do produkcji konwerterów stosuje się głównie drut Constantan o średnicy 0,02-0,05 mm (S == 1,9 - 2,1). Constantan ma niski współczynnik temperaturowy rezystancji elektrycznej, co jest bardzo ważne, ponieważ zmiana rezystancji przetworników podczas odkształcania, na przykład części stalowych, jest proporcjonalna do zmiany rezystancji przetwornika przy zmianie temperatury. Jako podłoże stosuje się cienki (0,03-0,05 mm) papier, warstwę lakieru lub kleju, a przy wysokich temperaturach - warstwę cementu.
Stosuje się również przetworniki foliowe, w których zamiast drutu stosuje się tensometry foliowo-filmowe, otrzymywane w procesie sublimacji materiału wrażliwego na odkształcenia i późniejszego jego osadzania na podłożu.
Do przyklejenia drutu do podłoża i całego przetwornika do części stosuje się kleje (roztwór celuloidu w acetonie, BF-2, BF-4, klej bakelitowy itp.). Do wysokich temperatur (powyżej 200°C) stosuje się cementy żaroodporne, lakiery i kleje silikonowe itp.
Konwertery występują w różnych rozmiarach w zależności od ich przeznaczenia. Najczęściej stosowane są przetworniki o długości siatki (podstawy) od 5 do 50 mm i posiadające rezystancję 30-500 Ohm.
Zmiana temperatury powoduje zmianę charakterystyki konwersji tensometrów, co można wytłumaczyć temperaturową zależnością rezystancji przetwornika od różnicy temperaturowych współczynników rozszerzalności liniowej materiału tensometru i badanej części. Wpływ temperatury eliminuje się zazwyczaj stosując odpowiednie metody kompensacji temperatury.
Klejonego przetwornika wrażliwego na naprężenia nie można usunąć z jednej części i przykleić do drugiej. Dlatego w celu wyznaczenia charakterystyki konwersji (współczynnika S) stosuje się selektywną kalibrację przetworników, która daje wartość współczynnika S z błędem ±1%. Metody określania charakterystyk tensometrów reguluje norma. Zaletami tych przetwornic są liniowość statycznych charakterystyk konwersji, małe wymiary i waga oraz prostota konstrukcji. Ich wadą jest niska czułość.
W przypadkach, gdy wymagana jest duża czułość, stosuje się przetworniki wrażliwe na odkształcenia wykonane w postaci pasków materiału półprzewodnikowego. Współczynnik S takich konwerterów sięga kilkuset. Jednakże powtarzalność działania przetwornika półprzewodnikowego jest słaba. Obecnie zintegrowane tensometry półprzewodnikowe produkowane są masowo, tworząc most lub półmostek z elementami kompensacji termicznej.
Mostki równowagowe i nierównowagowe stosowane są jako obwody pomiarowe w tensometrach. Tensometry służą do pomiaru odkształceń i innych wielkości nieelektrycznych: sił, ciśnień, momentów itp.
Przetworniki termoczułe (termistory). Zasada działania przetworników opiera się na zależności rezystancji elektrycznej przewodników lub półprzewodników od temperatury.
Podczas pomiaru następuje wymiana ciepła pomiędzy termistorem a badanym medium. Ponieważ termistor jest podłączony do obwodu elektrycznego, za pomocą którego mierzona jest jego rezystancja, przepływa przez niego prąd, uwalniając w nim ciepło. Wymiana ciepła termistora z medium następuje na skutek przewodności cieplnej medium i konwekcji w nim zachodzącej, przewodności cieplnej samego termistora i złączek, do których jest on przymocowany, i wreszcie na skutek promieniowania. Intensywność wymiany ciepła, a co za tym idzie temperatura termistora, zależy od jego wymiarów geometrycznych i kształtu, od konstrukcji złączek ochronnych, od składu, gęstości, przewodności cieplnej, lepkości i innych właściwości fizycznych ośrodka gazowego lub ciekłego otoczenia termistora, a także od temperatury i prędkości ruchu medium.
Ryż. 11-7. Konstrukcja (a) i wygląd złączek (b) termistora platynowego
Zatem zależność temperatury, a co za tym idzie rezystancji termistora od wymienionych powyżej czynników, można wykorzystać do pomiaru różnych wielkości nieelektrycznych charakteryzujących ośrodek gazowy lub ciekły. Projektując przetwornicę dąży się do tego, aby o wymianie ciepła termistora z medium decydowała głównie mierzona wielkość nieelektryczna.
W zależności od trybu pracy termistory mogą ulec przegrzaniu lub nie przegrzać się celowo. W przetwornikach bez przegrzania prąd przepływający przez termistor praktycznie nie powoduje przegrzania, a jego temperatura zależy od temperatury medium; Przetworniki te służą do pomiaru temperatury. W przetwornicach przegrzewających się prąd elektryczny powoduje przegrzanie, w zależności od właściwości medium. Przetworniki przegrzania służą do pomiaru prędkości, gęstości, składu medium itp. Ponieważ na termistory przegrzania wpływa temperatura medium, zwykle stosuje się metody obwodów w celu kompensacji tego wpływu.
Najpopularniejszymi termistorami do pomiaru temperatury są te wykonane z drutu platynowego lub miedzianego.
Standardowe termistory platynowe służą do pomiaru temperatur w zakresie od -260 do + 1100 ° C, miedziane - w zakresie od - 200 do +200 ° C (GOST 6651-78). Niskotemperaturowe termistory platynowe (GOST 12877-76) służą do pomiaru temperatur w zakresie od -261 do -183 °C.
Na ryc. 11-7, A pokazano urządzenie z termistora platynowego. W kanałach rurki ceramicznej 2 istnieją dwie (lub cztery) sekcje spirali 3 wykonane z drutu platynowego, połączone ze sobą szeregowo. Przewody są przylutowane do końców spirali 4, służy do podłączenia termistora do obwodu pomiarowego. Przewody są zabezpieczone, a rurka ceramiczna uszczelniona glazurą /. Kanały rurki wypełnione są bezwodnym proszkiem tlenku glinu, który pełni rolę izolatora i utrwalacza spirali. Bezwodny proszek tlenku glinu, który ma wysoką przewodność cieplną i niską pojemność cieplną, zapewnia dobre przenoszenie ciepła i niską bezwładność termistora. Aby chronić termistor przed wpływami mechanicznymi i chemicznymi środowiska zewnętrznego, umieszcza się go w złączkach ochronnych (ryc. 11-7, b) wykonanych ze stali nierdzewnej.
Początkowe rezystancje (w temperaturze 0°C) standardowych termistorów platynowych wynoszą 1, 5, 10, 46, 50, 100 i 500 omów, a miedziane - 10, 50, 53 i 100 omów.
Dopuszczalna wartość prądu płynącego przez termistor po podłączeniu go do obwodu pomiarowego musi być taka, aby zmiana rezystancji termistora podczas nagrzewania nie przekraczała 0,1% rezystancji początkowej.
Statyczne charakterystyki konwersji w formie tabel (kalibracja) i dopuszczalne odchylenia tych charakterystyk dla standardowych termistorów podano w GOST 6651-78.
Oprócz platyny i miedzi do produkcji termistorów czasami używa się niklu.
Do pomiaru temperatury wykorzystuje się także termistory półprzewodnikowe (termistory) różnego typu, które charakteryzują się większą czułością (termistory TC).
strona jest ujemna i przy 20°C jest 10-15 razy wyższa niż TCR miedzi i platyny) i mają wyższą rezystancję (do 1 MOhm) przy bardzo małych rozmiarach. Wadą termistorów jest słaba odtwarzalność i nieliniowość charakterystyk konwersji:
Gdzie rt I Ro- rezystancja termistora w temperaturach T I To; To- temperatura początkowa zakresu roboczego; W- współczynnik.
Termistory stosowane są w zakresie temperatur od -60 do + 120°C.
Do pomiaru temperatur od -80 do -f- 150°C stosuje się diody termiczne i termotranzystory, w których rezystancja zmienia się pod wpływem temperatury R- Złącze I i spadek napięcia na tym złączu. Czułość napięciowa termotranzystora wynosi 1,5-2,0 mV/K, co znacznie przekracza czułość standardowych termopar (patrz tabela 11-1). Przetwornice te są zwykle zawarte w obwodach mostkowych i obwodach dzielnika napięcia.
Zaletami diod termicznych i tranzystorów termicznych są: wysoka czułość, mały rozmiar i mała bezwładność, wysoka niezawodność i niski koszt; Wadą jest wąski zakres temperatur i słaba powtarzalność charakterystyk konwersji statycznej. Wpływ ostatniej wady zmniejsza się poprzez zastosowanie specjalnych łańcuchów.
Bezwładność cieplna standardowych termistorów zgodnie z GOST 6651-78 charakteryzuje się współczynnikiem bezwładności cieplnej b^, zdefiniowanym jako czas wymagany, aby po wprowadzeniu przetwornika do środowiska o stałej temperaturze różnica temperatur pomiędzy otoczeniem a dowolnym punkt wprowadzonego do niego konwertera staje się równy 0,37 tej wartości, jaką posiadał w chwili wystąpienia normalnych warunków termicznych. Wskaźnik bezwładności cieplnej wyznacza się z tej części nieustalonej krzywej procesu cieplnego przetwornika, która odpowiada trybowi regularnemu, czyli ma charakter wykładniczy (w skali półlogarytmicznej - linia prosta). Wartość e^ dla różnych typów standardowych konwerterów waha się od kilkudziesięciu sekund do kilku minut.
Gdy potrzebne są termistory o małej bezwładności, do ich wykonania używa się bardzo cienkiego drutu (mikrodrutu) lub termistorów o małej objętości (koralików) lub termotranzystorów.
Ryż. 11-8. Przetwornik analizatora gazów oparty na zasadzie pomiaru przewodności cieplnej
rupii 11-9. Zależność przewodności cieplnej gazu od ciśnienia
Termistory stosuje się w przyrządach do analizy mieszanin gazowych. Wiele mieszanin gazów różni się od siebie i od powietrza przewodnością cieplną.
W przyrządach do analizy gazów - analizatorach gazów - do pomiaru przewodności cieplnej wykorzystuje się przegrzany termistor platynowy (Rys. 11-8) umieszczony w komorze 2 z analizowanym gazem. Konstrukcję termistora, armatury i komory oraz wartość prądu grzejnego dobiera się tak, aby wymiana ciepła z czynnikiem odbywała się głównie dzięki przewodności cieplnej ośrodka gazowego.
Aby wykluczyć wpływ temperatury zewnętrznej, oprócz temperatury roboczej, stosuje się komorę kompensacyjną z termistorem wypełnioną gazem o stałym składzie. Obie komory wykonane są jako jeden blok, co zapewnia komorom takie same warunki temperaturowe. Podczas pomiarów termistory robocze i kompensacyjne włączane są w sąsiednie ramiona mostka, co prowadzi do kompensacji wpływu temperatury.
Termistory stosuje się w przyrządach do pomiaru stopnia rozrzedzenia. Na ryc. 11-9 pokazuje zależność przewodności cieplnej gazu znajdującego się pomiędzy ciałami A I B, od jego ciśnienia.
Zatem przewodność cieplna gazu zależy od liczby cząsteczek na jednostkę objętości, tj. od ciśnienia (stopnia rozrzedzenia). Zależność przewodności cieplnej gazu od ciśnienia stosowana jest w próżniomierzach - przyrządach do pomiaru stopnia rozrzedzenia.
Do pomiaru przewodności cieplnej w wakuometrach stosuje się termistory metalowe (platynowe) i półprzewodnikowe, umieszczone w szklanym lub metalowym cylindrze, który jest podłączony do kontrolowanego środowiska.
Termistory stosuje się w urządzeniach do pomiaru prędkości przepływu gazu – anemometrach z gorącym drutem. Temperatura stanu ustalonego termistora przegrzania umieszczonego na drodze przepływu gazu zależy od prędkości przepływu. W tym przypadku głównym sposobem wymiany ciepła pomiędzy termistorem a medium będzie konwekcja (wymuszona). Zmiana rezystancji termistora w wyniku usunięcia ciepła z jego powierzchni przez poruszający się ośrodek jest funkcjonalnie powiązana z prędkością ośrodka.
Konstrukcja i typ termistora, osprzęt i prąd nagrzewania termistora dobierane są w taki sposób, aby wszystkie drogi wymiany ciepła, z wyjątkiem konwekcyjnego, zostały zredukowane lub wyeliminowane.
Zaletami anemometrów z gorącym drutem jest wysoka czułość i szybkość. Urządzenia te umożliwiają pomiar prędkości od 1 do 100-200 m/s za pomocą obwodu pomiarowego, za pomocą którego temperatura termistora automatycznie utrzymuje się na prawie niezmienionym poziomie.
Konwertery elektrolityczne. Konwertery elektrolityczne opierają się na zależności oporności elektrycznej roztworu elektrolitu od jego stężenia. Stosowane są głównie do pomiaru stężeń roztworów.
Na ryc. 11-10, jako przykład, pokazuje wykresy zależności właściwej przewodności elektrycznej niektórych roztworów elektrolitów od stężenia Z rozpuszczona substancja. Z rysunku tego wynika, że w pewnym zakresie zmian stężeń zależność przewodności elektrycznej od stężenia jest jednoznaczna i można ją wykorzystać do wyznaczenia Z.
Ryż. 11-10. Zależność właściwej przewodności elektrycznej roztworów elektrolitów od stężenia substancji rozpuszczonej
Ryż. 11-11. Laboratoryjny konwerter elektrolityczny
Przetwornikiem stosowanym w warunkach laboratoryjnych do pomiaru stężenia jest naczynie z dwiema elektrodami (ogniwo elektrolityczne) (rys. 11-11). Do przemysłowych pomiarów ciągłych przetworniki wykonuje się jako przepływowe, często stosuje się konstrukcje, w których rolę drugiej elektrody pełnią ścianki naczynia (metal).
Przewodność elektryczna roztworów zależy od temperatury. Zatem przy stosowaniu konwerterów elektrolitycznych konieczne jest wyeliminowanie wpływu temperatury. Problem ten rozwiązuje się poprzez ustabilizowanie temperatury roztworu za pomocą lodówki (grzałki) lub zastosowanie obwodów kompensacji temperatury z termistorami miedzianymi, ponieważ współczynniki temperaturowe przewodności roztworów miedzi i elektrolitu mają przeciwne znaki.
Gdy przez przetwornik przepływa prąd stały, następuje elektroliza roztworu, co prowadzi do zniekształcenia wyników pomiarów. Dlatego też pomiary rezystancji roztworów najczęściej wykonujemy na prądzie przemiennym (700-1000 Hz), najczęściej z wykorzystaniem obwodów mostkowych.
Przetwornice indukcyjne. Zasada działania przekształtników opiera się na zależności indukcyjności lub indukcyjności wzajemnej uzwojeń obwodu magnetycznego od położenia, wymiarów geometrycznych i stanu magnetycznego elementów ich obwodu magnetycznego.
Ryż. 11-12. Rdzeń magnetyczny ze szczelinami i dwoma uzwojeniami
Indukcyjność i indukcyjność wzajemną można zmieniać wpływając na długość b, przekrój poprzeczny przekroju powietrznego rdzenia magnetycznego s, straty mocy w rdzeniu magnetycznym i w inny sposób. Można to osiągnąć np. przesuwając rdzeń ruchomy (twornik) / (Rys. 11-12) względem nieruchomego 2, wprowadzenie niemagnetycznej płytki metalowej 3 w szczelinę powietrzną itp.
Na ryc. 11-13 przedstawiają schematycznie różne typy przekształtników indukcyjnych. Przetwornik indukcyjny (rys. 11-13, a) ze zmienną długością szczeliny powietrznej b charakteryzuje się nieliniową zależnością L = fa(B). Taki konwerter jest zwykle używany, gdy twornik przesuwa się o 0,01-5 mm. Znacząco niższa czułość, ale zależność liniowa L = fa(s) konwertery o zmiennym przekroju szczeliny powietrznej różnią się (Rys. 11-13, B). Przetworniki te stosowane są do ruchów do 10-15 mm.
Ryż. 11-13. Przekształtniki indukcyjne o zmiennej długości szczeliny (a), o zmiennym przekroju szczeliny (B), mechanizm różnicowy (V), transformator różnicowy (g), transformator różnicowy z otwartym obwodem magnetycznym (D) magnetoelastyczny (F)
Twornik w przetworniku indukcyjnym podlega (niepożądanej) sile przyciągania z elektromagnesu
Gdzie W m- energia pola magnetycznego; L- indukcyjność przetwornika; / - prąd płynący przez uzwojenie przetwornicy.
Indukcyjne przetworniki różnicowe są szeroko stosowane (ryc. 11-13, V), w którym pod wpływem mierzonej wielkości zmieniają się jednocześnie i przy tym różne znaki dwie szczeliny elektromagnesów. Przetworniki różnicowe w połączeniu z odpowiednim obwodem pomiarowym (najczęściej mostkiem) charakteryzują się wyższą czułością, mniejszą nieliniowością charakterystyki przetwarzania, mniejszym wpływem czynników zewnętrznych i zmniejszoną siłą wypadkową oddziałującą na twornik od elektromagnesu niż przetworniki nieróżnicowe.
Na ryc. 11-13, G pokazuje schemat podłączenia różnicowego przetwornika indukcyjnego, którego wartości wyjściowe są indukcyjnościami wzajemnymi. Takie przetwornice nazywane są wzajemnie indukcyjnymi lub transformatorowymi. Gdy uzwojenie pierwotne jest zasilane prądem przemiennym i gdy zwora jest ustawiona symetrycznie względem elektromagnesów, siła emf na zaciskach wyjściowych wynosi zero. Kiedy twornik się porusza, na zaciskach wyjściowych pojawia się pole elektromagnetyczne.
Do konwersji stosunkowo dużych ruchów (do 50-100 mm) stosuje się przetwornice transformatorowe z otwartym obwodem magnetycznym (ryc. 11-13, O).
Stosowane są przekształtniki kąta obrotu transformatora, składające się ze stacjonarnego stojana i ruchomego wirnika z uzwojeniami. Uzwojenie stojana zasilane jest prądem przemiennym. Obrót wirnika powoduje zmianę wartości i fazy pola elektromagnetycznego indukowanego w jego uzwojeniu. Takie przetworniki stosuje się przy pomiarze dużych ruchów kątowych.
Do pomiaru małych ruchów kątowych stosuje się induktozyny (ryc. 11-14). Wirnik/i stojan 2 inductosyn jest wyposażony w drukowane uzwojenia 3, mający postać rastra promieniowego. Zasada działania induktozyny jest podobna do opisanej powyżej. Drukując uzwojenia można uzyskać dużą liczbę podziałek biegunowych uzwojenia, co zapewnia dużą czułość przetwornika na zmiany kąta obrotu.
Ryż. 11-14. Urządzenie(a) i rodzaj drukowanego uzwojenia (B) induktosyn
Jeżeli rdzeń ferromagnetyczny konwertera jest poddawany naprężeniom mechanicznym F, wówczas w wyniku zmiany przenikalności magnetycznej materiału rdzenia zmieni się opór magnetyczny obwodu, co pociągnie za sobą zmianę indukcyjności L i indukcyjność wzajemna M uzwojenia Na tej zasadzie działają przetwornice magnetoelastyczne (rys. 11-13, mi).
Konstrukcja przetwornika jest zdeterminowana zakresem mierzonych przemieszczeń. Wymiary konwertera dobierane są na podstawie wymaganej mocy sygnału wyjściowego.
Do pomiaru parametrów wyjściowych przekształtników indukcyjnych najczęściej stosuje się obwody mostkowe (równowagowe i nierównowagowe), a także obwód kompensacyjny (w urządzeniach automatycznych) dla różnicowych przekształtników transformatorowych.
Przetworniki indukcyjne służą do przetwarzania przemieszczenia i innych wielkości nieelektrycznych, które można przeliczyć na przemieszczenie (siła, ciśnienie, moment obrotowy itp.).
W porównaniu do innych przetworników przemieszczenia, przetworniki indukcyjne wyróżniają się dużą mocą sygnałów wyjściowych, prostotą i niezawodnością działania.
Ich wadą jest odwrotne działanie przetwornika na badany obiekt (wpływ elektromagnesu na twornik) oraz wpływ bezwładności twornika na charakterystyki częstotliwościowe urządzenia.
Ryż. 11-15. Przetworniki pojemnościowe ze zmienną odległością między płytkami (a), różnicą (b), różnicą ze zmienną powierzchnią czynną płytek (c) i ze zmienną stałą dielektryczną ośrodka między płytami (d)
Przetworniki pojemnościowe. Przetwornice pojemnościowe opierają się na zależności pojemności elektrycznej kondensatora od wymiarów, względnego położenia jego płytek i stałej dielektrycznej ośrodka między nimi.
Na ryc. 11-15 schematycznie przedstawiają konstrukcję różnych przetworników pojemnościowych. Konwerter na rys. 11-15, A jest kondensatorem, którego jedna płytka porusza się pod wpływem mierzonej wartości X względem płyty stacjonarnej. Charakterystyka statyczna transformacji C (b) jest nieliniowa. Czułość przetwornika wzrasta wraz ze zmniejszaniem się odległości 6. Przetworniki tego typu służą do pomiaru małych ruchów (poniżej 1 mm).
Mały ruch roboczy płyt prowadzi do błędu wynikającego ze zmian odległości między płytami przy wahaniach temperatury. Wybierając wymiary części i materiałów konwertera, błąd ten można zmniejszyć.
W przetwornikach pojemnościowych pomiędzy płytami występuje (niepożądana) siła przyciągania
Gdzie W 3- energia pola elektrycznego; U i C to odpowiednio napięcie i pojemność między płytkami.
Stosowane są również konwertery różnicowe (ryc. 11-15, b), które mają jedną ruchomą i dwie stałe płyty. Po wystawieniu na działanie zmierzonej ilości X Przetwornice te jednocześnie zmieniają swoje pojemności. Na ryc. 11-15, V przedstawia różnicowy przetwornik pojemnościowy ze zmienną powierzchnią płyty aktywnej. Przetwornik taki służy do pomiaru stosunkowo dużych przemieszczeń liniowych (powyżej 1 mm) i kątowych. W tych konwertorach łatwo jest uzyskać wymaganą charakterystykę konwersji poprzez profilowanie płytek.
Przetworniki (e) służą do pomiaru poziomu cieczy, wilgotności substancji, grubości produktów dielektrycznych itp. Na przykład (ryc. 11-15, G) Podano urządzenie przetwornika pojemnościowego miernika poziomu. Pojemność pomiędzy elektrodami zanurzonymi w naczyniu zależy od poziomu cieczy, gdyż zmiana poziomu prowadzi do zmiany średniej stałej dielektrycznej ośrodka pomiędzy elektrodami. Zmieniając konfigurację płytek, można uzyskać pożądany charakter zależności wskazań przyrządu od objętości (masy) cieczy.
Do pomiaru parametrów wyjściowych przetworników pojemnościowych stosuje się obwody mostkowe i obwody wykorzystujące obwody rezonansowe. Te ostatnie umożliwiają tworzenie urządzeń o dużej czułości, zdolnych reagować na ruchy rzędu 10 ~ 7 mm. Obwody z przetwornikami pojemnościowymi zasilane są najczęściej prądem o wysokiej częstotliwości (do kilkudziesięciu megaherców), co spowodowane jest chęcią zwiększenia sygnału wchodzącego do urządzenia pomiarowego oraz koniecznością ograniczenia efektu bocznikowego rezystancji izolacji.
Konwertery jonizacyjne. Konwertery działają w oparciu o zjawisko jonizacji gazu lub luminescencji niektórych substancji pod wpływem promieniowania jonizującego.
Jeśli komorę zawierającą gaz napromieniujemy np. promieniami p, wówczas pomiędzy elektrodami podłączonymi do obwodu elektrycznego będzie płynął prąd (ryc. 11-16). Prąd ten zależy od napięcia przyłożonego do elektrod, od gęstości i składu ośrodka gazowego, wielkości komory i elektrod, właściwości i natężenia promieniowania jonizującego itp. Zależności te służą do pomiaru różnych wielkości nieelektrycznych : gęstość i skład ośrodka gazowego, wymiary geometryczne części itp.
Ryż. 11-16. Obwód konwertera jonizacji
Ryż. 11-17. Charakterystyka prądowo-napięciowa przetwornika jonizacji
Jako czynniki jonizujące wykorzystuje się promienie A, p i y substancji radioaktywnych, znacznie rzadziej promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie neutronowe.
Do pomiaru stopnia jonizacji stosuje się przetworniki - komory jonizacyjne i liczniki jonizacyjne, których działanie odpowiada różnym przekrojom charakterystyki prądowo-napięciowej szczeliny gazowej między dwiema elektrodami. Na ryc. 11-17 pokazuje zależność prądu w komorze (ryc. 11-16) przy stałym składzie gazu od przyłożonego napięcia U i intensywność promieniowania. Lokalizacja na A charakterystyka, prąd rośnie wprost proporcjonalnie do napięcia, następnie jego wzrost spowalnia i w przekroju B osiąga nasycenie. Oznacza to, że wszystkie jony powstałe w komorze docierają do elektrod. Lokalizacja na W prąd jonizacji zaczyna ponownie rosnąć, co jest spowodowane jonizacją wtórną, gdy pierwotne elektrony i jony zderzają się z cząsteczkami obojętnymi. Wraz z dalszym wzrostem napięcia (rozdz G) prąd jonizacji przestaje zależeć od początkowej jonizacji i zaczyna się
ciągłe rozładowanie (sekcja D), które nie jest już zależne od skutków promieniowania radioaktywnego.
Witryny A i B Charakterystyki prądowo-napięciowe opisują działanie komór i sekcji jonizacyjnych W I G - liczniki jonizacji. Oprócz komór i liczników jonizacyjnych, jako konwertery jonizacji stosuje się liczniki scyntylacyjne (luminescencyjne). Zasada działania tych liczników opiera się na występowaniu błysków świetlnych (scyntylacji) w niektórych substancjach - luminoforach (siarczek cynku aktywowany srebrem, siarczek kadmu itp.) - pod wpływem promieniowania radioaktywnego, które są rejestrowane w licznikach przez fotopowielacze. Jasność tych błysków, a co za tym idzie i prąd fotopowielacza, zależy od promieniowania radioaktywnego.
Wybór rodzaju konwertera jonizacyjnego zależy w dużej mierze od promieniowania jonizującego.
Promienie alfa (jądra atomu helu) mają dużą moc jonizującą, ale mają niską zdolność penetracji. W ciałach stałych promienie a są pochłaniane w bardzo cienkich warstwach (od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów). Dlatego w przypadku stosowania promieni A emiter a umieszcza się wewnątrz konwertera.
Promienie beta to strumień elektronów (pozytonów); mają znacznie niższą zdolność jonizacji niż promienie A, ale mają większą zdolność penetracji. Długość ścieżki w ciałach stałych sięga kilku milimetrów. Dlatego emiter może być umieszczony zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz konwertera.
Zmiana odległości pomiędzy elektrodami, powierzchni zachodzenia elektrod czy położenia źródła promieniowania radioaktywnego względem komór jonizacyjnych lub liczników wpływa na wartość prądu jonizacyjnego. Dlatego zależności te wykorzystuje się do pomiaru różnych wielkości mechanicznych i geometrycznych.
Na ryc. 11-18 przedstawia jako przykład manometr z membraną jonizacyjną, gdzie / jest emiterem; 2 - membrana; 3 - elektroda stała odizolowana od membrany. Między elektrodami 2 za 3 przykładana jest różnica potencjałów wystarczająca do osiągnięcia prądu nasycenia. Kiedy zmienia się ciśnienie R membrana ugina się, zmieniając odległość między elektrodami i wartość prądu jonizacji.
Ryż. 11-18. Manometr z membraną jonizacyjną
Ryż. 11-19. Miernik rozładowania gazu
Promienie gamma to wibracje elektromagnetyczne o bardzo krótkiej długości fali (10~8 -10~" cm), które powstają podczas przemian radioaktywnych. Promienie gamma mają dużą zdolność przenikania.
Konstrukcje komór i liczników jonizacyjnych są zróżnicowane i zależą od rodzaju promieniowania.
Do rejestracji pojedynczych cząstek, a także pomiaru małych promieni y, powszechnie stosuje się tzw. Liczniki wyładowań gazowych, których działanie opisano w rozdziałach W i G charakterystyka prądowo-napięciowa. Urządzenie licznika wyładowań gazowych pokazano na ryc. 11-19. Miernik składa się z metalowego cylindra /, wewnątrz którego naciągnięty jest cienki drut wolframowy 2. Obie te elektrody są umieszczone w szklanym cylindrze 3 s gaz obojętny. Kiedy gaz ulega jonizacji, w obwodzie licznika pojawiają się impulsy prądu, których liczba jest zliczana.
Izotopy promieniotwórcze są zwykle wykorzystywane jako źródła promieniowania a, p i y. Źródła promieniowania stosowane w technice pomiarowej muszą mieć znaczny okres półtrwania i wystarczającą energię promieniowania (kobalt-60, stront-90, pluton-239 itp.).
Główną zaletą przyrządów wykorzystujących promieniowanie jonizujące jest możliwość bezkontaktowego pomiaru, co ma ogromne znaczenie np. przy wykonywaniu pomiarów w środowiskach agresywnych lub wybuchowych, a także w środowiskach pod wysokim ciśnieniem lub w wysokich temperaturach. Główną wadą tych urządzeń jest konieczność stosowania ochrony biologicznej w przypadku dużej aktywności źródła promieniowania.
13.2 Przetworniki pomiarowe generatora
Informacje ogólne. W przetwornicach generatorów wielkością wyjściową jest emf lub ładunek, funkcjonalnie powiązany ze zmierzoną wielkością nieelektryczną.
Przetworniki termoelektryczne. Przetworniki te opierają się na efekcie termoelektrycznym zachodzącym w obwodzie termopary.
Gdy różnica temperatur między punktami / i 2 połączeniami dwóch różnych przewodów A i B(Rys. 11-20, a), tworząc termoparę, w obwodzie termopary powstaje termo-EMF.
Aby zmierzyć termo-EMF, elektryczne urządzenie pomiarowe (miliwoltomierz, kompensator) jest podłączone do obwodu termopary (ryc. 11-20, B). Punkt połączenia przewodów (elektrod) nazywany jest końcem roboczym termopary, punktem 2 I 2" - wolne końce.
Aby termo-EMF w obwodzie termopary można było jednoznacznie określić na podstawie temperatury końca roboczego, konieczne jest utrzymanie tej samej i niezmienionej temperatury wolnych końców termopary.
Ryż. 11-20. Termopara(i) i sposób podłączenia urządzenia do obwodu termopary (B)
Kalibrację termometrów termoelektrycznych – przyrządów wykorzystujących termopary do pomiaru temperatury – przeprowadza się zwykle przy temperaturze wolnych końcówek wynoszącej 0°C. Tabele kalibracyjne dla standardowych termopar sporządzane są również pod warunkiem, że temperatura wolnych końcówek jest równa 0°C. W praktycznym zastosowaniu termometrów termoelektrycznych temperatura wolnych końców termopary zwykle nie jest równa 0°C i dlatego konieczne jest wprowadzenie poprawki.
Do produkcji termopar stosowanych obecnie do pomiaru temperatury wykorzystuje się głównie stopy specjalne.
Do pomiaru wysokich temperatur stosuje się termopary typu TPP, TPR i TVR. Do pomiarów o zwiększonej dokładności wykorzystywane są termopary wykonane z metali szlachetnych (TPP i TPR). W innych przypadkach stosuje się termopary wykonane z metali nieszlachetnych (ТХА, ТХК).
Aby chronić przed wpływami zewnętrznymi (ciśnienie, agresywne gazy itp.), Elektrody termopary umieszcza się w kształtkach ochronnych, strukturalnie podobnych do złączek termistorowych (ryc. 11-7, B).
Dla wygody stabilizacji temperatury wolnych końców termoparę czasami przedłuża się za pomocą tzw. przedłużaczy, wykonanych albo z odpowiednich materiałów termoelektrodowych, albo ze specjalnie dobranych materiałów, tańszych od elektrodowych i spełniających warunek termoelektrycznej identyczności z termopary głównej w zakresie możliwych temperatur wolnych końców (zwykle od O do 100°C). Innymi słowy, przedłużacze muszą wykazywać taką samą zależność termoemf od temperatury w określonym zakresie temperatur, jak główna termopara.
Bezwładność termopar charakteryzuje się wskaźnikiem bezwładności cieplnej. Znane są konstrukcje termopar o małej bezwładności, w których wskaźnik bezwładności cieplnej wynosi 5-20 s. Termopary w konwencjonalnych armaturach mają bezwładność cieplną wynoszącą kilka minut.
Przetworniki indukcyjne służą do pomiaru prędkości ruchów liniowych i kątowych. Sygnał wyjściowy tych przetworników może być całkowany lub różniczkowany w czasie za pomocą elektrycznych urządzeń całkujących lub różniczkujących. Po tych przekształceniach parametr informacyjny sygnału staje się proporcjonalny odpowiednio do przemieszczenia lub przyspieszenia. Dlatego też przetworniki indukcyjne wykorzystuje się także do pomiaru przemieszczeń i przyspieszeń liniowych i kątowych.
Przetworniki indukcyjne znajdują najpowszechniejsze zastosowanie w przyrządach do pomiaru prędkości kątowej (tachometrach) oraz w przyrządach do pomiaru parametrów drgań.
Przetwornice indukcyjne do tachometrów to małe (1-100 W) generatory prądu stałego lub przemiennego, zwykle wzbudzane niezależnie magnesem trwałym, którego wirnik jest mechanicznie połączony z badanym wałem. W przypadku korzystania z generatora prądu stałego prędkość kątową określa się na podstawie siły elektromotorycznej generatora, a w przypadku korzystania z generatora prądu przemiennego prędkość kątową można określić na podstawie wartości siły elektromotorycznej lub jej częstotliwości.
Na ryc. 11-21 przedstawia przetwornik indukcyjny do pomiaru amplitudy, prędkości i przyspieszenia ruchu posuwisto-zwrotnego. Przetwornikiem jest cewka cylindryczna / poruszająca się w pierścieniowej szczelinie obwodu magnetycznego 2. Cylindryczny magnes trwały 3 wytwarza stałe promieniowe pole magnetyczne w szczelinie pierścieniowej. Podczas ruchu cewka przecina linie pola magnetycznego i pojawia się w niej pole elektromagnetyczne, proporcjonalne do prędkości ruchu.
Ryż. 11-21. Przetwornica indukcyjna
O błędach przetworników indukcyjnych decydują głównie zmiany pola magnetycznego w czasie oraz zmiany temperatury, a także zmiany temperatury rezystancji uzwojenia.
Głównymi zaletami przetwornic indukcyjnych jest względna prostota konstrukcji, niezawodność działania i wysoka czułość. Wadą jest ograniczony zakres częstotliwości mierzonych wartości.
Przetworniki piezoelektryczne. Przetworniki takie opierają się na wykorzystaniu bezpośredniego efektu piezoelektrycznego, który polega na pojawieniu się ładunków elektrycznych na powierzchni niektórych kryształów (kwarc, turmalin, sól Rochelle itp.) pod wpływem naprężeń mechanicznych.
Z kryształu kwarcu wycina się płytkę, której krawędzie muszą być prostopadłe do osi optycznej Oz, oś mechaniczna Jednostka organizacyjna i oś elektryczną Oh kryształ (ryc. 11-22, aib).
Fx wzdłuż osi elektrycznej na powierzchniach X pojawiają się opłaty Q x = kF x , Gdzie k- współczynnik piezoelektryczny (moduł).
Po przyłożeniu siły do płyty Fj wzdłuż osi mechanicznej na tych samych powierzchniach X powstają opłaty Q y = kF y a/b, Gdzie A I B- wymiary czoła blachy.
Uderzenie mechaniczne w płytkę wzdłuż osi optycznej nie powoduje pojawienia się ładunków.
Urządzenie w postaci przetwornika piezoelektrycznego do pomiaru zmiennego ciśnienia gazu pokazano na ryc. 11-23. Ciśnienie R przez metalową membranę / przenoszony do umieszczonego pomiędzy metalowymi przekładkami 2 płytki kwarcowe 3.
Ryż. 11-22. Kryształ(y) kwarcu i płytka (B), wyciąć z niego
Piłka 4 sprzyja równomiernemu rozkładowi nacisku na powierzchni płytek kwarcowych. Środkowa uszczelka jest podłączona do zacisku 5, przechodząc przez tuleję z dobrego materiału izolacyjnego. Pod wpływem nacisku R różnica potencjałów występuje pomiędzy pinem 5 a korpusem konwertera .
W przetwornikach piezoelektrycznych wykorzystuje się głównie kwarc, którego właściwości piezoelektryczne łączą się z dużą wytrzymałością mechaniczną i wysokimi właściwościami izolacyjnymi, a także z niezależnością charakterystyki piezoelektrycznej od temperatury w szerokim zakresie. Stosuje się również spolaryzowaną ceramikę wykonaną z tytanianu baru, tytanianu ołowiu i cyrkonianu ołowiu.
Ryż. 11-23. Przetwornik piezoelektryczny do pomiaru ciśnienia
Wymiary płytek i ich liczbę dobiera się na podstawie względów projektowych i wymaganej wartości ładunku.
Ładunek powstający w przetworniku piezoelektrycznym „przepływa” przez izolację i obwód wejściowy urządzenia pomiarowego. Dlatego też urządzenia mierzące różnice potencjałów za pomocą przetworników piezoelektrycznych muszą posiadać dużą rezystancję wejściową (10 12 -10 15 Ohm), co w praktyce zapewnia zastosowanie wzmacniaczy elektronicznych o dużej rezystancji wejściowej.
Przetworniki te, ze względu na „odpływ” ładunku, służą do pomiaru jedynie szybko zmieniających się wielkości (siły zmienne, ciśnienia, parametry drgań, przyspieszenia itp.).
Stosowane są przetworniki piezoelektryczne – piezorezonatory, w których jednocześnie wykorzystuje się bezpośrednie i odwrotne efekty piezoelektryczne. To ostatnie polega na tym, że jeśli do elektrod konwertera zostanie przyłożone napięcie przemienne, wówczas w płycie piezoczułej wystąpią wibracje mechaniczne, których częstotliwość (częstotliwość rezonansowa) zależy od grubości H płyty, moduł sprężystości mi i gęstość p jego materiału. Gdy taki konwerter zostanie podłączony do obwodu rezonansowego generatora, częstotliwość generowanych oscylacji elektrycznych jest określona przez częstotliwość fp. Podczas zmiany wartości On lub p pod wpływem wpływów mechanicznych lub temperaturowych częstotliwość /p zmieni się i odpowiednio zmieni się częstotliwość generowanych oscylacji. Zasadę tę stosuje się do przeliczania ciśnienia, siły, temperatury i innych wielkości na częstotliwość.
Przetwornice galwaniczne. Konwertery działają w oparciu o zależność siły elektromotorycznej obwodu galwanicznego od aktywności chemicznej jonów elektrolitu, czyli od stężenia jonów i procesów redoks w elektrolicie. Przetworniki te służą do określenia reakcji roztworu (kwaśnego, obojętnego, zasadowego), która zależy od aktywności jonów wodorowych roztworu.
Woda destylowana ma słabą, ale dobrze określoną przewodność elektryczną, co tłumaczy się jonizacją wody.Aktywność chemiczna a jest równa iloczynowi równoważnego stężenia i współczynnika aktywności (dążącego do jedności przy nieskończonym rozcieńczeniu roztworu).
Jeśli w wodzie rozpuści się kwas, który po dysocjacji tworzy jony H +, wówczas stężenie jonów H + w roztworze będzie większe niż w czystej wodzie, a stężenie jonów OH~ będzie niższe w wyniku ponownego zjednoczenia niektórych jonów H+ z jonami OH.
Zatem aktywność chemiczna jonów wodorowych roztworu jest cechą charakterystyczną reakcji roztworu. Reakcję roztworu charakteryzuje się liczbowo logarytmem ujemnym aktywności jonów wodorowych - wartością pH. Dla wody destylowanej wartość pH wynosi 7 jednostek pH.
Zakres zmian wartości pH roztworów wodnych w temp t = 22°C wynosi 0-14 jednostek pH.
Do pomiaru pH stosuje się metodę opartą na pomiarze potencjału elektrody (granicznego).
Jeśli elektrodę metalową zanurzy się w roztworze zawierającym jej jony o tej samej nazwie, elektroda nabywa potencjał. Elektroda wodorowa zachowuje się podobnie.
Aby uzyskać potencjał elektrody pomiędzy wodorem a roztworem, konieczne jest posiadanie tzw. elektrody wodorowej. Elektrodę wodorową można wytworzyć wykorzystując właściwość wodoru adsorbowanego na powierzchni platyny, irydu i palladu. Zwykle elektrodą wodorową jest elektroda platynowa pokryta platyną, do której w sposób ciągły dostarczany jest gazowy wodór. Potencjał takiej elektrody zależy od stężenia jonów wodorowych w roztworze.
W praktyce nie da się zmierzyć wartości bezwzględnej potencjału granicznego. Dlatego przetwornica galwaniczna składa się zawsze z dwóch półogniw połączonych ze sobą elektrycznie: półogniwa roboczego (pomiarowego), które jest roztworem badawczym z elektrodą, oraz półogniwa porównawczego (pomocniczego) o stałym potencjale brzegowym , składający się z elektrody i roztworu o stałym stężeniu. Jako porównawcze półogniwo stosuje się elektrodę wodorową o normalnym stałym stężeniu jonów wodorowych. Do pomiarów przemysłowych stosuje się wygodniejszą porównawczą elektrodę kalomelową.
Ryż. 11-24. Konwerter galwaniczny
Na ryc. 11-24 przedstawia przetwornik do pomiaru stężenia jonów wodorowych. Elektroda kalomelowa służy jako półogniwo odniesienia. Jest to naczynie szklane 4, na dnie której umieszczona jest niewielka ilość rtęci, a na wierzchu znajduje się pasta kalomelu (Hg2Cb). Na pastę wylewa się roztwór chlorku potasu (KS1). Potencjał powstaje na granicy kalomelu i rtęci. Do kontaktu z rtęcią w dno naczynia wlutowana jest elektroda platynowa 5. Potencjał elektrody kalomelowej zależy od stężenia rtęci w kalomelu, a stężenie jonów rtęci z kolei zależy od stężenia chloru jony w roztworze chlorku potasu.
Elektrodę wodorową zanurza się w roztworze testowym. Obydwa półogniwa są połączone kluczem elektrolitycznym, którym jest rurka 2, zwykle wypełnione nasyconym roztworem KS1 i zamknięte zatyczkami półprzepuszczalnymi 3. Semf takiego konwertera jest funkcją pH.
W urządzeniach przemysłowych zamiast pracujących elektrod wodorowych stosuje się wygodniejsze elektrody antymonowe lub chinhydronowe. Szeroko stosowane są także tzw. elektrody szklane.
Do pomiaru pola elektromagnetycznego przetworników galwanicznych stosuje się głównie urządzenia kompensacyjne. W przypadku elektrod szklanych obwód pomiarowy musi mieć wysoką rezystancję wejściową, ponieważ rezystancja wewnętrzna elektrod szklanych sięga 100-200 MOhm. Przy pomiarze pH za pomocą przetworników galwanicznych należy dokonać korekty na wpływ temperatury.
Uwagi ogólne. Przetworniki parametryczne, o których mowa w pkt. 1, kontrolują parametry przepływu energii pochodzącej z zewnętrznego źródła i mogą pracować w jednym z dwóch trybów. W pierwszym z nich przetwornica jest regulatorem prądu stałego lub napięcia.
Informacje pomiarowe niosą ze sobą prawo zmian poziomu wielkości elektrycznej. Choć taki przetwornik powinien w zasadzie być układem nieliniowym, to pod pewnymi warunkami jego sygnał wyjściowy można uznać za liniowo powiązany z sygnałem wejściowym, a nawet można doszukać się analogii z generatorami MEC. Przykładowo, w najprostszym przypadku przetwornica posiadająca impedancję elektryczną jest włączona szeregowo z obciążeniem i zasilana ze źródła o rezystancji wewnętrznej.. Pod wpływem czynników zewnętrznych zmienia się impedancja przetwornicy, w wyniku czego prąd w obwodzie zmienia się o wartość.Stąd mamy
Nieliniowość transformacji wprowadza iloczyn Ale w
Jeśli impedancja jest liniowo powiązana z wartością wejściową MET (zwykle jest to przemieszczenie, tj. wtedy można napisać
Jeśli w konwerterze działa siła elektryczna i gdzie to nie zależy, wówczas równanie równowagi sił przyjmuje postać
Dwa ostatnie równania są podobne do układu równań (1) i (2), a jeśli to taki konwerter jest odpowiednikiem generatora MET i można go nazwać quasi-zamienialnym. W tym przypadku obowiązują ogólne uwagi z rozdziału 2. Przetwornica zasilana prądem stałym może działać quasi-odwracalnie tylko wtedy, gdy energia źródła zasilania jest zużywana głównie na wytworzenie pola elektrycznego lub magnetycznego w przetwornicy. Jeśli napięcie jest małe, nie ma sygnałów ponderomotorycznych.Niemal taki sam wynik uzyskuje się przy zasilaniu prądem przemiennym ze względu na różnicę w składzie widmowym wielkości wejściowych i wyjściowych (przetwornik będący modulatorem przeprowadza transfer widma , patrz rozdział 10).
Sygnałem wyjściowym przetwornika może być prąd (przy lub napięcie na obciążeniu (w odwrotnym przypadku).
Oprócz trybu regulatora prądu parametryczny MEC może pracować w trybie wzbudnicy, będąc częścią obwodu zadawania częstotliwości generatora samowzbudnego. Wielkość mierzona moduluje częstotliwość generowanego napięcia. Zmiana częstotliwości może zostać wykorzystana bezpośrednio jako sygnał wyjściowy lub skonwertowana do innej postaci (dyskretnej lub analogowej). W tym trybie konwerter jest zawsze nieodwracalny.
Ryż. 10. Przetwornik pojemnościowy: o - ze zmienną szczeliną (powierzchnią); 6 - ze zmienną przepuszczalnością; w - mechanizm różnicowy
Sygnał wyjściowy parametrycznego MET zasilanego prądem przemiennym musi zostać poddany detekcji (demodulacji), zwykle przeprowadzanej w sprzęcie przetwarzającym wzmocnienie. Ponieważ sygnał ten działa na tle innego, który nie niesie użytecznych informacji, ale jest silniejszy, ponieważ jego izolacja odbywa się za pomocą obwodów różnicowych lub mostkowych.
Konwerter pojemnościowy. Zasada działania tego przetwornika opiera się na zależności pojemności pomiędzy przewodnikami od ich względnego położenia, wielkości i właściwości ośrodka pomiędzy nimi. W najprostszym przypadku kondensatora płaskiego jego pojemność
gdzie jest obszar elektrod; 6 - przerwa między nimi; efektywna (tj. biorąc pod uwagę niejednorodność właściwości) stała dielektryczna przestrzeni międzyelektrodowej. Możliwe schematy połączeń przetwornika pojemnościowego pokazano na ryc. 10. Istnieją dwa rodzaje zależności pojemności od przemieszczenia x jednej z elektrod:
Pierwsza z nich odpowiada zmianie powierzchni lub efektywnej przepuszczalności, druga zmianie szczeliny.
Dla pierwszego typu
i dla drugiego
Zatem równanie (30) można zapisać w następujący sposób:
gdzie lub odpowiednio dla typów 1 i 2.
Wyrażenie for zależy w dużym stopniu od trybu elektrycznego konwertera. Ze względu na ogólną złożoność analizy ograniczymy się do dwóch skrajnych przypadków przy zasilaniu ze źródła stałego napięcia.
1 Zmiany pojemności zachodzą na tyle wolno, że źródło prądu udaje się naładować pojemność niemal bez opóźnienia, utrzymując na niej takie samo napięcie, jakie jest w przypadku, gdy z przetwornicą nie są połączone szeregowo żadne inne pojemności. Wtedy (32) przyjmuje postać:
Z drugiej strony, ponieważ jest równa lub -
Ponieważ ładunek na pojemności
gdzie jest zmienna część ładunku, to dla typu 2 możemy napisać:
2. Zmiany pojemności zachodzą tak szybko, że ładunek na niej nie ma czasu na znaczącą zmianę i pozostaje równy wartości początkowej. Dlatego napięcie na pojemności zmienia się zgodnie z prawem. Jeśli ładunek się nie zmienia, to prąd przepływający przez pojemność wynosi zero, a źródło zasilania jest zasadniczo potrzebne tylko do początkowego naładowania pojemności (ignorując prąd upływowy). Jednakże przez obciążenie podparte pracą siły zewnętrznej przepływa niewielki prąd.. Informacje na temat zależności pierwszego rodzaju pojemności od przemieszczenia (patrz strona 197)
to znaczy oprócz stałej siły występuje dodatkowa elastyczność elektryczna. Dla drugiego rodzaju zależności
Równanie (32) zapisuje się w następujący sposób
drugi człon tłumaczy się faktem, że na początku (w ) impedancja ma charakter pojemnościowy? a nie obciążenie, określa charakter prądu początkowego.
Równania konwertera we wszystkich modach i ich rozwiązania podsumowano w tabeli. 2.
2. Równania przetwornika pojemnościowego
(patrz skan)
Z podanych w tabeli. 2 wyrażenia jasne jest, że we wszystkich przypadkach prąd wyjściowy zależy bezpośrednio lub pośrednio. Podczas pracy w trybie stałego napięcia i o charakterze elastycznym, konwerter jest wyróżnikiem. W trybie stałego ładowania sygnał wyjściowy zależy od rodzaju obciążenia, w szczególności jeśli obciążenie jest aktywne, wówczas prąd jest proporcjonalny do siły. Jednak w żadnym przypadku nie jest możliwe zmierzenie stałych sił lub przemieszczeń z tabeli. 2 widać, że w jednym z trybów przekształtnik jest quasi-odwracalny.
Gdy konwerter jest zasilany ze źródła napięcia przemiennego, przepływa przez niego prąd, nawet jeśli pojemność się nie zmienia, a prąd może służyć jako miara pojemności zgodnie z dowolnym prawem jego zmiany. Do obliczeń należy zastosować równanie (32) biorąc pod uwagę jaką funkcję pełni np. przy zasilaniu napięciem o częstotliwości sinusoidalnej stosuje się wzory z tabeli. 2, możesz wyznaczyć amplitudę prądu wyjściowego, jeśli zamiast wyrażenia przed nim weźmiesz jego moduł przy Częstotliwość zwana nośną, wybierz znacznie większą niż najwyższa częstotliwość w widmie.W zależności od współczynnika konwerter może pracować w dwóch skrajnych trybach: zwarciowym i jałowym, w pierwszym z nich równanie jest spełnione
i w drugim
Wyrażenia dla są podzielone na dwie części, pierwsza nie zależy od czasu, a druga pulsuje z częstotliwością, prawie zawsze można je pominąć (patrz poniżej), konwerter jest uważany za nieodwracalny
Obliczenia pokazują, że przy właściwym wyborze w dowolnym trybie amplituda napięcia wyjściowego przetwornicy może być proporcjonalna do działającej siły. Na przykład dla trybu jałowego i zmiennego luzu
Dlatego należy wybrać tak, aby mianownik był stały. Przy elastycznym charakterze impedancji odpowiada to obciążeniu czynnemu: do pomiarów zwykle wykorzystuje się obwody mostkowe.
Największą siłę właściwą przyciągania elektrod przetwornika wyznacza natężenie pola przebicia, a dla powietrza wynosi . Jeżeli siła działająca we wszystkich modach jest znacznie większa od siły oddziaływania elektrycznego, wówczas zastosowanie przetwornika wyłącznie przy zawęża możliwy zakres zmian wartości wejściowej. Wzrost prowadzi do szybkiego wzrostu nieliniowości transformacji, którą można redukować stosując różne metody linearyzacji. Jednym z nich jest zastosowanie przetworników różnicowych (ryc. 10, c), w których pojemności zmieniają się jednocześnie w różnych kierunkach. W tym przypadku, wraz z linearyzacją i zwiększoną czułością, uzyskuje się dobrą kompensację wpływu warunków zewnętrznych. Liniowość znacznie wzrasta, jeśli na wyjściu jest parametr odwrotny do prądu przemiennego, taki jak zmiana pojemności. Jego liniowe połączenie z x utrzymuje się do momentu zamknięcia elektrod przetwornika. Bezpośrednią linearyzację można osiągnąć poprzez konwersję sygnału wyjściowego w dodatkową jednostkę mikroprocesorową, co jest obecnie całkiem możliwe nawet w urządzeniach z własnym zasilaniem.
Jeśli pojemność jest uwzględniona w obwodzie napędowym generatora napięcia przemiennego, wówczas można mierzyć nie prądy i napięcia, ale parametry czasowe - częstotliwość lub czas trwania. W klasycznym generatorze z indukcyjnością okres oscylacji jest proporcjonalny, a w generatorze rezystancyjno-pojemnościowym zależy liniowo od C. Metoda ta charakteryzuje się dużą elastycznością, ponieważ zawsze można wybrać optymalny typ sygnału wyjściowego. Na przykład, gdy konwerter jest podłączony ze zmienną przerwą do obwodu generatora rezystancyjno-pojemnościowego, częstotliwość oscylacji
Zmiana częstotliwości jest proporcjonalna do x i zaleca się używanie jej jako sygnału wyjściowego. Jeżeli przetwornik ma zmienną powierzchnię, wówczas okres oscylacji jest liniowo powiązany z ruchem
Dlatego w obu przypadkach możliwa jest praca bez powyższych ograniczeń z dużą odpornością na przeciążenia. Kiedy przekształtnik zostanie podłączony do obwodu oscylacyjnego, właściwości te są w dużej mierze tracone, ale osiągana jest znacznie większa stabilność parametrów generatora. Dlatego ta druga metoda jest szeroko stosowana w bardzo czułych i stabilnych układach pomiarowych. Przetwornica częstotliwości jest nieodwracalna we wszystkich przypadkach.
Czułość przetwornika pojemnościowego zależy od jego zależności geometrycznych, napięcia zasilania i stabilności elementów konstrukcyjnych. Najwyższą czułość osiąga się przy zmiennej szczelinie, ale jednocześnie zmniejsza się górna granica pomiaru. Dlatego zastosowania konwerterów o zmiennym obszarze i zmiennej szczelinie są różne. Przetworniki o zmiennej przepuszczalności są rzadko stosowane w technologii pomiarów mechanicznych, chociaż istnieją substancje krystaliczne, w których duża zależność przepuszczalności od naprężeń mechanicznych. Takie dielektryki mogą być skuteczne w przetwornikach siły i ciśnienia.
Przetworniki pojemnościowe stosuje się do pomiaru sił i zredukowanych do nich wielkości, a także przemieszczeń, szczególnie małych i bardzo małych.
Przetwornica indukcyjna. Działanie indukcyjnych MEC opiera się na wykorzystaniu zależności indukcyjności obwodu przewodzącego prąd lub indukcyjności wzajemnej dwóch połączonych obwodów od ich wielkości, kształtu, względnego położenia i przenikalności magnetycznej środowiska, w którym się znajdują. W szczególności indukcyjność cewki z rdzeniem magnetycznym mającym szczelinę zależy od długości tego ostatniego (ryc. I).
Załóżmy, że szczelina pierścieniowa, przez którą zamykane są linie energetyczne biegnące na zewnątrz cewki, jest na tyle mała, że można ją pominąć. Jeśli jest oznaczona jako absolutna przenikalność magnetyczna rdzenia; I to średnia długość linii energetycznej w rdzeniu; indukcyjność cewki bez rdzenia, a następnie indukcyjność pokazana na ryc. 11 cewek, gdzie jest efektywna przenikalność magnetyczna z uwzględnieniem szczeliny;
Ta formuła jest prawdziwa, gdy Jeśli oprócz tego, to
Zatem,
gdzie jest indukcyjność
Ryż. 11. Przetwornica indukcyjna: 1 - rdzeń stały; 2 - cewka; 3 - ruchomy rdzeń
Energia pola magnetycznego w cewce
gdzie jest prąd w Jeśli ograniczymy się do drugiego rzędu małości i wtedy to weźmiemy pod uwagę
Podstawiając te wielkości do (30), (31) i biorąc pod uwagę, że otrzymujemy równania konwertujące
Z tych równań jasno wynika, że konwerter jest quasi-odwracalny ze współczynnikiem (ale nie ) równym
Prąd wyjściowy
Jak zwykle w obszarze przedrezonansowym przetwornik różnicuje, a za rezonansem skaluje. Nie praktykuje się zasilania przetwornicy indukcyjnej stałym napięciem, ponieważ w przeciwieństwie do przetwornicy pojemnościowej zużywa ona energię, która jest marnowana na jej rezystancję czynną. Przy zasilaniu napięciem przemiennym zużycie energii maleje i staje się
Możliwość pomiaru wielkości stałych. Parametry wyjściowe oblicza się analogicznie jak dla przetwornika pojemnościowego. Wnioski o możliwości wykorzystania metod pomiaru czasu i częstotliwości oraz linearyzacji pozostają aktualne.
Konwertery mają wiele odmian konstrukcyjnych. Oprócz konwerterów o zmiennej długości szczeliny, które charakteryzują się największą wrażliwością na ruch rdzenia, znane są konwertery o zmiennej powierzchni szczeliny; z otwartym obwodem magnetycznym (bez stałego rdzenia); o zmiennej indukcyjności wzajemnej itp. Ich czułość jest wystarczająca do pomiaru przemieszczeń do
Przetworniki indukcyjne służą do pomiaru przemieszczeń oraz przeliczanych na nie sił i ciśnień.
Przetwornik magnetoelastyczny różni się od indukcyjnego mechanizmem zmiany indukcyjności. Odbywa się to poprzez bezpośrednią siłę na rdzeń ferromagnetyczny (rys. 12). Wiadomo, że przepuszczalność ferromagnesu zależy od naprężeń mechanicznych w materiale. Jeżeli przy braku napięcia przenikalność jest równa, wówczas wytworzenie napięcia a zmienia je na Wrażliwość ferromagnesu na naprężenia charakteryzuje się współczynnikiem zależnym od a i pola w ferromagnesie W pewnym zakresie można dokonać zmian. Zatem indukcyjność cewki jest gdzie. Ponieważ dla przedstawionego przetwornika gdzie jest moduł sprężystości materiału rdzenia, jego górny koniec ruchu, wysokość, to
Ryż. 12. Przetwornik magnetoelastyczny: 1 - rdzeń; 2 - cewka
Podstawiając tę wartość do (30) otrzymujemy równanie na prąd wyjściowy przetwornicy. Przetwornik magnetoelastyczny zasilany jest zawsze napięciem przemiennym, dlatego jest on praktycznie nieodwracalny. Sygnał wyjściowy wyznacza się za pomocą wzoru podobnego do (35). Ponieważ wartości współczynników mogą sięgać kilkuset, konwerter jest wrażliwy na niskie napięcia. Jednakże szum w ferromagnetyku i zjawiska histerezy ograniczają minimalne zmierzone napięcia do wartości rzędu
Naturalnym obszarem zastosowań przetwornika magnetoelastycznego jest pomiar sił i ciśnień. Jest jednak stosowany rzadziej niż indukcyjny, głównie do pomiaru wolno zmieniających się wielkości tego samego znaku.
Przetwornice rezystancyjne. Działanie rezystancyjnych MEC opiera się na wykorzystaniu zależności wielkości zawartych we wzorze na rezystancję elektryczną - długości przewodu w jego przekroju i właściwej przewodności elektrycznej materiału y - od wpływów mechanicznych. W najprostszym przypadku rezystancyjny MET jest drutem prostym lub spiralnie nawiniętym o zmiennej długości czynnej, zależnej od położenia styku ślizgowego (rys. 13). Taki konwerter nazywa się reostatycznym. Przedstawiony przetwornik z uzwojeniem spiralnym nie jest analogowy, ale dyskretny ze skokiem równym odległości międzyzwojowej.Kiedy styk przesuwa się o x, względna zmiana rezystancji jest równa gdzie I jest długością uzwojenia. Zatem może wahać się od jedności, ale zwykle początkowe położenie styku wybiera się pośrodku uzwojenia. Innym przykładem jest tensometr – element przewodzący prąd podlegający odkształceniom, często jednoosiowym (rys. 14). W tym przypadku zmieniają się wszystkie wielkości, od których zależy rezystancja.
Aby ocenić właściwości materiału tensometrycznego, wprowadza się współczynnik wrażliwości na odkształcenie równy Obliczeniu zmian wymiarów drutu podczas odkształcania
podaje wartość, dla której współczynnik Poissona jest równy Ale ponieważ oprócz tego zmienia się gęstość materiału, a co za tym idzie stężenie nośników ładunku, a sieć krystaliczna jest zdeformowana, okazuje się, że jest ona znacznie większa w przypadku metali). W półprzewodnikach, gdzie występują nośniki ładunku dwóch rodzajów i naprężenia mechaniczne zmieniają strukturę pasm energii i ruchliwość nośników, współczynnik wrażliwości na odkształcenie jest o rząd wielkości większy, ale zależy od rodzaju przewodnictwa, jego wartości i orientacji osi rezystora względem osi krystalograficznych materiału.
Ryż. 13. Konwerter reostatu
Ryż. 14. Rezystancyjny przetwornik naprężeń
W przetwornicach rezystancyjnych wpływ strony elektrycznej na mechaniczną można całkowicie pominąć i oba można uznać za niezależne. Impedancja mechaniczna tensometru jest stosunkowo mała i ma charakter elastyczny; w przetworniku reostatycznym styk ślizgowy jest elementem nieliniowym (takim jak tarcie bez smarowania). Czułość przetworników rezystancyjnych obu typów, np. prądowych, określają wzory
gdzie jest współczynnikiem konwersji odkształcenia obiektu na odkształcenie tensometru.Przenoszenie odkształcenia odbywa się albo na całej długości tensometru, albo w poszczególnych punktach. Konstrukcje europosłów tensometrycznych są zróżnicowane. Wykonywane są w różnych kształtach z drutu, folii, folii natryskowej lub kawałka monokryształu.
Czułość tensometrów MEP umożliwia pomiar odkształceń dynamicznych do
Przetworniki reostatyczne służą do pomiaru stosunkowo dużych przemieszczeń względnych, a przetworniki tensorowo-rezystancyjne służą do pomiaru odkształceń i przeliczanych na nie wielkości: sił, ciśnień, momentów.
Przetwornice o zmiennej charakterystyce. Specjalnym typem parametrycznych MEC są przetwornice o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej, która zmienia się pod wpływem mechanicznym na przetwornicę. Typowym przykładem jest konwerter mechatroniczny – elektryczne urządzenie próżniowe z ruchomą elektrodą. Na ryc. Rysunek 15 przedstawia schematycznie mechatron diodowy z ruchomą anodą. Kiedy anoda przemieszcza się względem katody, co następuje pod wpływem siły działającej na elastyczną membranę diody, zmienia się zależność prądu anodowego od napięcia pomiędzy elektrodami. Można to zobaczyć ze wzoru na prąd anodowy
gdzie B jest współczynnikiem zależnym od materiału i temperatury katody oraz powierzchni elektrod; napięcie anodowe. Zmiana jest pokazana na ryc. 16, w prawej ćwiartce której przedstawiono rodzinę charakterystyk w różnych odległościach międzyelektrodowych.Przedstawienie zależności w formie wykresów jest często jedyną możliwą opcją w przypadku braku wyrażeń analitycznych o wystarczającej dokładności. Ponieważ w obwodzie diody znajduje się rezystor obciążający, spełniona jest równość, w wyniku której prąd zmienia się zgodnie z charakterystyką dynamiczną, której budowę pokazano w lewej ćwiartce ryc. 16. Pomimo wyraźnej nieliniowości początkowej charakterystyki prądowo-napięciowej, charakterystyka dynamiczna jest zbliżona do prostej.
Ryż. 15. Przetwornik mechatroniczny diodowy: 1 - membrana, 2 - ruchomy jod
Ryż. 16. Schemat konstrukcji charakterystyk dynamicznych przekształtnika
Licząc przemieszczenie anody x od odległości początkowej 60 i oznaczając je, możemy zatem zapisać równania przetwornika:
Zatem oba równania są niezależne. Prąd wyjściowy konwertera
Impedancja mechaniczna mechatronu jest znacząca. W obszarze przedrezonansowym, który zwykle pracuje dla tego typu MET, konwerter będzie wielkoskalowy.
Mechatron diodowy jest najprostszym spośród przetworników z ruchomymi elektrodami. Opracowano konstrukcje z dwiema anodami i różnicowym obwodem przełączającym, wykonanym zarówno w obwodach diodowym, jak i triodowym, o czułości dochodzącej do kilkuset mikroamperów na mikrometr. Ze względu na dużą sztywność mechanotrony lepiej nadają się do pomiaru sił i ciśnień.
Oprócz konwerterów próżniowych znane są konwertery półprzewodnikowe - diody półprzewodnikowe i triody (tranzystory), w których jest to funkcja naprężenia mechanicznego przyłożonego do aktywnego obszaru kryształu: - złącze, kanał. Do tych celów można zastosować prawie wszystkie znane typy urządzeń półprzewodnikowych. Efekt osiąga się tutaj dzięki temu, że gdy zmienia się wielkość obszaru aktywnego, zmienia się koncentracja i ruchliwość nośników ładunku, a w tranzystorze polowym z izolowaną bramką polaryzacja piezoelektryczna występuje również w warstwie izolacyjnej. Półprzewodnikowe MET tego typu mają znacznie niższą impedancję mechaniczną niż mechatron i mogą mierzyć małe siły, ponieważ ich czułość jest wysoka; Jednakże
stabilność nie jest wystarczająco dobra. Nie rozpowszechniły się one jeszcze.
Przetwornice rezonatorowe. Przetwornice tego typu to generatory z elektromechanicznym sprzężeniem zwrotnym poprzez element selektywny częstotliwościowo, którego parametry zależą od wytwarzanego na nim uderzenia (rys. 17). Generator z rezonatorem piezoelektrycznym w obwodzie sprzężenia zwrotnego jest wzbudzany z częstotliwością równą gdzie jest prędkość propagacji zastosowanych fal dźwiękowych; liczba całkowita; I jest długością ścieżki fali w rezonatorze. Jeśli na rezonator działa siła, jego wymiary i właściwości mechaniczne, a wraz z nimi częstotliwość generowania, zmieniają się w pierwszym przybliżeniu proporcjonalnie do siły. Zatem przetwornica jest generatorem sterowanym siłą z modulacją częstotliwości i jest zbliżona do pojemnościowych lub indukcyjnych MEC z częstotliwością wyjściową, przy czym te ostatnie wykorzystują rezonans elektryczny, a nie mechaniczny. Ale
gdzie jest masa rezonatora; grubość; moduł ścinania w kierunku
Stabilność jest określona przez stabilność kombinacji parametrów geometrycznych i sprężystych podanych w nawiasach. W tym przypadku istotna jest eliminacja wycieków energii powstających w rezonatorze, co osiąga się poprzez racjonalny dobór rodzaju fal wzbudzonych, konstrukcji rezonatora oraz elementów łączących.
Niewłaściwe jest opisywanie MEP rezonatorów układem równań (1) i (2), ponieważ mają one częstotliwość wyjściową, a odwrotny wpływ strony elektrycznej na mechaniczną jest określony przez słabe efekty drugiego rzędu małości i można je pominąć.
Najczęściej spotykane są rezonatory MEP innego typu - tak zwane rezonatory o częstotliwości wibracyjnej (strunowe). Ich działanie opiera się na wykorzystaniu faktu, że częstotliwość drgań własnych struny naciągniętej siłą jest proporcjonalna do. Zatem jeżeli odchyłka częstotliwości od
wartość początkowa jest proporcjonalna do. Jednak rezonatory półprzewodnikowe mają dobre perspektywy, ponieważ mają wiele zalet, w szczególności pod względem szybkości. Ich czułość pozwala mierzyć siły wywołujące napięcia rzędu wielkości.Znane są także przetwornice z rezonatorami czysto elektrycznymi typu klistronu, które jednak ze względu na znaczne niedogodności eksploatacyjne nie wyszły poza badania laboratoryjne. Rezonatorowe MET służą do pomiaru sił i wielkości, które można do nich zredukować.
Ryż. 18. Przetwornik wiroprądowy
Przetwornik wiroprądowy. Działanie przetworników prądu wirowego (lub prądu wirowego) opiera się na wykorzystaniu zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Jeśli w polu magnetycznym prądu znajduje się ciało przewodzące, to gdy pole się zmienia, wzbudzane są w nim prądy zwarciowe (wirowe), wysysając energię pola)
Ładowanie...