Презентація на тему:
Електричні вимірювання

Л16 ЕЛЕКТРИЧНІ ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Зміст Вимірювання неелектричних величин Механічні вимірювальні перетворювачі 15 Резистивні вимірювальні перетворювачі 21 Електростатичні вимірювальні перетворювачі 32 Електромагнітні вимірювальні перетворювачі 40 Фотоелектричні вимірювальні перетворювачі 55 Теплові вимірювальні перетворювачі 63

Контролюючи технологічні процеси необхідно вимірювати різні неелектричні величини: теплові, механічні, хімічні, оптичні, акустичні тощо Кількість неелектричних величин значно перевищує кількість електричних і магнітних величин.

Распределение средств измерений температура — 50%, расход (объемный и массовый)—15%, давление—10%, уровень — 5%, количество (масса, объем) — 5%, время — 4%, электрические и магнитные величины — менее 5 %.

Вимірювана неелектрична величина надходить на вхід первинного вимірювального приладу (ПП), де перетворюється в пропорційну їй електричну величину ХЕЛ яка по лінії зв 'язку (ЛЗ) подається на вторинний вимірювальний прилад (ВП). На лінію зв'язку, довжина якої може бути досить значною, в загальному випадку впливають завади, які можуть спотворити сигнал XEЛ

Показ Х вторинного вимірювального приладу ВП, який зазвичай визначений в одиницях вимірювальної величини X, може бути використаний для візуального спостереження або подальшого опрацювання у вимірювально-інформаційній системі.

У ПП фактично відбувається перетворення енергії одного виду (теплової, механічної тощо) в інший (електричну). Під час перетворення неелектричної величини в електричну реалізуються два принципи: вплив на електричні параметри ПП (пасивні ПП) генерування електричного сигналу (активні ПП).

Пасивні (параметричні) ПП Зміна електричного параметра ПП (електричного опору, ємності, індуктивності) здійснюється через механічний контакт або з використанням фізичних залежностей. До таких перетворювачів належать резистивні, ємнісні, індуктивні та інші ПП.

Активні (генераторні) ПП Активні елементи генерують електричні сигнали (струм, напругу, заряд), перетворюючи механічну, теплову, світлову або хімічну енергію в електричну. До таких перетворювачів належать термоелектричні, п'єзоелектричні, гальваномагнітні та інші ПП.

Таким чином вимірювання неелектричних величин фактично зводиться до вимірювань електричних величин: струму, напруги, ЕРС, опору, ємності, індуктивності, частоти, інтервалу часу, фази, з якими вимірювані неелектричні величини пов'язані відомими функціональними залежностями.

ДСТУ 2681-94 Вимірювальний перетворювач - вимірювальний пристрій, який здійснює вимірювальне перетворення, тобто вимірювальну операцію, під час якої вхідна фізична величина перетворюється у вихідну, функційно з нею пов'язану.

Первинний вимірювальний перетворювач (ПП) або сенсор - вимірювальний перетворювач, який перший взаємодіє із об'єктом вимірювання і є перетворювачем роду фізичної величини.

Основною статичною характеристикою ПП є його функція перетворення ХЕ = f(X), яка виражає залежність вихідної електричної величини ХЕ від вхідної неелектричної X. Функцію перетворення зазвичай задають аналітичним виразом або у вигляді таблиць, як, зокрема, для термоелектричних та терморезистивних перетворювачів.

Коефіцієнт перетворення ПП дорівнює відношенню вихідної величини ПП до вхідної kП = XЕ / X, І є функцією вхідної перетворюваної величини kn = φ(X)

Механічні вимірювальні перетворювачі Принцип дії механічних вимірювальних перетворювачів (МВП) полягає у перетворенні вхідних неелектричних величин (зосередженої сили, моменту сил, тиску тощо), які безпосередньо діють на пружний елемент перетворювача у деформацію або переміщення цього елемента.

Механічні вимірювальні перетворювачі Вихідні величини МВП, тобто деформація або переміщення пружного елемента перетворювача можуть безпосередньо сприйматися спостерігачем (як у механічних вимірювальних приладах) або перетворюватись у електричні величини за допомогою інших перетворювачів, наприклад, резистивних, ємнісних або індуктивних.

Резистивні вимірювальні перетворювачі (РВП) Принцип дії полягає у зміні вихідного електричного опору перетворювача під дією вхідної неелектричної величини: деформації або переміщення. Найпоширеніші серед РВП реостатні та тензорезистивні перетворювачі.

Реостатними називаються перетворювачі, виконані у вигляді реостата, повзунок якого переміщується під дією вхідної неелектричної величини Вихідною величиною реостатних перетворювачів є вихідний опір RВИХ, функціонально зв'язаний з положенням повзунка. RВИХ = f (ΔL)

Найпоширеніші дротяні реостатні перетворювачі для перетворень лінійних і кутових переміщень. Зокрема, реостатний перетворювач лінійних переміщень складається із стержневого, трубчатого або пластинчатого каркасу, на який намотано з певним кроком манганіновий, константановий або вольфрамовий ізольований провід.

Найпоширеніші дротяні реостатні перетворювачі Повзунок із фосфористої бронзи або платиноіридію повзає по зачищеній від ізоляції та відполірованій контактній поверхні обмотки.

Вихідний опір реостатного перетворювача змінюється дискретно з кроком квантування де W - кількість витків перетворювача).

Вихідний опір Для зменшення похибки квантування, граничне значення якої Δ дорівнює половині кроку квантування необхідно збільшувати кількість витків W.

Прецизійні реостатні перетворювачі мають десятки тисяч витків і відносна похибка квантування – у такому разі не перевищує ±0,005 %.

Сумарна похибка, спричинена нестабільністью параметрів реостатних перетворювачів, становить 0,02...0,1 %. Додаткова температурна похибка, яка визначається передовсім температурним коефіцієнтом опору проводу, звичайно не перевищує 0,1 % на 10 °С.

Принцип дії тензорезистивних перетворювачів або тензорезисторії оснований на явищі тензоефекту, суть якого полягає в зміні активного опору провідників і напівпровідників при їх механічній деформації.

Під дією зовнішніх навантажень провідник деформується у межах пружної деформації, тобто в нього змінюються геометричні розміри L і S, а також структура матеріалу, що призводить до зміни питомого опору r. Все це приводить до зміни опору провідника R на величину ΔR

Значення k для дротяних тензорезисторів коливається в межах 0,5...4,0, а напівпровідникових - 50...200. Однак останнім властива велика залежність опору від температури, тому вони переважно використовуються для вимірювань малих деформацій, де застосування дротяних тензорезисторів неможливе через їх низьку чутливість.

Дротяні тензорезистори переважно виготовляються з константану, ніхрому та платинородію, а напівпровідникові - з германію та кремнію.

Електростатичні вимірювальні перетворювачі До них належать ємнісні та п'єзоелектричні вимірювальні перетворювачі. Ємнісний перетворювач являє собою конденсатор, ємність С якого змінюється під дією вимірюваної неелектричної величини, що спричиняє зміну віддалі δ між електродами конденсатора

Ємнісні перетворювачі зі змінною віддаллю між електродами використовують для вимірювань малих переміщень - від часток мікрометра до одиниць міліметрів.

Ємнісні перетворювачі Однак через нелінійність функції перетворення С =f(δ) діапазон перетворень дуже вузький і не перевищує 0,1 δ0 (де δ0 - максимальна віддаль між електродами).

Ємнісні перетворювачі використовуються для вимірювань лінійних і кутових переміщень, рівня рідин, вологості твердих і сипких тіл, а в поєднанні з механічними вимірювальними перетворювачами - для вимірювань тиску, сил, прискорення, вібрації тощо.

Принцип дії п 'єзоелектричних перетворювачів оснований на явищах прямого та зворотного п'єзоефектів.

Принцип дії Суть прямого п'єзоефекту полягає в електризації кристалів деяких діелектриків під дією механічних напружень, а зворотного - у виникненні механічної деформації кристала під дією електричного поля.

Особливістю п'єзоефекту є зміна його знака, тобто при зміні напряму механічного напруження змінюється полярність електричних зарядів і при зміні полярності електричного поля змінюється напрям механічної деформації діелектрика, що зумовлює роботу п'єзоелектричних перетворювачів у динамічному режимі.

Електромагнітні вимірювальні перетворювачі Принцип дії пектромагнітних перетворювачів оснований на зміні параметрів електромагнітного кола під дією вимірюваних неелектричних величин. До них належать індуктивні, трансформаторні, індукційні та магнітопружні перетворювачі.

Індуктивний перетворювач являє собою котушку індуктивності з феромагнітним осердям (дросель), повний опір Z якої змінюється при взаємному відносному переміщенні елементів магнітопроводу.

Зміна індуктивності L котушки приводить до зміни її опору Z, який є вихідною величиною індуктивного перетворювача. А вхідною величиною його є переміщення δ рухомого осердя, яке може викликатися дією вимірюваної неелектричної величини: сили, тиску тощо.

Діапазон зміни переміщень індуктивного перетворювача із змінним повітряним зазором становить 0,1...1 мм, а із змінною площею - до 8 мм. Для вимірювань великих переміщень використовують індуктивні перетворювачі соленоїдного типу з рухомим феромагнітним осердям, їх діапазон вимірювань становить 100... 1000 мм. Похибка індуктивних перетвоювачів становить 0,1…1,5 %.

Трансформаторний перетворювач являє собою трансформатор, у якого під дією вхідної величини змінюється взаємна індуктивність між його обмотками, що приводить до зміни вихідної напруги.

Найпоширені диференціально-трансформаторні перетворювачі з рухомим феромагнітним осердям, які мають добру лінійність функції перетворення (до 0,1 %) при вимірюваному переміщенні 50...100 мм.

Індукційним перетворювачем називається перетворювач, принцип дії якого оснований на законі електромагнітної індукції. Він складається з постійного магніту (або електромагніту), між полюсними наконечниками якого поміщена рухома котушка.

При переміщенні котушки в постійному магнітному полі в ній наводиться ЕРС, яка загалом є функцією кута повороту α котушки.

Індукційні перетворювачі використовуються для вимірювань лінійних або кутових переміщень, швидкості обертання, прискорення та інших величин, що змінюються з частотою 15...ЗО кГц. Похибки індукційних перетворювачів становлять 0,1... 1,0 %.

Магнітопружний перетворювач являє собою феромагнітне осердя з однією або двома обмотками, до якого прикладене механічне зусилля F. Це зусилля створює в осерді механічне напруження σ, яке приводить до зміни магнітної проникності μ і відповідно до зміни індуктивності котушки індуктивності.

Основною характеристикою феромагнітного матеріалу з погляду його магнітопружних властивостей є коефіцієнт магнітопружної чутливості kσ , який визначається як відношення відносної зміни магнітної проникності Δμ/μ до відносно деформації Δl/ l феромагнітного тіла або механічного напруження σ , тобто

Основним матеріалом для виготовлення магнітопружних перетворювачів служать електротехнічні сталі, в яких kσ=1,1 %/МПа і пермалой kσ= 0,8% /МПа. Магнітопружні перетворювачі використовуються для вимірювань великих сил (105...106МПа), тисків і крутних моментів. Похибки таких перетворювачів лежать у межах 1...4 %.

Фотоелектричні вимірювальні перетворювачі Принцип дії фотоелектричних перетворювачів оснований на явищах зовнішнього та внутрішнього фотоефектів. Суть зовнішнього фотоефекту полягає в емісії (випусканні) електронів на поверхні фотокатода у вакуум під дією світлового потоку.

Кванти світла, що досягають фоточутливої поверхні катода, викликають емісію фотоелектронів, які під дією зовнішнього електричного поля створюють фотострум. На цьому принципі побудовані електровакуумні фотоелементи, іонні фотоелементи та фотоелектричні помножувачі.

Внутрішній фотоефект переміщення звільнених під дією світлового потоку носіїв заряду (електронів і дірок) усередині твердого тіла (без виходу назовні), що веде до зміни електропровідності тіла або виникнення фото-ЕРС.

Фоторезистори Перетворювачі, в яких під дією світлового потоку змінюється електропровідність Вони являють собою однорідну напівпровідникову пластинку, виготовлену із селеніду кадмію, сірчаного свинцю, сірчаного кадмію тощо

Фотоелектричні перетворювачі використовуються для вимірювань як вітлових, так і несвітлових величин і є складовими елементами багатьох имірювальних приладів і вимірювальних інформаційних систем.

Теплові вимірювальні перетворювачі Принцип дії оснований на використанні теплових процесів (нагрівання, охолодження, теплообміну), які приводять до зміни параметрів перетворювача. На цьому принципі будують перетворювачі для вимірювань не тільки температури, але й інших фізичних величин: швидкості теплових потоків газів і рідин, витрати, тиску, вологості, рівня тощо.

Термоелектричні перетворювачі основані на явищі термоелектричного ефекту, суть якого полягає у виникненні тєрмо-ЕРС у колі, що складається з двох різнорідних провідників або напівпровідників, які називаються термоелектродами, якщо температура ΘР місця з'єднання електродів (так званого робочого кінця перетворювача) і температура ΘВ вільних кінців неоднакові.

Характеристики деяких типів термоелектричних перетворювачів

Принцип дії терморезистивних перетворювачів оснований на властивості провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні температури. Чутливі елементи терморезистивних перетворювачів, тобто власне терморезистори, бувають двох видів: провідникові та напівпровідникові.

Перетворювачі з провідниковими чутливими елементами називають термоперетворювачами опору і матеріалами для їх виготовлення служать платина, мідь і нікель.

Чутливий елемент напівпровідникового терморезистора – термістора виготовляється з окислів різних металів: міді, кобальту, магнію, марганцю тощо. Із збільшенням температури опір термісторів зменшується

Термістори виготовляються з номінальним опором при 200 °С від 1 до 200 кОм і використовуються в діапазоні температур -200 ...+600 °С Їх чутливість у 5...10 разів перевищує чутливість металевих термоперетворювачів опору.

Термістори До недоліків термісторів належать нелінійність функції перетворення, великий розкид параметрів у різних екземплярів, старіння і нестабільність параметрів у часі.

Технічні характеристики термоперетворювачів опору

Принцип дії термомеханічних перетворювачів оснований на властивості нагрітих твердих тіл змінювати свої розміри. До них належать дилатометричні та біметалеві перетворювачі

Чутливим елементом біметалевого перетворювача є біметалева пластина, яка складається з шарів металів або сплавів з різними температурними коефіцієнтами. Під час зміни температури пластина прогинається у бік шару матеріалу з меншим температурним коефіцієнтом.

Принцип дії манометричних перетворювачів оснований на властивостях рідин і газів змінювати свій об'єм при дії температури Зміна об'єму рідини (газу) перетворюється у деформацію манометричної пружини, мембрани або сильфона,