Реостатные резистивные преобразователи

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Часть 3

 

Методические указания к самостоятельной работе студентов»

 

Могилев 2006

УДК 621.317.39

ББК 31.22

К 65

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУВПО «Белорусско-Российский университет»

 

Одобрено кафедрой «Физические методы контроля» «1» сентября 2006г
протокол № 1

 

Составители: канд. техн. наук, доц. В. Ф. Поздняков,

ассистент К. Б. Прудников

 

Рецензент канд. техн. наук, доц. Н. П. Бусел

 

В методических указания кратко изложены основные теоретические сведения для самостоятельной работы студентов дневной и заочной форм обучения специальности 1-54 01 01 «Методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов». Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Контрольно-измерительная техника».

 

Учебное издание

 

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Часть 3

Ответственный за выпуск С. С. Сергеев

Технический редактор А. А. Подошевко

Компьютерная верстка Н. П. Полевничая

 

 

Подписано в печать. Формат 60х84 /16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Усл. печ. л.. Уч.-изд. л.. Тираж 115 экз. Заказ №

 

 

Издатель и полиграфическое исполнение

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

ЛИ № 02330/375 от 29.06.2004 г.

212005, г. Могилев, пр. Мира, 43

 

© ГУВПО «Белорусско-Российский

Университет», 2006

Содержание

 

1 Принципы построения преобразователей неэлектрических величин (ПНВ)
2 Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин
3 Реостатные резистивные преобразователи
4 Тензорезистивные преобразователи
5 Емкостные преобразователи
6 Индуктивные преобразователи
7 Индукционные преобразователи
8 Пьезоэлектрические преобразователи
9 Преобразователи магнитных величин
10 Преобразователи ионизирующего излучения
11 Преобразователи температуры
Список литературы

 

1 Принципы построения преобразователей неэлектрических
величин (ПНВ)

Применение электрических приборов для измерения неэлектрических величин. При контроле технологических процессов, а также при научных исследованиях приходится производить измерения различных физических величин, в том числе и неэлектрических. Разновидностей электрических приборов для измерения неэлектрических величин значительно больше, чем приборов для измерения электрических величин. Это объясняется тем, что контролируемых неэлектрических величин значительно больше, чем электрических. Даже краткое перечисление групп неэлектрических величин, которые измеряются электрическими приборами, показывает большое разнообразие этих величин, а следовательно, методов и приборов для измерения.

Приведем перечень групп неэлектрических величин.

1 Тепловые величины (температура, количество тепла).

2 Механические и геометрические величины (сила, момент сил, напряжение, деформация, перемещение, скорость, ускорение, размер, количество, расход, уровень).

3 Промежутки времени.

4 Величины, характеризующие излучения (поток излучения, спектральный состав).

5 Энергия и мощность (неэлектрические), коэффициент полезного действия.

6 Величины, характеризующие свойства вещества, материалов, изделий их состав и т. д.

Наиболее важные причины широкого применения электрических приборов для измерения неэлектрических величин заключаются в следующем:

а) электроизмерительные приборы лучше неэлектрических приборов позволяют осуществлять дистанционные измерения, благодаря чему обеспечиваются измерения в одном месте различных по своей природе параметров, контролируемых нередко в территориально удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках;

б) электроизмерительные приборы легче поддаются автоматизации, что значительно улучшает их качество. Автоматизация полностью или в значительной мере исключает субъективные свойства оператора. В электроизмерительных приборах имеются широкие возможности для автоматического и непрерывного проведения математических операций над результатами измерений, что позволяет автоматически вводить в результаты измерений поправки, интегрировать, дифференцировать результат и т. д;

в) электроизмерительные приборы более удобны, чем неэлектрические для решения задач автоматического управления;

г) электроизмерительные приборы дают возможность регистрировать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро меняющиеся (например, с помощью электронного осциллографа), имеют широкий диапазон пределов измерения как в сторону весьма больших значений, так и в сторону весьма малых значений измеряемой величины.

Структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин. Электрические приборы для измерения неэлектрических величин отличаются от подобных приборов для измерения электрических величин тем, что они обязательно содержат измерительный преобразователь неэлектрической величины в электрическую, которая измеряется.

Измерительный преобразователь неэлектрической величины в электрическую устанавливает однозначную функциональную зависимость выходной электрической величины (ЭДС, сопротивления и т. д.) от входной измеряемой неэлектрической величины (температуры, перемещения и т. д.).

На рисунке 1.1 показана упрощенная структурная схема электрического прибора для измерения неэлектрической величины. Измеряемая неэлектрическая величина Х подается на вход первичного преобразователя ПП. Выходная величина преобразуется вторичным промежуточным преобразователем в электрическую величину Y, которая измеряется электрическим измерительным устройством ИП. Схема и принцип действия электрического измерительного устройства определяются требованиями при измерении выходной величины измерительного преобразователя. Электрическое измерительное устройство может быть выполнено как по схеме прямого преобразования, так и по схеме компенсационного преобразования.

 

 

ПП – первичный измерительный преобразователь; ВП – вторичный преобразователь; ИП – измерительный прибор

 

Рисунок 1.1 − Структурная схема преобразования неэлектрической величины в
электрическую

 

Таким образом, в зависимости от электрической величины и требований, предъявляемых к прибору, электрическое измерительное устройство может быть различной степени сложности. В одном случае, это будет, например, магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом − автоматический потенциометр или цифровой измерительный прибор. Обычно шкала отсчетного устройства электрического измерительного устройства градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.

На рассматриваемой структурной схеме не указаны вспомогательные узлы (например, блоки питания).

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть не только аналоговыми, о которых говорилось выше, но и цифровыми.

 

2 Характеристики измерительных преобразователей
неэлектрических величин

Зависимость выходной величины измерительного преобразователя y от входной x в общем виде выражается уравнением преобразования у = f (х). Уравнение преобразования (функция преобразования) для некоторых преобразователей известно, а для других функцию преобразования приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически.

Обычно у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х, но и от внешнего фактора z, т. е. функция преобразования в общем виде у = f (x, z).

В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях z.

Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Например, электропроводность λ растворов электролитов зависит от концентрации С и температуры t. Поэтому при использовании зависимости λ = f (C) для определения концентрации нужно либо поддерживать температуру раствора постоянной, либо вводить поправки (расчетным путем или автоматически), зная влияние температуры на эту зависимость.

При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства.

Воспроизводимость функции преобразования. Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.

Постоянство во времени функции преобразования. При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (например, прибор работает в недоступном месте).

Вид функции преобразовании. Обычно наиболее желателен линейный характер зависимости у = f (х). Многозначность или разрыв функции преобразования указывают на непригодность преобразователя в данном интервале изменения измеряемой величины.

Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность.

Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.

Дополнительные погрешности обусловлены также принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления, но проявляются они при отклонении внешних факторов от номинальных значений.

Основная погрешность рассматриваемого отдельно преобразователя может складываться из некоторых составляющих: погрешности, обусловленной неточностью образцовых приборов и мер, с помощью которых производилась градуировка; погрешности за счет приближенного выражения (табличным, графическим, аналитическим способом) функции преобразования; погрешности, обусловленной неполным совпадением функций преобразования при возрастании и убывании измеряемой величины (гистерезис функции преобразования); погрешности от неполной воспроизводимости характеристик преобразователя (например, чувствительности). Последняя погрешность исключается при индивидуальной гра­дуировке. На практике все составляю­щие проявляются в виде одной основной погрешности.

Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину. Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажая ее и вызывая тем самым изменение выходного сигнала. Пояснить это можно на примере термоанемометра, который представляет собой термочувствительный резистор, нагреваемый электрическим током и помещаемый на пути потока газа или жидкости, скорость которого измеряется. Изменение скорости потока вызывает изменение условий теплообмена терморезистора со средой, изменение его температуры и сопротивления. Измеряя сопротивление резистора тем или иным способом, можно судить о скорости потока. Но очевидно, что терморезистор, помещенный на пути потока, изменяет скорость его, и в этом проявляется обратное влияние преобразователя на измеряемую величину. Обратное влияние на практике учесть трудно, а поэтому стараются его сделать минимальным.

Динамические свойства преобразователя. При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали; электрические емкости; индуктивности; детали, обладающие теплоемкостью и т. д.).

Переходный процесс проявляется в виде инерции − запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины. Например, при погружении термопары в среду, температура которой измеряется, термо-ЭДС на выходе термопары установится в соответствии с измеряемой температурой только по истечении некоторого промежутка времени.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качеств преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения.

Динамические свойства преобразователя могут быть охарактеризованы:

а) кривой переходного процесса, т. е. зависимостью у = f (t) при скачкообразном изменении х;

б) амплитудно-фазочастотной характеристикой − кривой, показывающей зависимость амплитуды у и фазы φ выходного сигнала от его частоты, или двумя характеристиками − амплитудно-частотной у = у₁ (ω) и фазочастотной
φ = φ₁ (ω) для линейных преобразователей, т. е. преобразователей, поведение которых в переходных режимах описывается линейным дифференциальным уравнением;

в) аналитически, в виде дифференциального уравнения, связывающего выходную и входную величины, или в виде передаточной функции s(р), определяемой как отношение изображения (по Лапласу) выходной величины у(р) к изображению входной величины х(р).

Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования.

Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитывают также и другие показатели их качества работы: влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, термическим, электрическим и другим перегрузкам, удобство монтажа и обслуживания, габариты, вес, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.

Для удобства изучения измерительные преобразователи классифицируют по принципу их действия, т. е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую.

 

Реостатные резистивные преобразователи

Параметрические преобразователи, выходной величиной у которых является электрическое сопротивление, называются резистивными. Реостатные преобразователи – это преобразователи, выполненные в виде реостата, движок которого перемещается под действием входной измеряемой величины. Выходной величиной является электрическое сопротивление функционально связанное с положением движка. Преобразователи используются для измерения давления, силы, ускорения, уровня, расхода, положения и других физических величин, которые можно преобразовать в перемещение.

 

 

Рисунок 3.1 − Реостатный преобразователь с линейной функцией
преобразования

 

В зависимости от конструктивного исполнения преобразователи делятся на преобразователи с линейным и вращательным перемещениями подвижного элемента. При этом функциональная зависимость изменения сопротивления от перемещения может быть линейной или функциональной.

Реостатные преобразователи могут иметь нелинейную функцию преобразования (рисунок 3.2). Это достигается за счет изменения формы каркаса, изменения диаметра проволоки, изменения удельного сопротивления проволоки.

 

 

Рисунок 3.2 − Реостатный преобразователь с нелинейной функцией преобразования

 

Проволока для обмотки выполняется из сплавов. Хорошим, но дорогим материалом является сплав платины с иридием (5…30%). Добавка иридия к платине придает ей большую твердость, увеличивает удельное сопротивление и понижает температурный коэффициент электрического сопротивления. Дешевым и часто используемым материалом является константан. При высоких температурах применяются нихром и фехраль. Для обмотки преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.

Щетка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т. д.). Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которое выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотен граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.

Габариты преобразователя определяются его конструкцией, сопротивлением и величиной мощности, выделяемой в обмотке.

Сопротивление преобразователя можно подсчитать по следующей формуле:

,

где ρ – удельное сопротивление материала, из которого изготовлена обмотка преобразователя, Ом∙м;

l – длина проволоки преобразователя, м;

S – площадь сечения проволоки, м².

В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимость изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на величину сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразователя. Максимальная погрешность квантования при этом

%,

 

где ∆R − максимальное сопротивление одного витка;

R_П − полное сопротивление преобразователя.

Суммарная погрешность, вызванная непостоянством параметров резистивных преобразователей, составляет 0,05…0,1 %. Температурная погрешность не превышает 0,1 % на 10°C.

Погрешность квантования отсутствует в реохордных преобразователях (рисунок 3.3), в которых движок скользит вдоль натянутой проволоки. Проволока выполняется из высокоомного материала. Начальное сопротивление преобразователя R₀ порядка нескольких Ом.

 

Рисунок 3.3 – Схема реохордного преобразователя

 

Выходной параметр реостатных преобразователей − сопротивление − измеряется обычно с помощью мостовой схемы.

Достоинство реостатных преобразователей состоит в возможности получения значительного выходного сигнала при сравнительно простой конструкции преобразователя. Недостатки − наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения.