Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу

Ващишак С.П.,Романів В.М.

ПЕРВИННІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

2010

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу

Кафедра інформаційно-вимірювальної техніки

Ващишак С.П., Романів В.М.

ПЕРВИННІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Для студентів напряму підготовки 6.051001

“Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології”

Рекомендовано методичною радою

університету

Івано-Франківськ

2010

Зміст

Вступ

1. Загальні відомості і класифікація перетворювачів

   1. Основні поняття та визначення

   2. Класифікація вимірювальних перетворювачів

2. Основні фізичні явища у вимірювальних

перетворювачах

1. Ємнісний та п'єзоелектричний ефекти

2. Електромагнітний та електромеханічний ефекти

3. Іонізаційний ефект

4. Зміна опору у вимірювальних перетворювачах

5. Явище провідності у напівпровідниках

6. Фотоелектричний ефект

7. Ефект Холла

8. Ефект Зеебека

Контрольні запитання до 1 та 2 розділів

3. Технічні характеристики та структура вимірювальних

перетворювачів

1. Загальна структура вимірювального перетворювача

2. Основні технічні характеристики вимірювальних перетворювачах

3. Структурно – функціональна схема однофункціонального ПВП прямого перетворення фізичної величини

4. Узгодження ПВП фізичних величин з ЕОМ

Контрольні запитання до 3 розділу

4. Структурні схеми та чутливі елементи ПВП фізичних величин

   1. Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи резистивних ПВП

   2. Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи гальваномагнітних ПВП

   3. Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи оптоелектронних ПВП

   4. Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи волоконно – оптичних ПВП

   5. Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи з вихідними сигналами у вигляді частоти імпульсів

   6. Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи з цифровими вихідними сигналами

5. Вимірювальні кола

   1. Вимірювальні кола генераторних перетворювачів

   2. Вимірювальні кола параметричних перетворювачів

   3. Вимірювальні кола у вигляді незрівноважених мостів

   4. Вимірювальні кола у вигляді зрівноважених мостів

6. Зменшення похибок від впливу паразитних опорів і завад у вимірювальних колах

   1. Вплив опору лінії втрат

   2. Зменшення впливу опорів з'єднувальних проводів і контактів

   3. Зменшення впливу струмів втрат

   4. Термо – ЕРС і електрохімічна ЕРС у вимірювальних колах

   5. Захист від впливу магнітних полів

   6. Захист від впливу електричних полів

   7. Завада загального виду

Контрольні запитання до 4, 5 та 6 розділів

7. Резистивні перетворювачі

7.1 Загальні властивості, область застосування резистивних перетворювачів

7.1.1. Чутливість резистивного перетворювача і вплив на неї зовнішніх факторів

7.2 Реостатні перетворювачі

7.3 Тензорезистори

7.3.1 Конструкції і технічні характеристики дискретних металічних і напівпровідникових тензорезисторів

7.3.2 Конструкції інтегральних напівпровідникових тензорезисторів

7.3.3 Область застосування тензорезисторів

Контрольні запитання до 7 розділу

8. Електростатичні перетворювачі

8.1 Принцип дії та область застосування

8.2 Зміна ємності під впливом зовнішніх умов

8.3 Конструкції ємнісних перетворювачів

8.4 Вимірювальні кола ємнісних перетворювачів

8.5 Електростатичні перетворювачі в вольтметрах

9. П'єзоелектричні перетворювачі

9.1 Фізичні основи та область застосування

9.2 П’єзоелектричні перетворювачі сили, тиску,

прискорення

10. Електромагнітні перетворювачі

10.1 Принцип дії та область застосування електромагнітних перетворювачів

10.2 Двоконтурні електромагнітні перетворювачі

10.3 Вимірювальні трансформатори та індуктивні дільники напруги

10.4 Магнітоелектричні та магнітогідравлічні перетворювачі давачів зрівноваження

10.5 Індуктивні та трансформаторні (взаємоіндуктивні) перетворювачі

10.6 Магнітопружні та індукційні перетворювачі

10.6.1 Індукційні перетворювачі для вимірювання параметрів магнітного поля

10.6.2 Індукційні перетворювачі для вимірювання частоти обертання

10.6.3 Індукційні перетворювачі параметрів вібрації

Контрольні запитання до 10 розділу

11. Гальваномагнітні перетворювачі

11.1 Перетворювачі Холла

11.2 Магніторезистивні перетворювачі

11.3 Гальваномагніторекомбінаційні перетворювачі

Контрольні запитання до 11 розділу

12. Електрохімічні перетворювачі

12.1 Загальні теоретичні основи та область застосування

12.2 Електрохімічні резистивні перетворювачі

12.3 Гальванічні перетворювачі

12.4 Кулонометричні перетворювачі

12.5 Електрокінетичні перетворювачі

12.6 Полярографічні перетворювачі. Іоністори

Контрольні запитання до 12 розділу

13. Оптоелектричні перетворювачі

13.1 Область застосування оптоелектричних перетворювачів

13.2 Джерела і приймачі випромінювання

13.3 Основні структурні схеми оптоелектричних перетворювачів

Контрольні запитання до 13 розділу

Список використаної літератури

Вступ

У сучасній інформаційно-вимірювальній техніці (ІВТ) використовуються технічні засоби для вимірювання більше 5,5тис. різних фізичних величин. Більшість цих величин в процесі вимірювання перетворюються в електричні величини, які найбільш зручні для передачі, підсилення, математичної обробки. Функцією перетворення неелектричної фізичної величини в електричну здійснюють невід’ємні елементи електронних засобів вимірювання і автоматичних систем первинні вимірювальні перетворювачі. Сьогодні існує велика різноманітність вимірювальних перетворювачів (ВП) за їх принципом дії та конструктивним виконанням. Водночас постійно підвищуються вимоги до їх точності, чутливості, швидкодії. Зокрема, сучасні мікроелектронні, напівпровідникові, оптоелектронні та інші ВП добре узгоджуються з цифровою обчислювальною технікою, виготовляються за високопродуктивною технологією, що забезпечує малу вартість і масове виготовлення їх при достатньо високих метрологічних характеристиках. На виході первинного ВП вихідний інформаційний сигнал все частіше подається у вигляді цифрових кодів, які є зручними для узгодження з ПЕОМ. Це дозволяє виключити проміжні ВП, що зменшує енергоспоживання, розміри інформаційно-вимірювальних каналів, підвищує надійність, ефективність, час безвідмовної роботи та інші показники. Слід зазначити, що точність багатьох засобів вимірювань, що містять первинні ВП, дуже часто визначається саме точністю первинного ВП, оскільки вторинні засоби вимірювань є досить досконалими.

Однак, швидко зростаючі потреби в кількісних і якісних можливостях первинних ВП задовольняються недостатньо, насамперед, за точністю, швидкодією, розмірами та надійністю – в середньому на 55%. Нерідко в наукових дослідженнях в різних галузях техніки виникає потреба перетворювати фізичні величини і параметри, які не мають своїх прототипів. Тому в приладобудуванні упродовж останнього десятиріччя є актуальним створення нових і вдосконалення існуючих ВП. Таке становище пояснюється кількома причинами.

По-перше, швидко зростають вимоги до ВП і умов їх використання, збільшується кількість фізичних величин і параметрів, які потрібно вимірювати в складних умовах.

По-друге, оскільки функцією вимірювання є кількісне оцінювання властивостей об’єкту в складних умовах його функціонування, ВП зазвичай працює в цих умовах і має бути досить точним і надійним. Однак, в багатьох випадках точне математичне описування і фізичне моделювання умов роботи ВП неможливе, що ускладнює його створення.

Фахівець, який береться проектувати ВП, або використовувати наявні ВП, повинен враховувати всі впливові фактори, які діють на ВП і ззовні, і зсередини. Нерідко складними є реальні електронні схеми, з яких з’єднують чутливі елементи первинних ВП для доведення слабких, ненормованих і незручних для використання сигналів до потрібного рівня і виду вихідних сигналів ВП.

Отже, завданням даного курсу є вивчення основних фізичних явищ, які покладені в основу нині існуючих ВП, принципів побудови та технічних характеристик, розрахунку основних конструкційних частин ВП та способів узгодження первинних вимірювальних перетворювачів з вторинними блоками засобів вимірювання та автоматизованих систем.

1 Загальні відомості та класифікація перетворювачів

1.1 Основні поняття та визначення

Вимірювальне перетворення – це відображення розміру одної фізичної величини розміром другої фізичної величини, яка функціонально з нею зв’язана. Фізичною основою вимірювального перетворення є перетворення та передавання енергії, зокрема, перетворення одного виду енергії в інший.

Вимірювальний перетворювач – це засіб вимірювальної техніки (ЗВТ), що реалізує вимірювальне перетворення (ЗВТ призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, оброблення та зберігання, але непридатний для безпосереднього сприйняття спостерігачем).

Вимірювальна інформація – це кількісна інформація про властивості фізичних об’єктів, отримана в результаті вимірювань.

Функція перетворення ВП – це функціональна залежність вихідної величини від вхідної, яка описується аналітичним виразом, або графіком чи таблицею.

Чутливість ВП – це іменована величина з розмірністю, яка залежить від природи вхідної величини (відношення зміни вихідного сигналу до зміни на вході фізичної величини). Наприклад, для реостатного перетворювача – Ом/мм, для термопари – мВ/К і т.д.

Чутливість вимірювального приладу або ІВК, які складаються з послідовного ряду вимірювальних перетворювачів визначаються як добуток чутливостей всіх перетворювачів, які утворюють канал передачі інформації.

Разом з терміном “вимірювальний перетворювач” – конструктивно завершений засіб вимірювань, призначений для розміщення безпосередньо в зоні досліджуваного об’єкта. Згідно ДСТУ 2681-94 рекомендовано вживати замість терміну “давач” термін “первинний вимірювальний перетворювач” (сенсор).

1.2 Класифікація вимірювальних перетворювачів

Кожен тип ВП можна класифікувати одночасно за одним або кількома ознаками. Об’єднання ПВП у класи або групи забезпечує зручність їх описання і аналізу при вивченні та дослідженнях, зручність для синтезу – при проектуванні їх, зручність для метрологічного забезпечення їх при виготовленні й експлуатації. Найповніше уявлення про всю різноманітність ВП можна отримати, наводячи загальну класифікацію з врахуванням багатьох класифікаційних ознак.

Залежно від природи вхідної величини ВП поділяють на такі групи: перетворювачі електричних величин в електричні величини, перетворювачі неелектричних величин в неелектричні величини, перетворювачі електричних величин в неелектричні величини, перетворювачі неелектричних величин в електричні величини.

За виглядом функції перетворення ВП поділяють на три великі групи: масштабні, що змінюють в певну кількість разів розмір вхідної величини без зміни її фізичної природи; функціональні, що однозначно функціонально перетворюють вхідну величину зі зміною природи вхідної величини, або без її зміни; операційні, які виконують над вхідною величиною математичні операції вищого порядку – диференціювання чи інтегрування за часовим параметром.

В залежності від наявності зовнішнього джерела енергії та виду вхідної величини ВП поділяють на генераторні та параметричні.

Генераторні ВП в результаті перетворення значень вхідної фізичної величини формують вихідну величину електричної природи – електричних вихідний сигнал.

У параметричних ВП під дією вхідної фізичної величини змінюються деякі електричні або неелектричні параметри (тиск, опір, індуктивність).

Основною класифікаційною ознакою для ВП є фізичний принцип їхньої дії. За фізичними закономірностями, покладеними в основу принципу дії ВП можна розділити на такі групи:

1. Механічні пружні перетворювачі.

В основу принципу дії таких перетворювачів покладені залежності між вхідними механічними зусиллями і викликаними ними переміщеннями, чи механічними напруженнями в матеріалі чутливого елемента, що визначаються його пружними властивостями.

2. Резистивні перетворювачі (механічних величин).

У резистивних перетворювачах механічних величин вихідною величиною є зміна електричного опору внаслідок переміщення повзунка реостата або реохорда в реостатних та реохордних перетворювачах, або внаслідок тензоефекту в тензорезистивних перетворювачах.

3. Ємнісні перетворювачі.

Принцип дії ємнісних перетворювачів полягає у залежності ємності конденсатора від відстані між його електродами, площі їх перекриття чи діелектричної проникності середовища між ними, коли перечислені параметри є мірою вимірюваної величини.

4. П’єзоелектричні перетворювачі.

У п’єзоелектричних перетворювачах принцип дії оснований на використанні явища поляризації п’єзоелектрика як наслідку дії на нього механічних зусиль.

Різновидністю п’єзоелектричних є п’єзорезонансні перетворювачі, їх принцип дії полягає у використанні залежності резонансної частоти п’єзоелемента від вимірюваної величини.

5. Індуктивні перетворювачі.

Принцип дії цих перетворювачів полягає у залежності повного електричного опору намагнічувального кола від значення комплексного магнітного опору магнітного кола перетворювача, що може бути результатом зміни повітряного проміжку у магнітному колі перетворювача, або результатом зміни магнітних властивостей феромагнетику внаслідок дії на нього механічних зусиль (магнітопружні перетворювачі).

6. Взаємоіндуктивні (трансформаторні) перетворювачі.

В основу цих перетворювачів покладена залежність магнітного потоку і відповідно наведеної у вторинній обмотці ЕРС від значення комплексного магнітоопору магнітопроводу, який, як і в індуктивних перетворювачах, може змінюватись зі зміною повітряного проміжку чи магнітних властивостей феромагнетику, спричинених його механічною деформацією.

7. Індуктивні перетворювачі.

Їх принцип дії оснований на використанні явища електромагнітної індукції. Вхідними величинами таких перетворювачів можуть бути швидкість зміни магнітного потоку, або швидкість лінійного чи кутового переміщення вимірювальної котушки.