Шпоры к экзамену / 50

1. Измерительные  преобразователи  физических величин в электрические. Назначение, классификации. Примеры передаточных функций ИП. Резистивные и емкостные ИП. Примеры устройств, передаточные функции.

Измерительные  преобразователи (ИП) физических величин в электрические.

В системах контроля и управления любого промышленного, производственного или исследовательского объекта встроены измерительные преобразователи физических величин в электрические величины. Эти преобразователи в пути следования информации находятся на стартовом отрезке, поэтому они называются первичными. Часто используют термины «датчик», «сенсор».

Сигналы, полученные с помощью ИП, далее преобразуются в унифицированную форму, которая установлена требованиями государственной системы стандартов на промышленные измерительные приборы и средства автоматизации. Эти требования касаются:

- вида сигнала (постоянный ток, постоянное напряжение, переменное напряжение, частота и др.),

- уровня сигнала (интервалы значений).

По видам контролируемых величин в промышленности имеется следующая примерная статистика применения  ИП (Табл.14.1).

Здесь и ниже использован материал, приведенный в книге В.И. Карлащука «Электронная лаборатория на IBM PC». Москва, СОЛОН-Пресс, 2004г.

 

Таблица 14.1.

Контролируемая величина	Доля, %
Температура	50
Объемный  и массовый расход	15
Давление, сила	10
Уровень жидкости	5
Масса, объем	5
Электрические и магнитные величины	5
Время	4
Другие	6

 Количество ИП зависит от типа объекта. Так на атомной электрической станции средней мощности примерно 3000 шт., на предприятии химической промышленности количество температурных ИП может достигать 20 000.

Существует огромное количество типов и конструкций ИП. Различают два типа ИП - параметрические и генераторные.

Параметрические измерительные преобразователи по группам выходного электрического параметра можно разделить на следующие виды

Таблица 14.2. 

Группа ИП	Выходной параметр	Типы ИП, измеряемые величины
Резистивные	Электрическое сопротивление	Потенциометрические (реостатные), жидкостные (электролитические), тензорезистивные (тензометрические), датчики контактных сопротивлений,  датчики терморезистивные, датчики пьезосопротивления, фоторезисторы.
Емкостные	Электрическая емкость	Датчики перемещений, давления, уровня, концентрации вещества, датчики толщины
Индуктивные	Индуктивность	Датчики перемещений, силы, давления, механического напряжения  (магнитоупругие ИП, магнитомодуляционные ИП)
Трансформаторные	Взаимная индуктивность обмоток	Датчики перемещений, (магнитоупругие ИП, магнитомодуляционные ИП)
Электроконтактные	Электрическое сопротивление переключателя.	Коммутация электрической цепи
Механотронные	Параметры электронной лампы (крутизна передаточной характеристики )	Перемещение, давление, сила.

  Большинство генераторных измерительных преобразователи создают электродвижущую силу в результате действия физической величины. По явлению, которое при этом используется, ИП можно разделить на следующие группы. (табл.14.3).

Таблица 14.3. 

Физическое явление	Группа генераторных ИП	Измеряемые величины
Электромагнитная индукция	Индукционные	Расход жидкости и газа, скорость движения, частота вращения
Фотоэлектрический эффект	Фотоэлектрические	Освещенность, яркость, частота вращения, линейные размеры,
Термоэлектрический  эффект	Термоэлектрические	Температура (и связанные величины), количество теплоты
Гальванический эффект	Гальванические	Химический состав, концентрация жидкого вещества.
Электрокинетические явления (разность потенциалов при протекании полярной жидкости через пористую стенку)	Электрокинетические	Пористость материала, свойства жидкости
Пьезоэлектрический эффект	Пьезоэлектрические	Давление, сила, вибрация, ускорение, уровень жидкости, расход (по уровню)

 

ИП характеризуется статической передаточной характеристикой- зависимостью выходного параметра (Y) от входного (X). Передаточные характеристики различных ИП (рис. 14.1) могут значительно отличаться (а -линейные , б- нелинейные, в- релейные, г - гистерезисные).

 Рис.14.1. Примеры передаточных характеристик ИП.

 Рассмотрим примеры конструкций различных ИП.

Резистивные измерительные преобразователи

                   г)                                   д)                         е)

Рис.14.2. Резистивные ИП перемещения и деформации в электрическое сопротивление.

а), б) – реостатные (перемещение движка потенциометра приводит к изменению сопротивления между выводами 1 и 3 (или 2 и 3),

в)- ИП контактного сопротивления (сжатие ИП в вертикальном направлении приводит к уменьшению сопротивления ИП между электродами 5 и 6 за счет уплотнения упругой проводящей массы 2) ,

г),д),е)- тензорезистивные ИП (пластинка с наклеенными проволочными резисторами прикрепляется на деформируемый конструктивный элемент клеем, деформация резисторов приводит к изменению их сопротивлений; определенная ориентация резистора позволяет преобразовывать отдельную составляющую механического напряжения в сопротивление отдельного ИП.)

         Здесь используется зависимость электрического сопротивления ИП:

,

ρ- удельное сопротивление проводника (проводящего вещества), l- длина проводника (расстояние между электродами), S- площадь поперечного сечения проводника (площадь электродов).

 Емкостные измерительные преобразователи

 

         а)                                                     б)                                            в)

Рис.14.3. Емкостные  ИП перемещения в электрическую емкость конденсатора, х- направление перемещения электродов (а, б)  или изолятора (в)

Здесь используется зависимость электрической емкости ИП:

,

ε- абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества между электродами, l- расстояние между электродами, S- площадь электродов.