4.1. Структура измерительного преобразователя

Структурная схема измерительного преобразователя, включающая в себя элементы, общие для всех типов преобразователей, представлена на рис. 13, а. Элементы рисунка, обозначенные пунктирными линиями (входное сопротивление , необходимое для определения мощности внешнего источника питания в пассивных измерительных преобразователях), в активных (или автогенерирующих) измерительных преобразователях отсутствуют.

В таком представлении измерительный преобразователь можно рассматривать как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующего элемента (ПЭ).

Чувствительный элемент воспринимает измеряемую величину и преобразует ее в другую физическую величину. Далее промежуточный измерительный преобразователь (преобразующий элемент) преобразует физическую величину в электрический сигнал, который отражает значение измеряемой величины.

Рис. 13. Схема первичного измерительного преобразователя (а):

ЧЭ — чувствительный элемент, ПЭ — преобразующий элемент, — входное сопротивление, — выходное сопротивление,— сопротивление источника питания, — сопротивление нагрузки; упрошенная схема измерительной системы (б): I — первичный измерительный преобразователь; 2 — согласующее устройство; 3 — выходное устройство (индикатор)

Другими возможными элементами измерительного преобразователя являются устройства формирования выходного сигнала и питания (см. рис. 13, а). Преобразователь подключается к источнику питания (может быть внутренним или отсутствовать) и нагрузке. За исключением активных преобразователей, питание (или источник напряжения, или источник тока) требуется преобразователю, чтобы обеспечить его точную работу. Сопротивление преобразователя по отношению к источнику питания с сопротивлением выступает в качестве входного сопротивления. Сопротивление проводов, соединяющих источник питания с преобразователем, всегда рассматривается как часть сопротивления источника питания. Выходное сопротивление преобразователя — это сопротивление на выходных клеммах преобразователя. Общее сопротивление цепи, подключаемой к выходным клеммам преобразователя, является сопротивлением нагрузки преобразователя . Сопротивление проводов, соединяющих преобразователь с нагрузкой, рассматривается как часть сопротивления нагрузки. Согласование преобразователя с измерительной системой осуществляется с учетом рассмотренных сопротивлений.

На рис. 13, б приведена упрощенная схема измерительной системы с использованием первичного преобразователя 1. Согласующее устройство 2 изменяет сигнал преобразователя, например, усиливает или формирует его в соответствии с требованиями выходного устройства 3 (индикатора или устройства памяти).

4.3. Промежуточные преобразователи

Промежуточным измерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем) называют элемент, занимающий в измерительной цепи место после первичного измерительного преобразователя. Основное назначение промежуточного преобразователя — преобразование выходного сигнала первичного измерительного преобразователя в форму, удобную для последующего преобразования в сигнал измерительной информации для дистанционной передачи. Наряду с преобразованием измерительной информации часто возникает необходимость усиления сигнала, например, его мощности, преобразования выходного сопротивления и пр.

Примером промежуточного измерительного преобразователя может служить мембранный блок дифманометра-расходомера. В измерительной цепи измерения расхода он занимает место непосредственно после сужающего устройства и преобразует перепад давления, образующийся на сужающем устройстве, в соответствующее перемещение мембраны мембранного блока и связанной с ним системы (например, механической) измерительного прибора.

На рис. 15 приведена классификация промежуточных преобразователей.

При измерении неэлектрических технологических параметров, таких как расход, давление, перепад давления, уровень, многие первичные измерительные преобразователи преобразуют измеряемую величину в смещение. Последующее преобразование смещения в электрический параметр осуществляется с помощью промежуточных преобразователей смещения: тензометрических, емкостных, пьезоэлектрических, индуктивных.

Рис. 15. Классификация промежуточных преобразователей (преобразующих устройств)

4.3.1. Тензометрические преобразователи

Воздействуя на соответственно выполненный упругий элемент, возможно измерить такие физические величины, как силу, давление, перемещение и т. д., и, таким образом, при построении преобразователей различных величин использовать все преимущества, присущие методу тензометрии, основанному на измерении деформаций. Среди тензометров самое широкое применение нашли тензорезисторы (тензодатчики).

Изменения формы какого-либо элемента, обусловленные воздействием внешних или внутренних сил, сопровождаются деформацией его поверхности. Закрепленный на этой поверхности тензорезистор воспринимает деформации объекта измерения и изменяет при этом свое электрическое сопротивление. Изменение сопротивления является мерой возникшей деформации и она может быть измерена средством измерений, подключенным к тензорезистору. Тензорезистор является пассивным преобразователем, поэтому на него необходимо подавать питание от электрического источника напряжения (постоянного или переменного).

Чувствительный элемент тензорезистора представляет собой решетку, выполненную из тонкого электрического проводника. В обычном исполнении решетка заделана в тонкопленочную полимерную основу, электрически изолирующую ее от объекта измерения, предающую ей деформацию и защищающую от повреждений.

Тензорезисторы имеют малые размеры, малую массу (около 10...500 мг) и малую жесткость. Поэтому динамическая и статическая характеристики даже небольших объектов измерения практически стабильны, что является особым преимуществом тензорезистора по сравнению с другими тензометрами.

Различают металлические и полупроводниковые тензорезисторы.

4.3.2. Емкостные преобразователи

Известно, что емкость конденсатора, образованного параллельными пластинами, равна

где — число пластин; — площадь одной стороны пластины; — толщина диэлектрика; — относительная диэлектрическая проницаемость; — диэлектрическая проницаемость вакуума, равная Ф/м.

Рис. 20. Емкостные преобразователи:

a — параллельные пластины с переменным расстоянием; б — параллельные пластины с изменяемым перекрытием; в — параллельные пластины с перемешаемым диэлектриком; г — концентрические трубки; д — емкостный микрофон: 1 — положение недеформированной диафрагмы; 2 — диафрагма деформированная; 3 — неподвижная пластина; 4 — диэлектрик; 5 — ограничивающая полость

Рис. 21. Изменение емкости С преобразователя:

а — от расстояния между пластинами; б — от эффективной площади перекрытия пластин; в — от диэлектрической постоянной

Действие емкостных преобразователей основано на зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластинами, или от эффективной площади пластин, или от диэлектрической проницаемости, которые могут изменяться под действием измеряемой величины (рис. 20). На рис. 20, а входной величиной является расстояние между пластинами. Максимальная чувствительность емкостного преобразователя соответствует минимальному расстоянию между пластинами, поэтому предпочтительны большие пластины с малым расстоянием между ними (рис. 21, а).

На рис. 20, б представлен преобразователь, в котором эффективная площадь пластин изменяется путем изменения их частичного перекрытия, а рис. 21, 6 показывает, что в этом случае емкость зависит линейно от изменения эффективной площади пластин, т. е. линейно зависит от перемещения пластин относительно друг друга. Линейную зависимость емкости можно получить (рис. 21, в), меняя диэлектрическую проницаемость перемещением диэлектрика между пластинами (рис. 20, в). Емкость концентрических трубок, изображенных на рис. 20, г, линейно зависит от перекрытия (рис. 21, б). При измерениях переменного давления газа можно использовать простой емкостный микрофон (рис. 20, д).

Емкостные преобразователи имеют отличную частотную характеристику, т. е. их полоса пропускания очень широка. Они могут применяться как для статических, так и для динамических измерений.

Замечание

Емкостные преобразователи чувствительны к температурным колебаниям и могут выдать неправильный сигнал, когда соединительные провода длинны и обладают заметной емкостью.