Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические измерения и приборы. Часть I. Учебное пособие
.pdf
61
меньшую температуру плавления (около 1400 С), поэтому проще технология изготовления;
– пластмасса (сердечник – полиметилметакрилат, оболочка – фторополимеры);
– фтористое стекло, фтористые соединения бария, алюминия, лития, циркония и другие материалы или галогенированные кристаллы –
инфракрасные волокна с пониженными потерями в области инфракрасных волн длиной 2…10 мкм.
Достоинства оптических волокон: малый диаметр (около 125 мкм),
малая масса, эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм), механическая прочность (нагрузка на разрыв до 7 кг), безындукционность,
взрывобезопасность, электроизоляционные свойства, высокая коррозионная стойкость.
Виды волоконно-оптических преобразователей
Преобразователь с внешней модуляцией может быть выполнен в
виде двух световодов (единичных оптических волокон или жгутов волокон) и промежутка между ними. Поток излучения от источника вводится в передающий световод 1 (рис. 2.35). На выходе передающего
световода в зоне измерений формируется поток излучения. Часть излучения падает на вход световода 2, выводится из зоны измерения к
фотоприемнику и преобразуется в пропорциональный электрический
сигнал.
Физической основой работы таких преобразователей является изменение (под действием измеряемого параметра) интенсивности излучения, проходящего с выхода передающего на вход приемного световода.
Рис. 2.35. Волоконно-оптический преобразователь с внешней модуляцией
62
Так как модуляция потока излучения осуществляется в промежутке
между двумя светодиодами, эти устройства и получили название преобразователей с внешней модуляцией.
На рис. 2.36 представлены основные способы получения измерительной информации волоконно-оптическими преобразователями с
внешней модуляцией:
а) при аксиальном движении отражающей поверхности (бесконтактные преобразователи перемещений, толщины, расстояния);
б) при угловых перемещениях плоской отражающей поверхности
(преобразователи давлений, усилий, ускорений, расстояния);
Рис. 2.36. Способы получения измерительной информации
63
в, г) за счет ортогонального перемещения граней поверхностей с
различными отражающими свойствами (преобразователи перемещений, ударных воздействий, числа оборотов, наличия и пространственного расположения);
д) при изменении поглощающих и рассеивающих свойств неподвижных поверхностей;
е) ортогональное перемещение торцов (преобразователи силы, ускорений, скорости потоков жидкости и газа);
ж) аксиальное перемещение торцов (преобразователи перемещений);
з) перекрытие проходящего потока (преобразователи линейных
размеров, давления, температуры) и поглощение или рассеяние проходящего потока (преобразователи уровней жидкости, запыленности,
температуры).
Способы получения измерительной информации волоконнооптическими преобразователями можно разделить на два типа: реф-
лектометрические, основанные на отражении потока излучения от
контролируемого объекта (а–д), и прямоходовые, когда поток излучения не меняет своего направления при распространении между торцами световодов (е– з).
Рассмотренные схемы преобразователей не позволяют установить
z0 > 3…5 мм. Для обеспечения большей дальности действия в структуру преобразователя вводится специальная оптическая насадка
(рис. 2.37). Поток излучения от излучателя 1 попадает в световод 2 и
далее, сформированный насадкой 5, – на объект измерения 6, отразившись от которого вновь попадает на насадку и далее через световод 3
на приемник 4. Использование насадок позволяет увеличить рабочее
расстояние до 0,1…0,2 м.
Рис. 2.37. Волоконно-оптический преобразователь
с оптической насадкой
64
Рис. 2.38. Волоконно-оптический преобразователь
с внутренней модуляцией
Преобразователь с внутренней модуляцией основан на изменении
характеристик волокна под влиянием внешнего давления, температуры, магнитного или электрического полей, радиоактивного излучения.
Модуляция потока осуществляется при его прохождении внутри световода, выполняющего функции чувствительного элемента.
Такие преобразователи могут быть выполнены в виде световода 1
(рис. 2.38) с излучателем 2 и приемником света 3 на концах, помещенного в зону измерения, изменение параметров которой вызывает изменение фазы распространяющегося по волокну света.
2.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И УСИЛЕНИЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Рассмотренные ранее преобразователи были сгруппированы по характеру физической величины выходного сигнала (механические, пневматические, электрические), а можно их объединить и по другим классификационным признакам. Например, по виду измеряемой физической
величины (перемещение, скорость, давление, температура и др.).
По характеру изменения выходного сигнала преобразователи могут
быть бинарными, аналоговыми и дискретными.
Преобразователи бинарного типа (би – два: вкл./выкл.) обнару-
живают только переход контролируемой физической величины определенного порогового значения и подразделяются на контактные
и бесконтактные.
Контактные – реле давления, температуры, положения (путевые),
уровня; электроконтактные преобразователи. При замыкании контакта
65
возникает «дребезг» – многократное контактирование. Устраняется его
влияние аппаратными средствами – сигнал выдается после двух или
трех замыканий подряд.
Бесконтактные – на основе элементов Холла, индуктивные, фотоэлектрические, пневматические. Первичный аналоговый сигнал преобразуется в дискретный компаратором, который сравнивает выходной
сигнал с пороговым уровнем и оценивает состояние «вкл./выкл.». При
близких к пороговому значениях также возможно многократное срабатывание компаратора. Для устранения этого схема должна обладать
некоторым гистерезисом с необходимой зоной нечувствительности.
Стабильность срабатывания улучшается, но снижается точность обнаружения.
В широком понимании контактный преобразователь – это комбинация датчика с релейной схемой, бесконтактный – датчика с компаратором.
Преобразователи аналогового типа дают информацию в непре-
рывном интервале значений физической величины. Почти все ранее
рассмотренные физические эффекты и принципы преобразования дают
аналоговые выходные сигналы. Часто выходные сигналы первичных
преобразователей очень малы и неудобны для обработки информации.
Применяются следующие предварительные преобразования:
– усиление (операционные усилители с разнообразными характеристиками на базе интегральных схем);
– преобразование тока в напряжение;
– преобразование переменного тока в постоянный;
– сжатие динамического диапазона выходных сигналов датчика с
помощью логарифмического усилителя;
– подавление шумов выходного сигнала с помощью фильтров
нижних частот или полосовых фильтров;
– линеаризация выходного сигнала;
– регулирование коэффициента усиления.
Необходимость вторичного преобразования возникает при невозможности передачи и регистрации измеряемой величины в исходном
ее виде, оно применятся при дистанционном измерении и особенно в
системах управления. Вторичное преобразование величин осуществляется на основе рассмотренных ранее эффектов и их комбинаций многочисленными способами. Рассмотреть их все и классифицировать –
задача архитрудная и даже невозможная.
66
Кроме того, быстрое развитие полупроводниковой электроники час-
Цифровой
сигнал
Аналоговый
сигнал
Датчик
Схема
предварительной
обработки
АЦП
Порт
ввода
ЭВМ
то изменяет подход к построению измерительных преобразователей.
Например, проволочный тензорезистор с электронным усилителем вытесняется полупроводниковым без усиления. Стоимость такой измерительной системы ниже. Еще более экономичной становится система с
проволочным тензорезистором и полупроводниковым усилителем.
Вторичное преобразование можно показать на конкретных примерах преобразователей с различными принципами действия, которые
будут рассмотрены ниже.
В измерительных преобразователях нередко применяется обратное
преобразование на основе тех же физических эффектов, например индуктивности в перемещение. Принципиально преобразователь может
представлять собой каскадную цепочку звеньев, замкнутый контур или
их комбинацию.
Преобразователи дискретного (цифрового) типа отвечают требо-
ванию к современным измерительным преобразователям по наличию
цифрового выходного сигнала, что позволяет непосредственно вводить
результат измерения в ЭВМ или систему управления.
При аналоговом измерении величин выходной сигнал преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Структурная схема
такого преобразования показана на рис. 2.39.
Рис. 2.39. Преобразование аналогового сигнала в цифровой
Существует несколько способов аналого-цифрового преобразования. Наиболее распространенных два: 1) метод с интегрированием;
2) метод последовательного сравнения.
Основными критериями для выбора необходимого АЦП являются
время преобразования, точность и стоимость.
АЦП с интегрированием может быть с одним, двумя и более наклонами интегрирования, чаще с двойным интегрированием. Рабочий
цикл состоит из коррекции нуля, интегрирования входного сигнала и
интегрирования опорного напряжения.
Такой преобразователь имеет хорошую линейность характеристики, малые шумы и низкую стоимость, но продолжительность преобразования в восьмиразрядный код составляет 1…20 мс.
67
АЦП с последовательным сравнением (по принципу разрядного
уравновешивания) содержит регистр последовательного сравнения,
цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и компаратор, сравнивающий входное напряжение с аналоговым напряжением на выходе ЦАП.
Сравнение производится последовательно. На каждом шаге сравнения
устанавливается значение очередного разряда. К преимуществам этого
метода относятся постоянство интервала преобразования и независимость его от входного аналогового напряжения. Время преобразования
в восьмиразрядный код 10…30 мкс. Недостатки: погрешности ЦАП
самого компаратора и нестабильность опорного напряжения. Повышение точности сопряжено с удорожанием. Используется там, где требуются высокие скорости преобразования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учеб. посо-
бие. – М.: Высш. шк., 1991. – 384 с.
2. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Технологические измере-
ния и приборы: Учебник. – М.: Высш. шк., 1989. – 456 с.
3. Измерения в промышленности: Справочник. – В 3 кн. Пер. с нем. /
Под ред. П. Профоса. – М.: Металлургия, 1990.
4. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочник: Пер. с
англ. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 144 с.
5. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем. – В 2 кн. Пер. с франц. –
М.: Мир, 1992.
6. Шварцбург Л.Э. Информационно-измерительные системы приводов
металлорежущих станков. – М.: Изд-во «Станкин», 1991. – 181 с.
7. Миесниеце С.Б. Датчики схем автоматического управления: Учеб.
пособие. – Рига: РПИ, 1981.
8. Трофимов А.И. Измерительные преобразователи механических вели-
чин: Учеб. пособие. – Томск: ТПИ, 1979.
9. Волосов С.С., Педь Е.И. Приборы для автоматического контроля раз-
меров в машиностроении. – М.: Изд-во стандартов, 1975. – 311 с.
10. Приборы и средства автоматизации: Отраслевой каталог. – М.: Ин-
формприбор, 1993.
11. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики: Пер. с яп. – Л.: Энер-
гоатомиздат, 1990. – 256 с.
12. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы: Учебник. –
В 2 т. – М.: Стандарты, 1986.
13. Пашков Е.В. Электропневмоавтоматика в производственных процес-
сах: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – Севастополь: Изд-во СевНТУ,
2003. – 496 с.
68
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ................................................................................................... 3
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ .......................... 5
1.1. Основные понятия и определения (по ГОСТ 16263–70) .......... 5
1.2. Виды и методы измерения .......................................................... 8
1.2.1. Прямое и косвенное измерение ......................................... 8
1.2.2. Аналоговые и цифровые способы вывода измеритель-
ной информации.................................................................. 9
1.2.3. Методы прямых измерений ............................................... 10
1.3. Погрешности измерения ............................................................. 15
1.3.1. Погрешность представительности..................................... 15
1.3.2. Обобщенная блок-схема измерительной системы с уче-
том погрешностей ............................................................... 15
1.3.3. Статические погрешности измерения ............................... 18
1.3.4. Автоматическая коррекция погрешностей ....................... 21
1.3.5. Динамические погрешности измерения ............................ 22
1.4. Характеристики и параметры измерительных устройств ........ 23
Глава 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 27
2.1. Функциональная структурная схема измерительной системы 27
2.2. Первичное преобразование измеряемой величины .................. 29
2.2.1. Преобразователи с механическим выходным сигналом 30
2.2.2.Преобразователи с пневматическим или гидравлическим
выходным сигналом ........................................................... 31
2.2.3. Преобразователи с электрическим выходным сигналом. 36
2.2.3.1. Активные преобразователи ................................... 36
2.2.3.2. Пассивные преобразователи .................................. 41
2.2.4. Преобразователи с оптическим выходным сигналом ...... 58
2.3. Преобразование и усиление измерительной информации ....... 64
Литература ...................................................................................................... 67
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]