Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие
.pdf
121
а)
б)
Цилиндрический
электрод с
маленьким
внутренним
электродом
Рис. 13.10. Принцип функционирования датчиков уровня
Ультразвуковой метод определения уровня жидкости. Ультразвуковой
метод определения уровня жидкости применяется для измерения как дискретных, так и непрерывных значений уровня.
Принцип действия датчиков для определения дискретных уровней жидкостей заключается в том, что ультразвук в жидких средах распространяется
иначе, чем в газе. Излучатель (И) и детектор (Д) монтируются в емкости так,
что между ними образуется прямой путь волны в газе (рис. 13.11, а). Когда уровень жидкости поднимается, и она перекрывает преобразователь, ультразвуковые волны существенно поглощаются при прохождении к ранее определенной
точке переключения.
Принцип действия датчиков для определения непрерывных уровней
жидкостей основан на отражении ультразвуковых волн от поверхности жидкости (рис. 13.11, б). Импульсы излучения попадают на поверхность жидкости,
отражаются от нее и попадают в детектор. Промежуток времени между излучением и приемом импульса характеризует расстояние от поверхности жидкости
до преобразователя.
а)
б)
ИДИ
Д
Рис. 13.11. Принцип действия датчиков для определения
непрерывных уровней жидкостей
122
13.5. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Для измерения температуры наиболее часто используются резистивные
или полупроводниковые датчики, термопары. Для измерения высоких температур используются пирометры.
Полупроводниковые датчики, для линейности характеристики которых в
них используется p-n-переход в режиме прямого смещения, позволяют получить термометры для измерения температур в диапазоне от –50 до +150С.
Чтобы ослабить влияние технологического разброса величины начального значения напряжения на p-n-переходе и для увеличения коэффициента передачи чувствительного элемента, несколько p-n-переходов в чувствительном
элементе могут включаться последовательно.
В качестве резистивных датчиков температуры в промышленности широко
применяются платиновые или медные сопротивления. Наиболее широко распространенными стандартами являются стандарты, представленные в табл. 13.1.
Таблица 13.1
Стандарты сопротивлений резистивных датчиков температуры
Стандарт
R|
t = 0C
, Ом
R/C, Ом
50М
50
0,2
100М
100
0,4
50Р
50
0,2
100Р
100
0,4
Для преобразования информации от резистивных датчиков обычно используются схемы измерительных преобразователей, которые имеют компенсацию начального значения сопротивления датчика. К таким схемам относятся
мостовые или дифференциальные схемы включения. В схеме (рис. 13.12, а) в
качестве дифференциального усилителя (DA1) используют схему ОУ с высокоимпедансным входом.
Баланс моста соблюдается при Rд = Rо, т.е.
2R
3R
R1R
RRo
L
L
=
+
+
, (13.1)
где RL — сопротивление линии связи. Для получения полностью сбалансированного моста обычно R1 = R2 = R3 = Ro.
123
Влияние сопротивления линии связи RL на выходное напряжение моста
будет существенно ослаблено благодаря автоматическому перераспределению
тока I между плечами моста (I1, I2). Входное напряжение усилителя DA1 при
этом будет пропорционально изменению сопротивления датчика.
Медные датчики позволяют измерять температуру в пределах от –100 до
+200 С, платиновые — от –200 до +500 С. Для измерения температуры в более широком диапазоне используются датчики на основе термопар. Учитывая, что термо-ЭДС пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев датчика, при построении приборов необходимо компенсировать температуру холодного спая, для чего могут использоваться медные или
полупроводниковые измерители температуры холодного спая. Такие типы датчиков (рис. 13.12, б) позволяют измерять температуры до 1 000 С.
DA1
R1
R2
+
Rд
R3
I1I2I
E
1
2
3
а)
Cr
100А
Co
100
0,2 %
100
Cu
5K1
30K
39K
2 %
1 %
AD620
+3…5В
0,018/С
б)
IEF10
Рис. 13.12. Схемы измерительных преобразователей информации
от резистивных датчиков
124
14. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ
Термин «интеллектуальные» относится к измерительным преобразователям с подключенной системой датчиков, которые способны выполнять одну из
перечисленных ниже функций.
Функции интеллектуальных датчиков:
1) расширение динамического диапазона преобразования измеряемой ве-
личины за счет автоматического выбора предела измерения;
2) возможность согласования измерительного преобразователя с системой
разнородных чувствительных элементов для создания первичного измерительного комплекса;
3) оптимизация потока измерительной информации, передаваемой по ли-
нии связи, за счет использования алгоритмов сжатия и блокирования измерительного процесса;
4) первичная обработка измерительной информации в виде применения
фильтрующих алгоритмов или алгоритмов быстрого преобразования Фурье63.
Автоматический выбор пределов измерения. Автоматический выбор
пределов измерения используется в настоящее время в большинстве измерительных приборов.
R
10R
100R
uВХ > 0
DA1
&
&
u
ВЫХ
- 0,1u
0
- u
0
ГОЧ
СТ
+1
-1
DC
20 = 1
21 = 2
22 = 4
R
R1
R1
К1
К2
К3
Рис. 14.1. Усилитель с переменным коэффициентом
63
Калиниченко А.В., Уваров Н.В., Дойников В.В. Справочник инженера по контрольно-измерительным
приборам и автоматике: учеб.-практ. пособие / под ред. А.В. Калиниченко. М.: Инфра-Инженерия, 2008.
125
Усилитель с переменным коэффициентом (рис. 14.1) передачи собран на
микросхеме DA1. Изменение коэффициента осуществляется ступенчато с декадным шагом при помощи прецизионных декадно взвешенных резисторов и
идеализированных ключей. В качестве идеализированных ключей обычно применяются герконовые реле, имеющие повышенный ресурс срабатываний.
Напряжение с выхода усилителя DA1 подано на пару компараторов с различными пороговыми напряжениями. Значения пороговых напряжений определяют диапазон удержания выходного напряжения усилителя DA1 и могут быть
выбраны в соответствии с двоичным или декадным законами. Выходные
напряжения компараторов управляют состоянием счетчика, причем изменение
состояния тактируется генератором опорной частоты.
Если выходное напряжение усилителя лежит в диапазоне между опорными напряжениями, то состояние счетчика неизменно, происходят измерения на
выбранном диапазоне.
Если выходное напряжение усилителя больше большего опорного напряжения (u
ВЫХ
> –0,1u0), то состояние счетчика увеличивается, увеличивая коэф-
фициент усиления.
Если выходное напряжение усилителя меньше меньшего опорного
напряжения (u
ВЫХ
< –u0), то состояние счетчика уменьшается, уменьшая коэф-
фициент усиления.
Информация о текущем состоянии управляемого делителя напряжения
может быть получена в двоичном виде с выхода счетчика или в позиционном
коде с выхода дешифратора. Тактирование режима переключения состояния
счетчика позволяет избавиться от помех, вызванных процессами установления
напряжений на выходах усилителя и компараторов.
Блокирование измерительного процесса. При проведении измерений в
динамической системе существуют такие интервалы времени, когда значения
входного измеряемого параметра остаются неизменными. Поэтому интеллектуальные датчики, как правило, имеют схему, регистрирующую отличия текущего отсчета от предыдущего (предыдущих). Если отличия в измеренных данных
невелики (единицы младших разрядов), то информация в ОЗУ датчика не обновляется.
Согласование измерительного преобразователя с различными чувствительными элементами. При установке измерительного преобразователя
в непосредственной близости от объекта измерения, в котором контролируются
несколько разнородных параметров (давление, температура и т.д.), функции
преобразования этих параметров в нормализованный измерительный сигнал
126
могут возложены на один преобразователь (ИП). При этом на входе преобразователя устанавливается коммутатор (К) и совокупность первичных преобразователей информации (ПИПn) от датчиков в нормализованные электрические
сигналы, пригодные для дальнейшего использования (рис. 14.2).
Д1
ПИП1
Д2
ПИП2
Дn
ПИПn
К
ИП
ЛС
Рис. 14.2. Схема установки измерительного преобразователя
Противошумовая обработка64. При измерении параметров реальных
технологических процессов в измерительных сигналах неминуемо присутствуют шумы, которые загружают линии связи и снижают достоверность измерительной информации. Для борьбы с шумами в схемы измерения могут вставляться противошумовые процессоры. Которые представляют собой фильтры с
адаптивно изменяемой полосой пропускания.
Шумовая ЭДС (в В) может быть вычислена по формуле:
( )
Rff13,0е
2
HBШ
−=
, (14.1)
где fB, fH — соответственно верхняя и нижняя заданные частоты в кГц; R — сопротивление цепи в кОм.
Отношение номинального уровня сигнала Us к уровню шумового напряжения Un получило название сигнал-шум:
Н = Us / Un. (14.2)
Любое устройство для обработки сигнала характеризуется коэффициен-
том шума:
F = H1 / H2, (14.3)
64
URL: https://myrepititor.ru/sau/intelligent-sensors/protivoshumovaya-obrabotka (дата обращения:
12.08.2025).
127
т.е. F показывает, во сколько раз увеличивается уровень шумов в сигнале. Иногда F выражается в дБ.
При построении тракта передачи измерительной информации из разнородных блоков (рис. 14.3), которые характеризуются своими значениями коэффициента шума и коэффициента передачи по мощности сигнала.
Д1
F1
Kp1F2Kp2FnKpn
Рис. 14.3. Тракт передачи измерительной информации
Результирующее значение сигнал-шум:
...
3Kp2Kp1Kp
1F
2Kp1Kp
1F
1Kp
1F
HH
3
21
1
−
−
−
−
−
−
−=
. (14.4)
Для улучшения соотношения сигнал-шум усилительный элемент должен
быть установлен в тракте передачи сигнала в непосредственной близости от
чувствительного элемента (датчика).
128
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бриндли, К. Измерительные преобразователи: справочное пособие /
К. Бриндли ; пер. с англ. — Москва : Энергоатомиздат, 1991.
2. Гаджиев, Х.М. Эффективные решения для системы электроснабжения
микроспутника / Х.М. Гаджиев, С.М. Гаджиева, Т.А. Челушкина. — Махачкала,
2019.
3. Гальперин, М.В. Электротехника и электроника : учебник / М.В. Галь-
перин. — Москва : Форум, 2016. — 48 c.
4. Гололобов, В.Н. Электроника для любознательных / В.Н. Гололобов. —
Санкт-Петербург : Наука и техника, 2018. — 320 c.
5. Григорьев, А.Д. Микроволновая электроника : учебник / А.Д. Григорь-
ев, В.А. Иванов, С.И. Молоковский. — Санкт-Петербург : Лань, 2016. — 432 c.
6. Гудцов, В.Н. Современный легковой автомобиль. Экология. Экономич-
ность. Электроника. Эргономика (Тенденции и перспективы) : учебное пособие /
В.Н. Гудцов. — Москва : КноРус, 2018. — 256 c.
7. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцессорная техника (для бакалавров) /
В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. — Москва : КноРус, 2015. — 1247 c.
8. Ермуратский, П. Электротехника и электроника / П. Ермуратский,
Г. Лычкина. — Москва : ДМК, 2015. — 416 c.
9. Жаворонков, М.А. Электротехника и электроника : учебное пособие /
М.А. Жаворонков. — Москва : Academia, 2017. — 398 c.
10. Калиниченко, А.В. Справочник инженера по контрольно-
измерительным приборам и автоматике : учеб.-практ. пособие / А.В. Калиниченко, Н.В. Уваров, В.В. Дойников. – Москва : Инфра-Инженерия, 2008.
11. Поляков, В.Е. Основы проектирования приборов и систем. Первичные
преобразователи измерительных приборов : учебное пособие / В.Е. Поляков. —
Санкт-Петербург, 2013.
ИНТЕРНЕТ-ИСТОЧНИКИ
URL: https://myrepititor.ru/.
URL: https://lektsiopedia.org/.
URL: https://tech-school.info/.
URL: https://baumanka.pashinin.com/IU1/sem10/Управляющие%20ЭВМ%2
0и%20комплексы%20 (Суханов)/_3_2011.pdf.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]