Архив ZIP - WinRAR / 11-20 ответы ТЗА

11.Підключення споживачів до джерела напруги, струму та комбіноване підключення

12.Призначення ДСП

13.Класифікація вимірювальних перетворювачів

14.Резистивні ВП. Області застосування характеристики сучасних резистивних перетворювачів

15.Тензорезистивні датчики. Принцип дії, основні співвідношення та конструкція. Області застосування. Особливості тензодатчиків в інтегральному виконанні

16.Терморезистори. Основні типи металевих терморезисторів та їхні характеристики. Напівпровідникові терморезистори та вимірювальні схеми на їх основі

17.Основні схеми підключення терморезисторів. Термоперетворювачі опору з уніфікованими вихідними сигналами

18.Термоелектричні вимірювальні перетворювачі. Фізичні основи роботи. Підключення до вторинного приладу. Закони термопари

19.Порівняти між собою термоелектричні і терморезистивні вимірювачі температури

20.Ємнісні датчики. Принципи дії, основні співвідношення, області застосування та підключення до вторинних приладів. Ємнісні датчики для вимірювання вологості

11.Підключення споживачів до джерела напруги, струму та комбіноване підключення

Підключення до джерела напруги.

Схема підключення в цьому випадку виглядає наступним чином, рис. 4.6:

Рис. 4.6. Підключення кількох споживачів до джерела сигналу.

Споживачі С1, С2,…,СN підключені до джерела напруги паралельно. Кількість споживачів обмежена умовою: загальний сумарний опір, з'єднаних паралельно споживачів, не повинне бути менше опору, що дає граничну похибку при передачі сигналу.

Дозволяє підключати в паралель велику кількість приймачів (П), що живляться від одного джерела живлення або приймачів з єдиною сигнальною землею, що спрощує, забезпечення надійності передачі сигналу без застосування додаткових технічних засобів.

Переваги:

Можливість підключення великої кількості споживачів з високим вхідним опором; Можливість застосування загальної землі й одного джерела живлення; Простота схеми, і не потрібно ніяких додаткових умов.

Підключення до джерела струму

Схема підключення наведена на рис. 4.7:

ВП – вимірювальний перетворювач, який є джерелом сигналу; ДЖ – джерело електроживлення;

П1, П2,…,ПN – приймачі.

Рис. 4.7 Послідовне підключення споживачів до джерела сигналу. Оскільки приймачі включаються послідовно, те в кожного є своя сигнальна земля.

Отже, кола приймачів, крім сигнального, повинні бути гальванічно розв'язані. У кожного приймача повинен бути свій ізольоване від інших вторинне джерело живлення.

У випадку виходу з ладу, або відключення якого-небудь приймача для запобігання роз’єднанню лінії зв’язку паралельно кожному приймачу сигналу увімкнено стабілітрон. Напруга стабілізації стабілітрона не повинна бути меншою за максимальний спад напруги на приймачі. UCT≥ UП.

Загальне число приймачів обмежено умовою: сума падінь напруг на приймачах і на ВП повинне бути менше напруги живлення лінії зв'язку.

Комбіновані лінії зв'язку.

Схема підключення наведена на рис. 4.7:

Рис. 4.7. Комбіноване підключення приймачів до вимірювального перетворювача.

У даній схемі інформаційний сигнал струму на резисторі RН, перетворюється в сигнал напруги, який подається на паралельно з’єднані приймачі П1…ПN. Сумарний опір приймачів сигналу повинен значно перевищувати опір Rн.

Комбінована лінія зв'язку завдяки використанню струмового сигналу має високий рівень захисту від електромагнітних перешкод забезпечує передачу сигналу на великі відстані. Водночас паралельне підключення приймачів дозволяє використовувати одне джерело живлення.

12. Призначення ДСП

Державна Система промислових приладів і засобів автоматизації (ДСП)

Наприкінці 50-х років у СРСР була сформульована проблема створення єдиної для всієї країни Державної Системи промислових Приладів і засобів автоматизації (ДСП) –, що представляє раціонально організовану сукупність приладів і пристроїв, які задовольняють принципам типізації, уніфікації, агрегатування, і призначених для побудови автоматизованих систем виміру, контролю, регулювання й керування технологічними процесами в різних галузях промисловості.

Державна система промислових приладів і засобів автоматизації заснована на стандартних внутрішніх і зовнішніх зв'язках, раціональній структурі й конструктивних формах у модульно-блоковій побудові її функціональних пристроїв і передбачає їхнє агрегатування в комплексах вимірювальної, обчислювальної, аналітичної й інших видів техніки для побудови систем інформації, контролю, регулювання й управління.

Технічні засоби автоматизації є невід'ємною частиною державної системи промислових приладів (ДСП) і являють собою основу при реалізації інформаційно-

керуючих систем у промисловій і непромислової сферах виробництва. Принципи організації ДСП значною мірою визначають зміст етапу проектування технічного забезпечення автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУ ТП). У свою чергу, основу ДСП становлять проблемно-орієнтовані агрегатні комплекси технічних засобів.

13. Класифікація вимірювальних перетворювачів

За принципом дії всі ВП підрозділяються на наступні групи:

Резистивні вимірювальні перетворювачі. Ці ВП поділяються на реостатні й тензочутливі.

Робота резистивних ВП заснована на зміні електричного опору залежно від переміщення движка по електричному провіднику (реостатні перетворювачі) або від механічної деформації провідника або напівпровідника (тензометричні ВП).

Резистивні ВП застосовуються для вимірювання переміщень, а також величин, які можуть бути перетворені в лінійне й кутове переміщення тіл, а саме: тисків, сил, обертових моментів, рівня рідин, прискорень і т.д.

Електромагнітні вимірювальні перетворювачі. Вони підрозділяються на індуктивні,

взаємоіндуктивні, магнітопружні й індукційні.

Індуктивні й взаємоіндуктивні ВП являють собою котушку індуктивності або взаємної індуктивності, параметри якої змінюються під впливом вимірюваної величини. Магнітопружні ВП являють собою різновид індуктивних ВП із замкненим магнітопроводом, а індукційні ВП– котушку, у якій наводиться е.р. с. при її переміщенні в постійному магнітному полі.

Електромагнітні ВП застосовуються для вимірювання швидкості, лінійного й кутового переміщення, а також тих величин, які можуть бути перетворені в переміщення.

Електростатичні вимірювальні перетворювачі. Вони підрозділяються на ємнісні й п'єзоелектричні.

До ємнісних належать ВП, у яких електрична ємність або діелектричні втрати в ній змінюються під дією вимірюваної величини. Робота п'єзоелектричних ВП заснована на п'єзоелектричному ефекті, тобто виникненні е.р. с. у деяких кристалах під впливом механічних сил.

Електростатичні ВП застосовуються для вимірювання сили, тиску, переміщення й кількості речовини.

Теплові вимірювальні перетворювачі. Їхня дія заснована на теплових процесах – при нагріванні, охолодженні, теплообміні, тощо.

Теплові ВП підрозділяються на терморезистори й термоелектричні ВП. У терморезисторах використовується залежність опору провідника або напівпровідника від температури. Дія термоелектричних ВП засноване на виникненні е.р. с. при нагріванні або охолодженні спаю двох різнорідні провідників.

Теплові ВП застосовуються переважно для вимірювання температури, а також швидкості й витрати рідких і газоподібних речовин, малих концентрацій газів (вакуум), вологості, переміщення, розмірів і навіть для хімічного аналізу газових сумішей.

Електрохімічні вимірювальні перетворювачі. Дія цих ВП засноване на явищах, що виникають при проходженні електричного струму через електролітичне гніздо або внаслідок окисно-відновних процесів, що відбуваються на електродах. Вони застосовуються для

визначення складу й концентрації розчинів, а також для вимірювання переміщення, тиску й кількості електрики.

Іонізаційні вимірювальні перетворювачі. Їхня робота заснована на явищах іонізації газу при проходженні через нього іонізуючого випромінювання або люмінесценції (світіння) деяких речовин під дією іонізуючого випромінювання. Іонізаційні ВП застосовуються для вимірювання густини й складу газу, геометричних розмірів виробів, тощо.

Фотоелектричні вимірювальні перетворювачі. Основою їх дії є залежність фотоструму від світлового потоку, який, у свою чергу, залежить від вимірюваної величини. Область їх застосування – вимірювання прозорості рідини, газового середовища, температури, лінійних розмірів тіл, швидкості їх переміщень і т.д.

Перетворювачі магнітного поля (ПМП) забезпечують перетворення магнітного потоку в електричний сигнал. Датчики на основі ПМП застосовують у пристроях, робота яких заснована на взаємодії із магнытним полем або ж останнє використовується в якості керуючого середовища. При створенні ПМП використовують різні фізичні явища, що виникають у напівпровідниках і металах при взаємодії з магнітним полем. Ці явища, відомі як ефекти Холла й Гаусса, використовують у датчиках Холла, магніторезисторах, магнітодиодах, магнітотранзисторах, магнітотиристорах, тощо. Перераховані ПМП використовують для:

1)індикації магнітної індукції в складі безконтактних реле, клавішах, комутаторах, індикаторах положення об'єктів, що переміщаються, перетворювачах кут – код і т.д.;

2)вимірювання магнітної індукції. У цьому випадку вихідний сигнал ПМП повинен бути пропорційним значенню магнітної індукції, що характерно для елементів Холла, магніторезисторів і магніторекомбінаційних перетворювачів (ГМРП). До цієї групи пристроїв відносяться вимірювачі напруженості магнітних полів, вимірювачі електричних струмів і напруг, вимірювачі переміщень, пристрої для магнітодефектоскопії магнітофонні головки, тощо;

3)аналогового перемножування двох електричних сигналів при побудові вимірювачів електричної потужності й енергії, математичних блоків, змішувачів і перетворювачів частот і ін.

За родом вихідної електричної величини ВП підрозділяються на параметричні й генераторні. Якщо вхідна неелектрична величина перетворюється в один з параметрів електричного кола R, L або C, то ВП називається параметричним, якщо неелектрична величина перетвориться в е.р.с., то ВПназивається генераторним.

До генераторних ВП належать індукційні, п'єзоелектричні, термоелектричні й деякі різновиди електрохімічних ВП. Інші ВП є параметричними.

Розглянемо принцип дії й основні властивості найпоширеніших ВП.

14. Резистивні ВП. Області застосування характеристики сучасних резистивних перетворювачів

Резистивні (реостатні) вимірювальні перетворювачі. Реостатний ВП являє собою в найпростішому випадку реостат, щітка (движок) якого переміщається під впливом вимірюваної неелектричної величини (мал. 8.1). Перетворювач складається з обмотки, нанесеної на каркас, і щітки. Форма каркаса залежить від характеру вимірюваного переміщення (лінійне або кутове) і від виду функції перетворення (лінійна, нелінійна) і може мати вигляд циліндра, тора, призми і т.д. Для виготовлення каркасів застосовуються діелектрики (гетинакс, пластмаса, кераміка) і метали (дюралюміній з анодируваною поверхнею), покриті ізоляційним лаком.

Рис. 5.1. Пристрій реостатного перетворювача для вимірювання кутових переміщень.

Рис. 5.4. Устрій дротового тензорезистора

До матеріалу дроту з якого виготовлено тензорезистор висуваються наступні вимого: якомога більше значення k, малий температурний коефіцієнт опору (ТКО), високий питомий електричний опір.

Для виготовлення тензоперетворювачів застосовується головним чином дріт діаметром 0,02 – 0,05 мм із константану, що має коефіцієнт k = 1,9 – 2,1.

У фольгових тензоперетворювачів чутливий елемент отримують шляхом травлення фольги, одна сторона якої покрита лаком або клеєм. рис. 8.4.

Рис. 5.5. Контур ґрат фольгового тензорезистора

Фольгові тензоперетворювачі допускають більшу потужність розсіювання, тому що метал тензоперетворювача має добрий тепловий контакт із об'єктом.

Останнім часом промисловістю випускаються також тензоперетворювачі з монокристалів напівпровідників – кремнію, германія, арсеніду галію й ін. Ці тензоперетворювачі мають велике значення коефіцієнта k ( від –200 до +850). Однак вони мають низьку механічну міцність і погану відтворюваність характеристик.

Для вимірювання опору тензопперетворювачів у переважній більшості випадків застосовують неврівноважені мостові кола з живленням постійним або змінним струмом. Перевага віддається колам з диференціальним включенням тензоперетворювачів, у яких один тензорезистор випробовує деформацію розтягання, а другий, включений у суміжне плече моста, деформацію стиснення. При такому включенні практично виключається температурна похибка і вдвічі збільшується чутливість.

Завдання з підключення кількох датчиків і їх одночасній оцінці вирішують часто. Прикладом може служити зважування резервуара, який стоїть на трьох опорах, і під кожною опорою розміщено один датчик. У цьому випадку датчики підключаються паралельно. Необхідно, однак, звернути увагу на дві умови:

•Усі датчики повинні мати однакову чутливість.

•Перетворювач або електричний прилад, до яких підключають датчик, повинні забезпечувати достатній струм.

Стандартний тензометричний датчик має опір 350Ом, при паралельному підключенні трьох датчиків опір буде 1170м. При живленні напругою 10 В у датчику тече струм близько 85 мА. При паралельному підключенні датчиків загальне навантаження підсумовується, а вихідний сигнал зберігається. Наприклад, якщо кожний датчик має діапазон вимірювання 100

Н,а чутливість — 2 мВ/В, те загальна система буде мати діапазон вимірювання 300 Н,а чутливість залишається на рівні 2мВ/В.

Деякі сучасні тензодатчики для вимірювання зусиль або тиску виконуються в інтегральному виконанні разом з підсилювачем та перетворювачем сигналу рис.5.6.

Рис.5.6. Структура перетворювача EMS150 фірми EMSYST. Тензодатчики для вимірювання зусиль практично витіснили датчики інших типів.

Простота і надійність конструкції дозволяє проектувати датчики із максимальним навантаженням до 500 тон (AnyLoad 106BH).

Останнім часом набули поширення тензодатчики в інтегральному виконанні. Таким є, наприклад інтегральний датчик Motorola MPX5000, рис. 5.7.

Рис. 5.7. Загальний вигляд датчиків тиску сімейства MPX5000 а). носій базового кристала (корпус 867-04)

б). датчик диференціального тиску з вхідними портами (корпус 867С-03) Основними особливостями цих датчиків є.

•базовий елемент — тензодатчик (X-duser{TM});

•вбудована схема нормалізації сигналу, що забезпечує вихідну напругу в межах від 0,2 до 4,7 В;

•наявність вбудованого калібрування;

•термокомпенсація в діапазоні температур від О до 85°С:

•зручне спряження з мікропроцесорними (мікроконтролернимі) системами;

•можливість реалізації уніполярної або диференціальної конфігурації;

•міцний епоксидний корпус;

•стандартна напруга живлення 5 В;

•мале споживання струму 7 мА (типове);

•наявність типового зсуву вихідного сигналу 0,2 В;

•невеликий час відгуку 1,0 мс;

•висока точність вимірювань;

•мала вага базового елемента 4 г;

•широкий діапазон робочих температур і температур зберігання.

Датчики цієї серії можуть вимірювати тиск від 0 до 10000 кПа. Абсолютний тиск вимірюється відносно вакууму у вбудованій в кристалі датчика порожнині. Диференціальний тиск вимірюється шляхом подачі тиску з протилежних сторін чутливого елемента датчика.

16. Терморезистори. Основні типи металевих терморезисторів та їхні характеристики.

Напівпровідникові терморезистори та вимірювальні схеми на їх основі.

Терморезистором називається провідник або напівпровідник з великим температурним коефіцієнтом опору, що перебуває в теплообміні з навколишнім середовищем, внаслідок чого його опір сильно залежить від температури навколишнього середовища.

До матеріалів терморезисторів висуваються наступні вимоги: якомога більші і сталі значення температурного коефіцієнта опору; хімічна стійкість до впливу навколишнього середовища; достатня тугоплавкість і міцність; великий питомий електричний опір, що важливо при виготовленні малогабаритних терморезисторів.

Терморезистори поділяються на провідникові й напівпровідникові.

Провідникові терморезистори. Найпоширеніші терморезисторы, виконані з мідного, платинового й нікелевого дроту. Характеристики основних типів термоопорів наведені в табл.

5.1

Парметр W100 – це віношення опору терморезистора при температурі 1000 С до опору при температурі 00 С.

Мідні терморезистори. Електролітична мідь допускає нагрівання не більш ніж 200 0С ( щоб уникнути окислювання). Рівняння перетворення мідних терморезисторів у діапазоні температур від –200 до +200 0С практично лінійне

RΘ R0 (1 αθ) ,

де α - температурний коефіцієнт електричного опору, рівний 4,2510 31/ 0 С; -

температура, 0С; R0 – опір при 0 0С.

Платинові терморезистори. Платина допускає нагрівання до 1200 0С без небезпеки окислювання або розплавлювання. Залежність опору платіни від температури нелінійна й має вигляд:

в інтервалі температур від 0 до +660 0С

R R0 (1 А В 2 );

в інтервалі температур від 0 до –180 0С,

R R0 1 А В 2 С( 100)3 ,

де R0 – опір при 0 оС; А, В, З – постійні.

Нелінійність рівняння перетворення й висока вартість платіни є основними недоліками платинових терморезисторів. Однак висока відтворюваність залежності R F ( ), хімічна

стійкість і пластичність платіни, що дозволяє виготовляти дуже тонкі нитки ( до 1 мкм), роблять її в ряді випадків незамінною. Платину не можна застосовувати в середовищі, що відновлює (вуглеці, водні, парах кремнію, калію, натрію й ін.). Похибка від нестабільності платинового терморезистора становить клька тисячних відсотка.

Нікелеві терморезистори. Нікель застосовується до температур 250-300 оС. При більш високих температурах залежність R F ( ) неоднозначна. В інтервалі температур від 0 до

100 ос рівняння перетворення практично лінійно, причому α 5 10 31/ о С. Основні переваги нікелю – високий питомий електричний опір, що 5 раз більше, аніж в міді і великий температурний коефіцієнт опору.

Напівпровідникові терморезистори (термістори). Температурний коефіцієнт у напівпровідникових терморезисторів зазвичай негативний і в 8 – 10 разів більший, аніж в металів. Крім того, напівпровідникові терморезистори мають значно більший питомий електричний опір. У зв'язку із цим вони можуть мати малі розміри при великому номінальному опорі ( до 10 Мом) і, отже, низьку інерцію, обумовлени малою масою перетворювача. Робочий інтервал температур у більшості напівпровідникових терморезисторів від –100 до 300 оС. Недоліками напівпровідникових терморезисторів є погана відтворюваність характеристик і нелінійний характер функції перетворення:

R Ae В / К ,

де R - опір термістора; А и В – коефіцієнти; К – абсолютна температура.

Металеві терморезистори, призначені для вимірювання температури, являють собою тонкий голий металевий дріт, намотаний на каркас із діелектричного матеріалу (слюди або кераміки), який знаходиться у захисному кожусі. Оскільки струм, що проходить через терморезистор нагріває його, то цей нагрів повинен бути мінімальним: не більш 0,2 оС для платинових і 0,4 оС для мідних.

Номінальні опори ( при 0 ос) платинових стандартних терморезисторів рівні 1; 5; 10; 46; 50; 100 і 500 Ом, мідних стандартних терморезисторів 10; 50; 53 і 100 Ом ( ДЕРЖСТАНДАРТ

6651-78).

Робочий струм металевих терморезисторів, як правило, не повинен перевищувати 10 – 15 мА, а напівпровідникових – часток міліампера.

Час установлення температури терморезистора визначається його інерційністю. Під інерційністю теплових ВП розуміється час входження ВП у клас точності при зміні вхідного сигналу стрибком від 0 до 100 %. Інерційність терморезисторів перебуває в межах від декількох десятків секунд до декількох хвилин.

При вимірюванні температури термометрами опору необхідно виміряти опір терморезистора, який підключається до приладу з’єднувальними проводами. Тому опір, підключене до вимірювального приладу, являє собою суму опорів терморезистора й мідних з’єднувальних проводів.

Щоб мінімізувати вплив додаткового опору застосовується двох-, трьох- і четырехпроводная схема підключення термометрів опору до вимірювального приладу (рис.

5.8).

Інша особливість, яка має місце при вимірюванні опору термометра, полягає в тому, що для вимірювання опору по терморезистору повинен протікати струм, при цьому виділяється теплота, яка нагріває термометр і викликає відповідну зміну його опору.

Рис. 5.8 Схеми підключення термоопорів.

Терморезистор разом з вимірювальним пристроєм являє собою термометр опору. Для виміру опору терморезистора використовуються головним чином мостові схеми (рис. 5.7) у складі автоматичних врівноважувальних мостів.

Робота трипровідної схеми вимірювання заснована на використанні схеми врівноваженого вимірювального моста (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Трипровідна схема підключення термоопору.

Для врівноваженого моста справедливо співвідношення:

З якого:

Прийнявши r1 = r2 = r отримаємо:

При R2 = R4, умова балансу R1 = R3, і врівноваження моста досягається регулюванням R3, або введенням додаткового резистора у вимірювальне коло.

Найбільшу точність вимірювання температури забезпечує чотирьохпровідна схема підключення (рис. 5.10).