поля і хвилі до модуля / Lection / Загальні принципи роботи вимірювальних перетворювачів

Загальні принципи роботи вимірювальних перетворювачів

      У точному значенні слова вимірювальний перетворювач є приладом, який перетворить зміну однієї величини в зміну інший. В термінах електроніки вимірювальний перетворювач визначається зазвичай як прилад, що перетворює неелектричну фізичну величину (звану вимірюваною фізичною величиною) в електричний cигнал, або навпаки. Є, звичайно, і виключення з цього правила.

      Звідси витікає, що вимірювальні перетворювачі використовуються в електронних системах, тобто в технічних пристроях с. електричним сигналом, що відображує результат вимірів або спостережень. З іншого боку, вимірювальний перетворювач може бути використаний на виході системи, щоб, скажімо, генерувати механічний рух залежно від електричного сигналу, що управляє. Прикладом реалізації перетворювачів є система, в якій мікрофон (вхідний перетворювач) перетворює звук (вимірювану фізичну величину) на електричний сигнал. Останній посилюється, а потім поступає на гучномовець (вихідний перетворювач), відтворюючий звук істотно гучніший, ніж той, який сприймається мікрофоном.

      Досить часто вимірювана величина згідно з її визначенням просто вимірюється електронною системою, а отриманий результат тільки відображується або запам'ятовується. Проте в деяких випадках виміри утворюють вхідний сигнал схеми, що управляє, яка служить або для регулювання вимірюваної величини відносно деякого заздалегідь встановленого рівня, або для управління змінною величиною відповідно до вимірюваної. Незважаючи на очевидне часткове дублювання вимірювальних перетворювачів в цих двох прикладах, прийнято розрізняти ці області  використання перетворювачів, називаючи їх відповідно контрольно-вимірювальне   устаткування   і   таке, що управляє.

      У свою чергу, ці дві області підрозділяються на телеметричне контрольно-вимірювальне устаткування (у якому вимірювальні системи використовуються спільно з радіолініями, зв'язки між перетворювачем і пристроями відображення інформації), хімічний аналіз (при якому система використовується для того, щоб визначити і відобразити відносний зміст тих, що становлять суміш речовин), процес керування (у якому виробничий процес, наприклад прокат стали, контролюється і управляється) і так далі

      Розглядаючи структурні схеми контрольно-вимірювальною і такою, що управляє систем слід зупинитися на наступних головних моментах. 

      Вимірювана величина - це фізична величина, що підлягає виміру, наприклад: прискорення, переміщення, сила, витрата, рівень, положення, тиск, механічна напруга, температура, швидкість і тому подібне. В деяких випадках вимірюваною може бути і електрична величина, така, як струм, напруга або частота, яка перетвориться в електричний сигнал, придатний для використання в інших частинах системи. При цьому вимірювальний перетворювач є електричним перетворюючим елементом.

      Вхідний перетворювач, що перетворює вимірювану величину в електричний сигнал, - це прилад, придатний для використання в інших частинах системи. Правда, хоча вхідні перетворювачі генерують електричний вихід, існують, проте, серед них і такі, які мають іншу природу вихідного сигналу, наприклад тиск повітря, але таких перетворювачів небагато.  Перетворювачі з неелектричним виходом застосовуються як чутливі елементи вимірювальних перетворювачів або служать для перетворення неелектричного сигналу на електричний. Усі функції перетворювачів є аналоговими, тому в загальному випадку (за деякими виключеннями) їх сигнали також аналогові.

      Лінії зв'язку - це лінії між вхідним перетворювачем і іншою частиною системи. Таких ліній в строгому сенсі може іноді і не бути, якщо, скажімо, вхідний  перетворювач розміщується в декількох сантиметрах від іншої частини системи. Якщо ж він розташовується на іншій відстані від системи, то мають бути зроблені кроки до того, щоб лінії зв'язку не впливали або слабо впливали на ефективність роботи системи.

      Там, де в системі є істотні лінії зв'язку, вимагається один або більш за каскади сполучення сигналів, щоб малий вихідний сигнал вхідного перетворювача посилити, піддати аналого-цифровому перетворенню, фільтрації, модуляції і тому подібне. Це необхідно для того, щоб інформація, що видається первинним перетворювачем, не втрачалася при передачі її до інших частин системи. Такі каскади можуть включати і схеми обробки сигналу, в яких що містяться в сигналі вхідного перетворювача дані піддаються цифровій обробці, а результуючий сигнал або результати обчислень можуть бути відображений на дисплеї, запам'ятали або використані в цілях управління. Сполучення сигналів може здійснюватися в декількох точках системи.

      В деяких випадках досить складно зробити ув'язнення про те, де в системі аналогові сигнали перетворювачів стають даними. Тому часто неможливо розрізняти каскади формування аналогового сигналу і обробки даних. На щастя, ця відмінність є досить значною.

      Прилади, що відображують або запам'ятовують, - це прилади, які відображають поточне значення вимірюваної величини для зручності роботи оператора системи або запам'ятовують відповідну інформацію для її наступного використання.

      У разі системи, що управляє, застосовуються деякі види компарирующих приладів, призначених для порівняння оброблюваних даних з деякими опорними значеннями і отримання різницевого сигналу.

      Вихідний перетворювач, що працює по різницевому сигналу, використовується для управління вимірюваною величиною.

      Безумовно, наведені приклади систем містять не усі типи каскадів формування і обробки сигналів і не відбивають усіх режимів роботи контрольно-вимірювальних систем, що управляють.

      Взагалі кажучи, принципи роботи вхідних і вихідних перетворювачів досить прості. Звичайно, режими їх роботи істотно відрізняються один від одного - вхідні перетворювачі зазвичай використовуються для перетворення змін вимірюваної величини в слабкий електричний сигнал, а вихідні перетворювачі перетворять потужний сигнал в сильне переміщення. З цієї причини слід розглядати два різні типи приладів.

 У кожному перетворювачі, перетворюючий елемент заснований на певному фізичному принципі, який пов'язаний з електричними характеристиками пристрою так, що зміна вимірюваної величини спричиняє за собою зміну цих характеристик. Зміни в електричних характеристиках створює електричний сигнал, залежний від вимірюваної величини. 

   Хоча на ринку продаються тисячі вимірювальних перетворювачів, принципів дії, на яких вони засновані, існує відносно небагато. Тому можна розглянути ці принципи досить детально. Усі використовувані в перетворювачах основні принципи можна об'єднати в категорії, які описані нижче.

Перетворювачі ємностей

   Перетворюючі елементи ємностей перетворюють зміни вимірюваної величини на зміни ємності. Конденсатор формується з двох пластинів, розділених шаром діелектрика, а його ємність визначається з наступного вираження:

                       C = εоεS/x

Де  εо - електрична постійна, ε - діелектрична проникність  діелектрика;

S - площа поверхні кожної пластини; х - відстань між пластинами.

 Одним з принципів місткостей перетворення, що вимагає спеціального розгляду, є п'єзоелектричний ефект (мал. 2), при якому зміна

                                                                                        Мал. 2. П'єзоелектричний перетворювач

вимірюваної величини перетворюється на зміну електростатичного заряду або напруги, що виникають в деяких матеріалах при їх механічній напрузі. Напруга зазвичай утворюється під дією сил стискування, розтягування або вигину, які є вимірюваною величиною і впливають на чутливий елемент або безпосередньо, або за допомогою деякого механічного зв'язку.

      Щоб сприйняти зміну заряду або напруги, до п'єзоелектричного матеріалу під'єднують дві металеві пластинки, які фактично утворюють пластини конденсатора, місткість якого визначається у виді

                                                                                                                                                                    C = Q/V

де Q - заряд; V - напруга.

      Як п'єзоелектричний матеріал, вживаний в конструкції такого перетворювача, використовуються: 1) природні кристали, такі, як кварц або рочеллевая сіль; 2) синтетичні кристали, наприклад сульфат літію; 3) поляризована феромагнітна кераміка, наприклад титанат барію.

Електромагнітні перетворювачі

      Електрорушійна сила (ЕРС) генерується уздовж провідника, коли його перетинає змінне магнітне поле. І, навпаки, коли провідник рухається через магнітне поле, уздовж нього генерується ЭДС (мал.3), визначувана з наступного співвідношення:

                                                                         E = - d(Nф)/dt

де d(Nф)/dt - швидкість зміни потокощеплення.

Мал. 3. Електромагнітне перетворення

Мал. 4. Індуктивне перетворення

Мал. 5. Перетворення магнітного опору, використовуване в диференціальному трансформаторі з виходом, що лінійно-змінюється

      Індуктивне перетворення показане на мал. 4, де самоіндукція котушки міняється відповідно до зміни вимірюваної величини. Зміна індуктивності може бути здійснена шляхом руху феромагнітного сердечника усередині котушки або шляхом внесення зовнішнього потоку, що змінюється, до котушки з нерухомим сердечником.

Перетворення магнітного опору показане на мал. 5, на якому ланцюжок опору між двома або більш котушками (чи окремими частинами однієї або декількох котушок) змінюється залежно від варіацій вимірюваної величини. Коли до системи котушок прикладається змінний струм, тоді, зміна вимірюваної величини трансформується в зміну вихідної напруги.

Фотоелектричні перетворювачі

      Фотоелектричними є такі первинні  вимірювальні перетворювачі, які реагують на електромагнітне випромінювання, що падає на поверхню перетворюючого елементу. Випромінювання може бути видимим, тобто   світловим, а також  мати  велику  або меншу довжину хвилі і бути невидимим. Відомі три основні типи   фотоелектричних   перетворювачів : два з них офіційно класифікуються як напівпровідникові прилади (фотоелектричні   і фотонапівпровідникові).  

Ці перетворювачі перетворюють зміну вимірюваної величини на зміну опору використовуваного матеріалу  (мал. 8). Незважаючи на те що використовувані

                                                            Мал. 8. Фотопровідне перетворення

                                Мал. 9.   Сонячний елемент як приклад фотоелектричного перетворення

матеріали є напівпровідниковими, фотоелектричні перетворювачі не завжди є напівпровідниковими приладами, оскільки вони не мають переходів між різними типами напівпровідників. Такі перетворювачі називаються пасивними, тобто потребують зовнішнього живлення. Частенько їх назва характеризує тип використовуваного перетворення, наприклад світлочутливі резистори.

      Опір матеріалу є функцією щільності основних носіїв заряду, і так як щільність збільшується із зростанням інтенсивності випромінювання, то провідність зростає. Оскільки провідність назад пропорційна опору, можна укласти, що опір є зворотною функцією інтенсивності опромінення. Значення опору при повному опроміненні складає в загальному випадку 100- 200 Ом, а в повній темряві цей опір дорівнює мегаомам. У конструкції залежних від світла резисторів найчастіше використовуються такі матеріали, як сульфід кадмію або селенід кадмію.