Измерительные системы и комплексы датчики и преобразователи

1 – измеряемая величина

2 – датчик или преобразователь

3 – измерительная схема

4 – регистрирующий прибор (ПК)

5 – анализатор

В качестве исследуемого объекта может быть почти всё, что нас окружает.

Максимальная погрешность 3%

Требования:

• высокая точность

• высокая чувствительность

• широкая полоса частот

• динамический диапазон (отношение максимального значения измеряемой величины к минимальному)

• коэффициент частотных искажений

• коэффициент нелинейных искажений

Абсолютная погрешность измерительной схемы

Относительная погрешность

Виды преобразователей:

Резистивный преобразователь

1 – балка на амортизаторах

2 – плунжер

3 – контакты

4 – резистор

5 – измерительная схема

6 – регистратор

Принцип действия – плунжер поднимается вверх и замыкает контакты. Они замыкают часть сопротивления резистора. Достоинства: простота, легко согласуется с измерительной схемой.

Недостатки –

• при быстром движении балки нарушается контакт.

• зависимость показаний прибора от температуры

• малый динамический диапазон

• малый частотный диапазон

Существуют ещё измерители сопротивлений - тензорезисторы

Электромеханические и электростатические преобразователи неэлектрических величин

Наиболее простым из электромеханических является резистивный преобразователь.

Более высокими метрологическими характеристиками является плунжер спиралька. Ось стрелки соединена с исследуемым подвижным объектом, а конец стрелки закорачивает витки спирали. Здесь измеряется сопротивление. Мостовая схема измерения, обладает минимальными погрешностями. Стараются обеспечить баланс моста.

Достоинство: меньше механических контактов, меньше уровней дискретности, простота всей измерительной схемы. Недостаток: малый динамический диапазон, слабые динамические свойства. Более совершенным является тензорезистор. На гибкую пленку приклеиваются спиральки, материал – молибден (хорошие тензосвойства, никель, вольфрам, константан, ванадий, хромель и др.; клей Тикоцкого.

коэффициент тензочувствительности )

коэффициент пуассона

Измерительная схема – мостовая.

Достоинства: простота, малые габариты, малое внутренне сопротивление, легко согласуется с схемой, слабая зависимость от температуры., полная независимость от влажности.

Недостатки: чувствительность к вибрациям.

Промышленность выпускается большое количества.

Электростатические преобразователи (емкостные)

Простейшим видом является плоскопараллельный конденсатор.

Достоинства:

• Высокая чувствительность к измеряемой исследуемой величине

• Простой преобразователь

Недостатки

• Высокая чувствительность к влияющим факторам (влажность, электрическое поле)

Поэтому все соединительные провода должны быть тщательно экранированы.

Применение дифференциальных преобразователей – между обкладкам проводят линию соединения с корпусом (заземлена)

В Дифференциальных датчиках влияющий фактор одинаково влияет на конденсаторы, стоящие в резных плечах, поэтому отклонения за счет влажности будут компенсироваться. Высокое внутренне сопротивление ёмкостного датчика достигает ГОм, что требует применения в первом каскаде усилителя, к которому подключен датчик, большое входное сопротивление, следует применять полевые транзисторы.

Пьезоэлектрические преобразователи

В основе лежит пьезоэффект. Суть – некоторые материалы, такие как кварц; сегнетова соль; турмалин; титанат бария; титанат, цирканат свинца и др. обладают следующими свойствами. Если к граням, имеющих электроды приложить силу, то на этих электродах появляется заряд. Если на электроды подать высокочастотное напряжение, о на поверхностях, перпендикулярных появятся упругие волны (ультразвук) – обратный пьезоэффект.

Кварцевые резонаторы является наиболее стабильными колебательными контурами. Кварцевый резонатор обладает эквивалентной индуктивностью. Прямой пьезоэффект – измерение. Допустимая доза УЗИ 0,3 Вт/кв. см.

Электретные преобразователи

Некоторые материалы, такие как цемент, асфальт, эбонит, титанат магния, сера, пчелиный воск, слюда, нафталин при наложении трения, на своей поверхности образуют заряды. Эти заряды могут существовать достаточно долго. Это явление стали использовать в технике. Чаще всего эбонит, титанат магния, так как их характеристики стабильны во времени. Есть естественные и искусственные материалы. Структурная схема имеет вид

E=Q/δ(C0+C1)

Q - конст

δ – зазор

С0 – емкость электрета

С1 емкость между наружными электродами

Величина напряженности главным образом зависит от зазора и емкости между электродами. Если один электрод неподвижный а второй подвижный, будет меняться зазор и С1 а С0 останется. С изменением зазора будет меняться напряженность, следовательно ЭДС.

Измерительная схема

Достоинства:

• простота

• малое внутренне сопротивление

• Легко согласуется с измерительной схемой

• не чувствительный к температуре

Недостатки

• Нестабильны во времени

Электромагнитные преобразователи

Есть несколько разновидностей.

Принцип работы. При подаче переменного напряжения появляется магнитный поток. Если к крышке приложить силу, появляется зазор. L=ω²/Rм= ω²/Rмст+Rб. Rб=б/μS,

Если на магнитопроводе 2 обмотки – они трансформаторные.

Если вторичная обмотка неподвижна, то ЭДС=0. Если второй сердечник подвижный, то там появляется взаимоиндукция то коэффициент равен ω1 ω2/Rм. Во вторичной обмотке появляется ЭДС. Движение сердечника приводит к изменения магнитного потока. С помощью такого преобразователя можно контролировать все параметры движения, скорость, ускорения, вибрации, удары, акустический шум. Такой вид преобразователей, когда в первичной обмотке постоянный ток во вторичной индуцируется называются трансформаторно индукционные, если обмотки и сердечники неподвижные, но в одном из них изменяется ЭДС и изменяется индуцированная ЭДС.

Магнитоупругие преобразователи

Сила сжимая сердечник , будет меняться средняя силовая линия lc=l0+Δc, Rм=lc/Sстμ

Термоэлектрические преобразователи

Типичным представителем является термопара. Если соединить 2 металла, обладающие разной теплоемкостями и нагреть в точке 1, то в точке 0 получим ЭДС, которая называется термоэлектрическим потенциалом (термо ЭДС). Ее величина небольшая 10-20 мВ, но вполне достаточная для измерения.

Сочетание разных материалов вызывают разную величину тремо ЭДС. Для термопар использую благородные и неблагородные металлы. Неблагородные позволяют получить термо ЭДС единицы мВ. Чаще всего имеют положительные. Все термопары работающие при температуре более 1600 градусов это металлы платиновой группы с добавлением рения. Разные количества рения (до 15 %) обеспечивают разную температуру – чем больше рения, тем больше температура. Максимальная температура, измеряемая термопарами – 1850 градусов.

Рабочий спай изолирован фарфоровыми прокладками. В отдельных случаях термоэлементы могут удлиняться под воздействием температуры. При разработке ТП большое внимание уделяется выбору элементов защитной трубы и изоляции. Это особенно важно если используется для измерения температуры газов. Арматура термопар должна обладать газонепроницаемостью, хорошо проводить тепло, механически стойкой и жаростойкой, не должна выделять газы, пары вредные для электродов. При Т<600 применяю стальные трубы, при 1100 применяют сталелегированые. Если используются благородные металлы, то применяю неметаллические – кварцевые фосфорные – они непрочные, работают 1300-1400. В качестве изоляции термоэлектродов применяют асбест – 300 градусоа, кварц – 1300. Для лабораторных условий можно использовать теплостойкую резину, эмаль, шёлк – 150, для термопар платно-родиевых применяю удлинительные элементы из меди.

Недостатком Практически всех термопар являет инерционность – время, за которое показание термопары из нормальной среды, в среду 100 покажет 97. Это время – 1-10 минут. Для уменьшения необхдимо обеспечить наилучший тепловой контакт между термопарой и средой.

Погрешности термопар.

Обусловленные изменением температуры нерабочих спаев. Наблюдается при градуировке. Градуировка осуществляется при температуре нерабочих спаев – 0. Эту температуру можно получить в ванне с тающим льдом, но этот способ не всегда можно осуществить. Используются другие с заранее известной температуры. Очень важным требование является обеспечение стабильности нерабочего спая. Простейшим устройством является масивная коробка с тепловой изоляцией. Такая коробка обладает тепловой инерцией.

Кроме погрешности градуировки, наблюдается погрешность, обусловленная температурой линии, приборы не рассчитаны на работу таких. Для уменьшения используют различные типы компенсаторов, которые изменят сопротивление, с отрицательным ТКС.

Термосопротивление

Проводник или полупроводник с большим ТКС. Теплообмен осуществляется за счет конвекции, теплопроводности, излучения.

Теплопроводности – брусок имеет разные температуры , вдоль него распространяются температура

Излучение

К факторам, влияющим на теплообмен, относятся: температура среды, физические свойства среды (плотность, теплоемкость, теплопроводность, вязкость и т.д., геометрические размеры, состояние поверхности, геометрические свойства арматуры). При d-0,01…0,06, l=5…20 l/d=500 тепловпроводностью и излучением пренебрегают.

Разновидности теплосопротивений

Электронные –потребляют малый ток, Который сам по себе не нагревает.

Основне требование – высокая стабильность ТКС, при большом ρ.

Чаще всего используются платина (-200 - +600, можно до 1200 но ВАХ нелинейна), медь (-50 - +180, недостатком является сильное влияние влажности и кордирующих газов), никель (0-300, лнейная характеристика только до 170, очень большое ρ)

Полпроводниковы – смесь окислов различных металлов – меди, кобальта. При изготовлении образуется клейкая, прочная масса. Их тепловое сопротивление определяется по формуле

Промышленные – ММт, КМТ – используются в сухих.

ММТ-4, КМТ-4 – в любых. Могут работать до 800 градусов

Измерение потока вещества. Если нагреть термосопротивление и погрузить в жидкую среду, то его температура будет определяться режимом теплового равновесия, Между термосопротивлением и окружающей средой. Если среда неподвижна, то количество тепла уходящего от термосопротивления в среду будет зависеть от его теплопроводности и частично за счет конвекции (перемешивания отдельных слоев среды). Если среда подвижна то количество тепла, уходящего от термосопротивления в среду будет зависеть от скорости потока среды. НА этом основаны принципы весьма чувствительных и быстродействующих преобразователей для измерения скорости жидкостей и газов.

Рассмотрим такой преобразователь, применяемый для измерения скорости газов в промышленных условиях – термоанемометр.

1 - Тонкая платиноав нить припаянная к 2 - Манганиновым стержня, которые укреплены в ручке – 3 Из изоляционного материала, сквозь нее пропущены выводы – 4 Для включения в цепь

Сопротивление изменяется обратно пропорционально скорости потока газов

Схема измерения – мостовая

Применение для анализа состава газа. Как известно к числу характеризующих относят. Можно определить абсолютное значение теплопроводности газа , если знать теплопроводность воздуха. Установлено, что теплопроводность некоторых газов отличается от теплопроводнсти воздуха. Газы отличаются положительной λ. Теплопроводность газовых смесей, не вступающих в реакцию друг с другом . Схема преобразователя газоанализатора имеет вид:

При прохлждении газа в камере измеряется опротивление проволоки. В камере необходимо создать условия чтобы потери за счет теплопроводности проволоки и ее конвекции не изменялось состояние. С этой целью d проволоки 0.03…0.05, l=50…60 mm. Измерительная схема такая же как и для измерения скорости газов – мостовая схема.

Электрохимические преобразователи (ЭХП)

- элетролитическая ячейка, заполненная электролитом в них электроды для подсоединения к цепи. Характеризуется ЭДС. Имеет свое внутреннее сопротивление, индуктивность, емкость. Эти внутренние параметры зависят от измеряемой неэлектрической величины (состава и концентрации жидких и газообразны сред, давлений, перемещений, ускорений) Электрические параметры электрохимических преобразователей зависят от природы и состава раствора электродов, химических реакций в них, температуры, скорости пермещения раствора и т.д. Взаимосвязи с параметрами и величинами определяются законами электрохимии:

1. Электропроводность – растворы солей, кислот и оснований в воде и в ряде других растворителей, обладают электропроводностью. К ним относится также многие твердые и расплавленные соли.

2. При растворении происходит диссоциация, расщепление на положительные и отрицательные. Расщепляющиеся вещества называются электролитами. По явившиеся заряды кратны заряду электрода. Под воздействием электрического поля катионы движутся к отрицательному электроду а анионы к положительному. Перенос зарядов образует ток.

Зависимость теплопроводности от концентрации. Растворы характеризуются весовой конццентрацией P, гр/литр, мг/литр; С, грамм-молекул/литр, химическая активность а. Если раствор имеет 1 гр растворенного вещества в одном литре то он нормальный, а если разбавлить в 10 или 100 раз то назыают децинормалльным или сантинормальным.

Активность a=c*f. Удельная теплопроводность γ=λfс. Зависимость электропроводности электролитов от концентрации позволяет использовать эти вещества в качестве преобразователей. Их входной величиной является а раствора, косвенно имеющая связь с концетрацией, а выходная величина – электрическая проводимость между электродами. Зависимость электропроводности растворов от температуры. Подвижость ионов завист от температуры, с ростомтемппрературы электропроводност возрастает, при небольших концентрациях растворов - С повышением температуры больше 45 уменьшается β.

Электродные и граничные потенциалы. Между двумя электродами в растворе возникает разность потенциалов. Появление ЭДС при малой концентрации объясняется тем, что металл частично растворяется, в раствор переходят положительно-заряженные ионы и раствор заряжается положительно. При большой концентрации, положительные ионы выделяются на электроде и он заряжается до раствора. Потенциал электрода относительно раствора называется электродным потенциалом. непосредственно измерить величину электродного потенциала нельзя, так как для этого необходимо использовать другой электрод. Этот электрод внесет свой потенциал и мы измерим не абсолютное значение потенциалов а разность. В электрохимии за начало отсчета принимают потенциал водородного электрода, относительно раствора с нормальной концентрацией. Водород (газ) абсорбируют (осаждают) на поверхности платины и такой электрод ведет себя как металлический водородный электод. Потенциал этого принимают за 0 – начало отсчета потенциалов всех других элементов. Значение электрических потенциалов различных веществ относительно водородного потенциала не превышает +/- 2-3 В. Потенциал калия =-2.92 В, цинка =-0,76, меди - + 0,34. Eмедь цинк=0,34-(-0,76)=1,1 В. Это является нормальным потенциалом, так как измерены при нормальной температуре. При других температурах и концентрациях зависимость межщду электродным потецниалом и концентрациями раствором определяется в уравнении

Электрлитическая ячейка состоит из разных электродов. Тогда ЭДС между двумя электродами

Возникает разность потенциалов на границах растворов, такие потенциалы называются граничные, эти потенциалы возникают в результате разной подвижности ионов в растворе около электродов, или разной их скорости. Это потенциал составляет несколько милливольт но вносить погрешность, если такой элемент является измерительным. Для компенсации этого потенциала между растворам включаю дополнительный, компенсирующий электролит с почти равной подвижность катионов и анионов. Растворы KCl KNO₃.

Прохождение электрического тока через электролиты сопровождается электролизом – химическое превращение, выделение вещества из раствора, при этом происходит выделение некоторое выделение количества на растворе и растворение на другом. В результате этого явления концентрация ионов вблизи электродов будет иная, чем в других. Вследствие диффузии, разные концентрации стремятся выровняться, но диффузия небольшая и разность концентрации тем больше, чем больше плотность на электроде. Явление поляризации – изменение электродных потенциалов из-за изменения при электродной концентрации. По мере увеличения плотности тока процесс диффузии не успевает выравнивать концентрацию ионов вблизи электродов и потенциал анода становится положительным, а катода отрицательным.

При прхождении через ячейку переменного тока, измененеие концентрации ионов а приэлектродном слое будет происходить по синусоидальному закону, а также напряжение поляризации является переменным достигает максимума тогда, когда ток меняет знак.

Преобразователи сопротивления.

Принцип действия основан на зависимости сопротивления. Сопротивление столба жидкости

Электролитические преобразователи для измерения механических величин. При постоянной концентрации электролита, изменение сопротивления преобразователя может быть вызвано изменением расстояни между электродами или изменением сечения электролита, на этом основано действие электролитических преобразователей. Для уменьшения температуры электролитические преобразователи исполняются дифференциальными. Схематически эти преобразователи имеют вид

Хемотронные преобразователи

Принцип действия основан на использовании запорного слоя пп диодов и транзисторов, слоя среды, обедненного носителями зарядов (дырками). Преобразователи представляют собой электролитическую ячейку с раствором, в которой налиты как окисленные так и восстановленные виды определенных ионов, к электродам прикладывается напряжение. Электрод должен быть пассивным. Используются электролиты типа водный раствор KI, с небольшим количеством йода. Йодистый калий растворяясь в воде создает катионы калия (положительные) и анионы, внешнее напряжение не более 1 В и носители – анионы, создают ток. Такие преобразователи могут служить индикаторами количества. Подробнее в лит. 1 194-198

Электрокинетические преобразователи

В них используется разность потенциалов (потенциалы течения) при движении полярной жидкости через пористую перегородку. Известны 2 типа таких преобразователей: проточные с непрерывным, односторонним расходом жидкости и безрасходные с двусторонним расходом жидкости.

Первые состоят из пористого стекла и фарфор с двусторонними металлическими электродами. При подаче полярной жидкости, эта жидкость просачивается в результате между электродами возникает разность потенциалов, пропорционально давлению. Достоинства: преобразователи могут использоваться тлько для переменных сил, давлений, ускорений.

Электронные и ионизационные преобразователи

В этих преобразователях преобразование неэлектрической величины основано на электронных и ионных явлениях. Поток электронов может быть вызван различными способами: Автоэлектронной эмиссией – за счет внешнего поля, либо нагревания электрода, либо облучения электрода световым потоком. Такие подразделяют на

• Автоэлектронной эмиссии с холодным катодом

• С горячим анодом

• С фотоэлектронной эмиссией (фотокатодом)

Конструкция с холодным катодом имеет вид.

Эмиссия обусловлена высоким постоянным напряжением 3000 В. Три электрода размещены в газе, в котором измеряется плотность. Электроны вырываемые из холодных катодов сталкиваются с молекулами газа и ионизируют их, при этом образуются положительные и отрицательные заряды которые создают ток, величина тока является функцией. Концентрация газа в межэлетронном пространстве. Таким образом измеряемой величиной является плотность газов а выходной величиной ток разряда между электродами, для увеличения чувствительности, увеличения траектории движения полученных разрядов, увеличения числа столкновений электронов с молекулами газа, электроды помещают в постоянное магнитное поле, поэтому электроны движутся не по прямой линии а по спирали. Такие преобразователи называют магнитоэлектроразрядными ММ-5, погрешность +/- 30%.

Преобразователи с термоэлектронной эмиссией

Источником электронов является нагретый электрод. Если длина свободного пробега электрона (врея до столкновения электрона с молекулами исследуемого газа) больше расстояния между электродами то такой преобразователь вакуумный. Если меньше то начинается ионизация газа между электродами и такой преобразователь называется газовым. До настоящего времени преобразователи с термоэлектронной эмиссией выполняются в виде ламп, у которых ток эмиссии и напряжение между ними поддерживаются постоянными, тогда электронный или ионный ток является функцией либо плотности газа в лампе, либо расстояния между электродами. Схематическое изображение ионно-вакуумного имеет вид

Ионизация создается газами, вылетающими из накаленного катода, если напряжения постоянны то величина ионного тока в лампе зависит только от степени вакуума в баллоне. Эти лампы называются манометрическими и могут работать в двух режимах

Пути использования ФЭП

ФЭП применяются для измерения различных неэлектрических величин. По принципу использования ФЭП разделяются на: 1 - работающие в режиме амплитудной модуляции, в них фототок определяется световым потоком, зависящим в свою очередь от измеряемойй неэлектрической величины; 2- работающие в режиме временной или частотной модуляции когда значение фототока не является функцией измеряемой величины, например в случае измерения скорости вращения вала. Характеристики 1 группы должны быть независимыми от времени и от воздействия посторонних факторов: колебание напряжения ИП, температуры. Преобразователям 2 группы эти требования не нужны.

Основные схемы использования ФЭП

а) такой случай в пирометрах, в которых интенсивность светового потока и спектральное распределение интенсивности является функцией измеряемой температуры тела

б) источник света – лампа или еще чета. Световой поток проходит через объект – А, в котором свет поглощается в зависимости. Применяется в калориметрах для измерения прозрачности жидкости или газа

в) лампа посылает сигнал на А, отражающийся от поверхности и на объект. На этом принципе основаны приборы, измеряющие блескость, шероховатость, влажность, помутнение зеркал, измерение скорости вращения вала, частота фототока – функция вращения вала

г) световой поток по пути от лампы к фотоэлементу встречает объект, зарывающий часть потока, а следовательно изменяющий величину освещенности, эти схемы применяются для измерениями линий перемещения тел, размеров объектов и т.д.

Применяются электронные усилители постоянного или переменного тока. Переменного тока имеют меньшие погрешности но преед тем как попасть на фотоэлемент, световой сигнал модулируется с помощью аращ диска с отверстием, погрешности уменьшаются с применением дифференциальных схем.

Масспектрометрические преобразователи (МСП)

МСП – прибор, служащий дял анализа веществ с использованием основной характеристики вещиства – массы молекулы или атома. Это универсальный метод физико-химического исследования веществ. Например изотопного составаэлементов, для анализа химического состава газа и жидкости, химимческих реакций в газовой промышленности, биохимии и т.д.

Принцип действия МСП состоит в том, что атомы или мелекулы исследуемого вещеста вначале ионищируют, затем ионы ускоряют электрическим полем и заставляют ионы разных масс в процессе движения двигаться по различным траекториям. Таким образом основным преобразованием в МСП является разделение ионов (пучков или пакетов) по массам (в анализаторе масс), кроме этого в любой спектрометр входит устройство для ионизации атомов или молекул, имеется также ионный источник и приемное устройство, в котором измеряются ионные токи, отдельных массовых компонент или исследование спектра масс.

Схемотехническое изображение МСП с однородным магнитным полем имеет вид

В узком зазоре постоянного магнита 1 создается постоянное магнитное поле, в зазор помещается труба – 2, изогнутая согласно траектории ионов она откачивается до 10^-6…10^-7 мм. Рт. Ст. На одном конце камеры анализаторе крепится источник ионов и ионизационная камера, а на другом применик ионов – 4, исследуемы образец -5 , вводится в ионизационные камеру – 3, образовавшиеся в камере ионы вытягиваются и ускоряются постоянным на прядением 3-4 кВ, приложенным между диафрагмой 6 и камерой -3. При прохождении пучка положительных ионов через область магнитного поля происходит разделение на различные пучки, состоящие из атомов или молекул, обладающих определенной массой