Силовые элементы.

Преобразователи для механических измерений требуют передачи измерения или механического напряжения, чтобы генерировать электрический сигнал. Это осуществляют силовые элементы. Выбор силовых элементов зависит от типа измеряемой силы и характеристик преобразующего устройства.

Кольцевая трубка Бурдона.

Скрученная трубка Бурдона.

Спиральная трубка Бурдона.

Сильфон.

Гофрированная диафрагма.

Мембрана.

Выбор силового элемента для конкретного процесса измерений является отдельной инженерной задачей. Например, можно использовать силовые элементы с плоской диафрагмой, мембраной или гофрированной мембраной для того чтобы привести в действие емкостной или пьезоэлектрический датчик. Если нужно передать большое смещение, то использование плоской диафрагмы нежелательно, так как может привести к поломке самой диафрагмы и датчика. Необходимо учитывать частоту резонанса диафрагмы:

где c – коэффициент упругости диафрагмы, m – ее масса.

Таким образом, если требуется высокая резонансная частота, чтобы сделать преобразователь устойчивым к ударной вибрации, то нужно иметь высокое значение и низкое m, и, следовательно, использовать именно плоскую диафрагму.

Первым, официально примененным, силовым элементом выступила пружина в конструкции сейсмического преобразователя.

Резистивные преобразователи.

Резистивный преобразователь – преобразователь, в котором измеряемая величина прямо или косвенно (обычно через силовое устройство) вызывает изменение сопротивления резистивного элемента.

Наиболее известны такие типы преобразователей, как потенциометры, тензодатчики, магниторезисторы, фотосопротивления, термометр сопротивления и термисторы.

Потенциометрический преобразователь.

На рисунке изображена упрощенная схема потенциометрического преобразователя, в котором диафрагма действует как силовой элемент, перемещающий скользящий контакт вдоль потенциометра. Изменение сопротивления пропорционально смещению и может быть измерено мостовой схемой на клеммах A и B или A и C. В другом варианте напряжение питания подается на клеммы B и C, а измеряется напряжение между клеммой A и «землей».

Для измерений с помощью потенциометрического преобразователя может быть использован и переменный и постоянный ток. Межвитковые паразитные индуктивности и емкости потенциометрического датчика должны учитываться, особенно при работе на высоких частотах.

Потенциометрические преобразователи не являются высокоточными, но получили высокое распространение, так как их выходной сигнал может использоваться без дополнительного усиления. Они имеют ограниченный срок службы (около 1000000 циклов) и постоянный шумовой фон из-за механического перемещения скользящего контакта.

Потенциометрические преобразователи нуждаются в относительно большом усилии, и значительном движении диафрагмы для перемещения скользящего контакта по длине потенциометра. На практике применяются две конструкции потенциометра: с проволочной намоткой и с использованием токопроводящей пластмассы.

Проволочная конструкция более прочная и надежная, но ее разрешение ограничено значением, равным сопротивлению потенциометра, деленному на число витков. Разрешение пластмассового потенциометра составляет около 0,002% от номинала резистора.

Чтобы избежать влияния нагрузки внутреннего сопротивления любого прибора, подсоединяемого к потенциометрическому преобразователю, должно быть в несколько раз больше сопротивления потенциометра. На рисунке изображена схема, иллюстрирующая влияние внутреннего сопротивления прибора на точность потенциометрического преобразователя.

Здесь показан потенциометрический преобразователь с сопротивлением R₁, к которому подключен прибор с сопротивлением R₂. Если показания потенциометра составляют часть α от всей шкалы, то погрешность определяется по формуле: , где

Погрешность равна нулю в начале и в конце потенциометра и максимальна в середине, чтобы обеспечить линейность характеристики преобразователя R₂ должна быть на несколько порядков больше R₁, в этом случае R₂ ­> ∞ => β -> 0, а это приведет к отсутствию погрешности.