П’єзо резонансні датчики тиску

У конструкцію перетворювачів тиску, як правило, входять вузол пружного перетворення тиску і зусилля (деформації) і сполучений з ним сило (тензо) чутливий елемент. Як пружні перетворювачі найчастіше використовуються сильфони і мембрани. Всі конструкції можна розділити на дві групи:

комбіновані датчики з металевими пружними перетворювачами;

датчики з барочувствітельнимі елементами, виконуваними повністю з п’єзо крісталічного матеріалу, звично з п’єзо кварца.

Окрім вказаних різновидів існує нечисленна група контактних перетворювачів для вимірювання тиску в газових середовищах , для яких характерний прямий контакт сило чутливих резонаторів з середовищем, без застосування розв'язуючих пружних перетворювачів. Ці датчики знаходять застосування в експериментальних дослідженнях.

М ЖЦ К

ПР

а) б)

Мал. П’єзо резонансні датчики тиску з металевими пружними елементами.

М-мембрана, До -корпус, УЕ- пружний елемент, ЖЦ - жорсткий центр.

Узгодження датчиків з машинами централізованого контролю і управляючими обчислювальними машинами (МЦК).

Машинами централізованого контролю і управляючими обчислювальними машинами (МЦК) називаються пристрої, що здійснюють збір інформації від датчиків технологічних параметрів і виконуючі логічну і математичну обробку отриманої інформації. Результати роботи цих машин використовуються для аналізу і управління технологічним процесом.

До числа функцій, виконуваних МЦК, відносяться аналого-цифрове перетворень значень параметрів, що виміряються, і виявлення їх відхилень від заданих рівнів з видачею сигналів на позиційне регулювання і сигналізацію. Результати аналого-цифрового перетворення використовуються для цифрової реєстрації, вимірювання по виклику і введення даних в ЕОМ. Управляючі ЕОМ виконують як перераховані вище функції, так і цілий ряд логічних і математичних операцій.

Джерелами інформації про величини контрольованих параметрів є датчики. Інформація від датчиків поступає у вигляді сигналів у вхідні пристрої машин. Залежно від електричного носія інформації сигнали датчика можуть бути електричними, пневматичними, гідравлічними і т.п.

Залежно від способу отримання енергії, що йде на формування сигналу датчики діляться на генераторні і параметричні.

Генераторні датчики виробляють сигнал безпосередньо за рахунок енергії контрольованої величини. Прикладами електричних генераторних датчиків можуть служити термопари, датчики електричних потенціалів (рН-метра), п'єзоелектричні датчики, трансформатори струму і напруги, вимірювальні шунти. Сигналом електричних параметричних датчиків є один з чотирьох параметрів електричного ланцюга: Омічний опорів, Ємкість, Індуктивність, Взаємна індуктивність.

Для вимірювання цього параметра до датчика повинна бути підведений енергія від допоміжного джерела. До числа параметричних датчиків відносяться реостатні, місткості, індуктивні, диферинційно - трансформаторні, феродинамічні датчики.

Особливу групу складають компенсаційні датчики, в яких більшість ланок охоплена негативними зворотними зв'язками, а власне датчик (звичайно параметричний) є однією з ланок пристрою.

За формою представлення інформації датчики можна розділити на безперервні і дискретні.

Безперервним електричним сигналом називається сигнал, значення електричного параметра якого є безперервною функцією величина, яка виражається цим сигналом. До числа цих електричних параметрів відносяться струм, напруга, частота, фаза.

Перелік уніфікованих електричних безперервних сигналів струму і напруг у відповідності з ГОСТ 9895 - приведені в табл.

Сигнали високого рівня постійного струму		Сигнали середнього рівня		Напруга постійного струму низького рівня
Межі зміни	Навантаження	Напруга змінного струму 50 і 400 Гц	Напруга постійного струму
0-5 мА; -505мА	До 2,5 кОм	0,2500,25 B	0-1 B; -101 B	0-10 мВ; -10010мВ
0-20мА; -505мА	До 1000Ом	0-0,5 B	0-1 B; -101 B	(0-20 мВ); (-20020мВ)
(0-100 мА); (-100 0  100мА)	До 250 Ом	101 B		(0-50 Мв); (-50050мВ)
0-10 B; -10010 B	Від 2 кОм і вище	0-2 B	0-1 B; -101 B	0-100 мВ; (-1000100мВ)

Примітка. Значення в дужках розповсюджується тільки на прилади і пристрої, що модернізуються.

Пристрої узгодження реостатних датчиків з МЦК і ЕОМ.

Вимірювання сигналу реостатних датчиків може здійснюватися як на постійному струмі, так і на змінному струмі. Вибір характеру струму живлення визначається видом нормуючого пристрою і АЦП, відстанню між датчиком і нормуючим пристроєм або АЦП, необхідністю використовування трансформаторів, що погоджують.

Найпростіші схеми включення реостатних датчиків приведені нижче.

Рис. Потенціометр.

Використовування мостових схем

Найпростіша схема вимірювального моста представляє собою чотири резистора R1,R2,R3,R4, які живляться від джерела живлення U, включеного в діагональ а-b (див.рис.1).

Рис.1. Принципова схема моста.

В неврівноваженій мостовій схемі зміна опору ТС перетвориться в напругу або струм, які вимірюються аналоговим цифровим приладом. Для мостової схеми, представленої на рис.1, вихідна напруга рівно:

Uвих = [U(RtR3-R2R4)] / [Rд(Rt+R2+R3+R4)+(Rt+R2)(R3+R4)]

де: Rд- внутрішній або додатковий опір в ланцюзі джерела живлення.

Неврівноважений міст має нелінійну залежність вихідної напруги як від опору ТС, так і від температури, що виміряється. Живлення схеми необхідно здійснювати стабілізованою напругою.

У вимірювальну діагональ моста с-d включений вимірювальний прилад. Розрізняють рівноважний і не рівноважний режими роботи моста. При рівноважному режимі: Uc-d=0.

Він має місце при виконанні умови R1R3=R2R4.

Для забезпечення такого режиму один або декілька опорів роблять змінними, їм добиваються рівноваги схеми. В не рівноважному режимі вихідна напруга є функцією напруги живлення і опорів моста. Якщо замість одного резистора включити термоопір ТС, то його опір може бути визначений по відомих значеннях решти параметрів моста

Рис. Неврівноважений міст.

Рис. Урівноважений міст.

Вимірювальний канал з нормованим сигналом у вигляді механічного переміщення

Перетворення значення параметра, що виміряється, в кутку повороту валу здійснюється таким чином. Сигнал датчика врівноважується електричною схемою, яка містить реорхорд. Сигнал небалансу посилюється електронним підсилювачем і через реверсивний двигун повертає движок реохорда до встановлення балансу. В стані рівноваги кут повороту реохорда пропорційний сигналу, що виміряється. Зчленований з движком реохорда перетворювач кута повороту валу в цифровий код здійснює аналого-цифрове перетворення.

На рис.1 приведена схема потенціометра вимірювання ЕРС або напруги постійного або змінного струму.

Сигнал датчика Ех і напруга в діагоналі вхідного моста ВМ включені зустрічно, а різниця їх подана на електронний підсилювач У, який керує двигуном М. Останній обертає движок реохорда і вал цифрового перетворювача АЦП.

Вхідний міст живиться стабільною напругою U у випадках, коли сигнал датчика залежить тільки від параметра, що виміряється. Якщо сигнал датчика залежить від інших чинників, наприклад, від коливань напруги живлячої мережі, то і опорна напруга береться залежною однаковим чином від цього чинника.

Якщо початковому значенні параметра, що виміряється, відповідає нульовий сигнал датчика Ех, зсув нуля проводиться зміною співвідношень резисторів моста. Підсилювач У складається з модулятора контактного типу (віброперетворювача), вхідного трансформатора, підсилювача змінного струму і фазочутливого каскаду, що управляє двигуном. При вимірюванні сигналу змінного струму віброперетворювач відсутній. Міст містить стабільні резистори. Якщо вимірюється ЕРС термопари, один з резисторів (наприклад, Rm) виконується з мідного або нікелевого дроту для компенсації змін температури холодних спаїв.

При необхідності зміряти температуру за допомогою термоопору ТС використовують іншу схему. На рис.2 показана спрощена схема вимірювального урівноваженого моста. Міст живиться напругою змінного струму U. Вихідна напруга моста поступає на вхід підсилювача не рівноваги У, керівник роботою реверсивного двигуна РД., вал якого пов'язаний з движком реохорда, покажчиком шкали і пишучим органом самописця.

За наявності сигналу розбалансу двигун обертається, переміщаючи движок реохорда до тих пір, поки не наступить рівновага схеми. Переміщення движка пропорційно опору Rt і відповідності температури. Шкала моста градується по температурі.

Живлення моста змінним струмом підвищує стабільність роботи підсилювача і дозволяє використовувати без колекторні реверсивні двигуни змінного струму.

Опір дротів ліній зв'язку Rл1 і Rл3 включені в сусідні плечі моста і їх вплив на стан рівноваги значно зменшується. Опір лінії зв'язку Rл2, будучи включено в діагональ живлення, не впливає на рівновагу схеми. Умова рівноваги моста прийме вигляд:

( Rt + Rл3 +m Rекв) R2 = [R3 + (1-m) Rекв] (R1+ Rл1)

де: Rекв = Rр Rш/ Rр + Rш – еквівалентний опір реохорда;

m – відносне переміщення движка реохорда.

Рівняння шкали приладу:

m =[ R2 Rt-( R3+ Rекв) R1+ R2 Rл3- Rекв Rл1- R3 Rл1]/[ Rекв(R1+ R2 +R3)]

Рис.2 Схема автоматичного моста з трьох дротяною схемою включення ТС.

На рис.3. представлена схема автоматичного моста, лінеаризація шкали в якому здійснюється за допомогою додаткового реохорда.

Термоопір ТС включено в одне з плечей вхідного моста ВМ, який врівноважується реохордом. Для ліквідації впливу на точність вимірювання нестабільності опору дротів, що підводять, термометр підключений до моста по трьох дротяній схемі

Рис.3. Схема автоматичного моста з трьох дротяною схемою включення ТС і використовуванням реохорда.

Схеми узгодження диференціально-трансформаторних (ДТД) і феродинамічних датчиків (ФРД) з МЦК і ЕОМ.

Диференціально-трансформаторні і феродинамічні датчики широко використовуються у вимірювальних пристроях для перетворення механічного переміщення в електричний сигнал. Мірою вихідного сигналу цих датчиків є величина взаємної індуктивності.

Сигнал ДТД спільно з вторинним приладом вимірюється по нуль-балансній схемі, зображеній на рис.3.

Сигнал ДТД Дх, встановленого на манометрі або дифманометрі, компенсується сигналом ДТД До, який розташований у вторинному приладі.

Різниця сигналів вторинних обмоток подається на вхід підсилювача У, який управляє реверсивним двигуном М. Останній за допомогою лекала Лк переміщає сердечник ДТД До до встановлення рівноваги.

Обмотки збудження працюючого і компенсуючого ДТД включені послідовно і живляться від трансформатора Тр. Послідовне включення обмоток збудження забезпечує незалежність свідчень приладу від коливань живлячої напруги і температурних змін опорів обмоток і сполучних дротів.

Схема перетворення сигналу ДТД в кут повороту може здійснюватися за допомогою автокомпенсатора, схема якого приведена нижче.

Використовування мостів з лінійною залежністю вихідної напруги від опору ТС.

На рис.4. представлена схема, що дозволяє отримати лінійну залежність вихідної напруги від опору ТС, використовуючи операційний підсилювач.

Рис.4. Схема неврівноваженого моста з лінійною залежністю вихідної напруги від опору ТС.

Вихідна напруга моста визначається виразом:

Uвих = {[Uo (Rt+R1+Rл1+Rл3)R3] / [R1(R2+R3)]}-{[Uo(Rt+Rл3)]}.

Якщо забезпечити умови R1=R2=R3=R, Rл1=Rл3 і Rt = Ro(1+t), то

Uвих = Uo Rо t / 2R.

Напруга живлення Uo визначається значенням допустимого струму через ТС, який рівний:

I= Uo/R1.

Для лінеаризації вихідної напруги моста при використовуванні нелінійних ТС можна додатково змінювати струм, що проходить через нього, або напруга в ланцюзі приладу, що виміряється.

Лінеаризація вихідної напруги в схемі рис.5 досягається шляхом організації додаткового живлення ТС вихідною напругою моста.

Рис.5. Схема неврівноваженого моста з лінійною залежністю вихідної напруги від температури за допомогою операційного підсилювача.

Використовування додатковий ТС і термоперетворювачів.

Лінеаризація вихідної напруги може здійснюватися шляхом використовування додаткових термоперетворювачів. В схемі на рис. 5,Б при живленні моста від джерела струму і включених в протилежні плечі мідного ТС здійснюється лінійна залежність вихідної напруги від температури, що виміряється. Якщо два ТС включити в суміжні плечі моста, то вихідні напруга пропорційно різниці температур.

Схема з додатковими перетворювачами мають недолік, що полягає в появі погрішності від нестабільності характеристик додаткового ТС і його лінії зв'язку.

А)

Б)

В)

Рис.6. Схема неврівноваженого моста з лінійною залежністю вихідної напруги від температури з додатковими ТС:

А),Б)- з додатковими ТС; В)- з додатковими ПТ.

Розповсюдження цифрових приладів і інформаційно - вимірювальних систем зумовило необхідність створення перетворювачів опору ТС в напругу або струм з нормуючими значеннями вихідного сигналу. Вони виконуються у вигляді конструктивно закінченого блоку і можуть розміщуватися на об'єкті вимірювання в безпосередній близькості від точки вимірювання температури. Вихідні сигнали, пропорційні температурі, що виміряється, через канали зв'язку подаються на реєструючи, управляючі і інші пристрої.

Передача вихідного сигналу може бути здійснений на більші відстані, ніж забезпечується ефективне використовування засобів централізованого збору і обробки термо термічної інформації.

Основною частиною структурної схеми перетворювачів опору ТС в уніфікований сигнал є вхідний пристрій, за допомогою якого здійснюється перетворення опору в напругу постійного струму. Це досягається включенням ТС в ланцюг зворотного зв'язку підсилювачів. На відміну від мостових схем перетворювачі забезпечують більш високі метрологічні і експлуатаційні характеристики.

Рис.7. Схема включення ТС в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача по напрузі з використанням трьох дротяної лінії зв'язку.

Для побудови перетворювача опору термісторів, які мають високий опір (дещо кОм), може бути використаний найпростіша схема операційного підсилювача, охопленого негативним зворотним зв'язком по напрузі. Якщо зворотний зв'язок утворений термістором і постійним резистором, то вихідна напруга підсилювача:

Uвих = Е R1 / R2

і є функцією температури, що виміряється.

Якщо Rt підключається за допомогою трьох дротяної лінії в ланцюг негативного зворотного зв'язку по напрузі, то вхідний опорний сигнал задається від джерела напруги Е (див. рис.7).

При R1=R2=R і R4>>Rл3 вихідна напруга перетворювача в схемі рис.7 визначається відношенням:

Uвих = [Е(Rt+Rл1)(R4+R5)] / [(R5+Rл2)(R2+R3)].

Застосування в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача по напрузі з використанням чотирьох дротяної лінії зв'язку і включенням Rt в ланцюг паралельного зворотного зв'язку дає можливість зменшити погрішність л в схемі рис.8.

Рис.8. Схема включення ТС в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача по напрузі з використанням чотирьох дротяної лінії зв'язку.

Напруга на виході при Rл1=Rл3, а також при R1=R2=R3=R визначається формулою:

Uвих= [Е(Rt+Rл3)] / [2(R+Rл1)].

ТИПОВЫЕ ЗВЕНЬЯ.

При анализе динамических свойств САР обычно вводят понятие типового звена, представляющего собой простейшую составную часть динамического элемента.

Динамическим звеном называют элемент системы с одной степенью свободы, описываемой уравнением нулевого, первого или второго порядка.

Различают шесть типов динамических звеньев:

пропорциональные (усилительные, безинерционные);

апериодические (инерционные);

колебательные;

интегрирующие; дифференцирующие;

запаздывающие.

Пропорциональными называют такие звенья, у которых уравнения динамики не отличается от уравнений статики. В этих звеньях приращение выходной величины прямо пропорционально приращению входной: Хвых=К*Хвх.

Динамическим параметром пропорционального звена является коэффициент передачи. График переходного процесса для этого звена ( переходная характеристика , показывающая , как изменяется выходная величина при единичном ступенчатом воздействии на входе ) показан на рис.

Примером пропорциональных звеньев могут служить рычаги, редукторы, электронные лампы, тахогенераторы постоянного тока, у которых входной величиной является угловая скорость вала , а выходной - э. д. с. якоря (Хвых = Uвых) и т. п. Коэффициент передачи усилительного звена, представляющей собой отношение приращений выходной и входной величин, - величина размерная.

Когда входная и выходная величины элемента имеют одинаковую физическую природу, то коэффициент передачи будет безразмерным. Например, для тахогенератора коэффициент передачи:

К= Хвых/Х вх = Uвых / 

и выражается в В/ рад/с.

Для редуктора, у которого и выходной и входной величиной является угол поворота,

К=Хвых / Хвх =  вых / вх - величина безразмерная.

Передаточная функция пропорционального звена , является отношением изображения по Лапласу выходной величины к изображению по Лапласу входной величины , равна его коэффициенту передачи:

W(p)= K.

Апериадическим звеном называется динамический элемент, у которого связь между входной и выходной величинами описывается дифференциальным уравнением:

Т dХвых / dt + Хвых = К*Х вх.

Передаточная функция апериодического звена:

W (p)= K/(Tp+1).

Динамическими параметрами такого звена являются постоянная времени Т икоэффициент передачи К. В установившемся режиме dXвых / dt =0.

Постоянная Т в данном случае представляет собой промежуток времени, в течение которого выходная величина изменяется от нуля до установившегося значения, при условии, что скорость нарастания ее остается неизменной. Постоянная времени характеризует инерционность элемента. Переходная характеристика приведена на рис.

Для обмотки возбуждения электрической машины, входной величиной которой является приложенное напряжение , а выходной- ток , протекающий по ней , постоянная времени находится из выражения :

Т =L / R,

где: L- индуктивность обмотки, Г;

R- ее активное сопротивление, Ом.

Колебательным звеном называется динамический элемент, у которого связь между входной и выходной координатами описывается дифференциальными уравнениями:

2 2 2

Т ²1d Xвых /dt + Т ²2dХвых/dt+ Xвых = К Х вх

или

2 2

d Хвых / dt + 2o dXвых / dt + o Xвых = К 0 Хвх,

где Т2 =2Т1 при условии , что степень успокоения звена  < 1.

Передаточная функция колебательного звена:

2 2

W(p ) =K / ( T1 p + T2p +1).

Динамическими параметрами колебательного звена являются постоянная T1 ( или собственная частота незатухающих колебаний звена 0 = 1 / Т ) , степень успокоения 

( или коэффициент затухания  = / T1 =0 ) и коэффициент усиления К.колебательное звено, у которого  =  = 0 , иногда называют консервативным.

Переходная характеристика колебательного звена приведена на рис.

Xвх,Хвых

Хвых

А

a1 a2

В Хвх

t

T

В консервативном звене колебания не затухают и имеют угловую частоту о.

К интегрирующим звеньям относятся элементы САР, у которых связь между входной и выходной величинами во время переходного процесса описывается уравнениями:



Тхвых=  Хвх d t,



или

dXвых / dt = Хвх / Т = К Хвх,

Передаточная функция этого звена:

W ( p ) = K / p = 1 / T p.

И нтегрирующее звено характеризуется одним динамическим параметром - коэффициентом передачи К, представляющим собой отношение скорости изменения выходного сигнала к величине входного сигнала, или постоянной времени Т = 1/ К. В интегрирующем звене нет определенного соотношения между установившимися значениями входной и выходной величин. При постоянном значении входной величины выходная величина непрерывно растет с постоянной скоростью.

Хвх,Хвых

Хвых

Хвх

В

 t

Примером конструктивного выполнения интегрирующего звена может служить двигатель постоянного тока , работающий в холостую , у которого входной величиной является напряжение на якоре ( Хвх = U ), а выходной - угол поворота вала двигателя (Хвых=  ).

Коэффициент передачи двигателя находится из уравнения:

К= ( dХвых / dt ) / Xвх = d  / dt / U =  / Ke Ф = 1 / Ke Ф,

где: Ке - машинная постоянная , 1/рад;

Ф - магнитный поток двигателя , Вб.

Дифференцирующим называется такое звено , у которого выходная величина Хвых пропорциональна скорости изменения входной величины. Различают несколько типов дифференцирующих звеньев - идеальное , реальное, первого и второго порядка.

Идеальное дифферицирующее звено описывается уравнением :

Х вых =К dХвх / dt

и имеет передаточную функцию

W ( p ) = K p.

Уравнение динамики для реального дифференцирующего звена записывается так :

Т dХ вых + Х вых = К dХвх / dt.

Передаточная функция функция этого звена:

W( p ) = K p / Tp + 1.

Дифферинцирующее звено первого порядка , описывается уравнением :

2 2 2

Хвых = К ( Т dХвх / dt + 2T dХвх /dt + Хвх ),

и должно иметь комплексные сопряженные корни характеристического уравнения правой части.

При действительных корнях элемент САР будет эквивалентен не дифференцирующему звену второго порядка , а двум последовательно соединенным дифференцирующим звеньям звена второго порядка .

передаточная функция дифференцирующего звена второго порядка:

W (p ) = K ( T p +2Tp +1 ).

Переходная характеристика реального дифференцирующего звена приведена на рис.

Хвх,Хвых

A

B Х вх

Хвых t

0 C

В общем случае дифференцирующее звено характеризуется тремя динамическими параметрами - коэффициентом передачи К, постоянной времени Т и коэффициентом .

Для идеального дифференцирующего звена, в качестве которого можно рассматривать тахогенератор постоянного тока ,

Хвых = Uвых = КеФ d / dt +Ke Ф dХвх / dt = K d Xвх / dt,

где: - входная величина ( угол поворота вала );

Хвых= Uвых - выходная величина ( э.д.с. якоря ) .

Коэффициент передачи в данном случае измеряется в В с / рад : К = КеФ.

Запаздывающим называется звено , в котором выходная величина воспроизводит изменение входной величины без искажения ,но с не которым постоянным запаздыванием  . Это звено описывается уравнением:

Хвых ( ) = Хвх ( t -  ) .

Динамическим параметром звена является величина запаздывания .

Передаточная функция звена запаздывания:

-p

W ( p ) = e ,

Переходная характеристика запаздывающего звена:

Хвх, Хвых

Хвх Хвых

В

t



Примером запаздывающего звена может служить транспортер. Его загружают с одного конца , а нагрузку измеряют конвейерными весами , находящимися на некотором расстоянии от пункта загрузки. Входной величиной здесь является комичество материала , поступающего на конвейер , а выходной - показание весов. В данном случае входная величина передается на выход без искажения , но с отставанием времени. Такое запаздывание называется транспортным ( чистым ).Оно имеет также место в длинных трубопроводах для жидкостей и газов.

Величина транспортного запаздывания для конвейеров и трубопроводов жидкостей подсчитывается по формуле:

 =l / v ,

где: l -длина конвейера (трубопровода), м;

v- скорость движения конвейерной ленты (жидкости), м/с.