Первичный измерительный преобразователь. Измерительные преобразователи: виды, устройство и принцип работы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое измерительный преобразователь. Какие бывают виды измерительных преобразователей. Как устроены и работают измерительные преобразователи. Где применяются измерительные преобразователи.

Содержание

Что такое измерительный преобразователь и для чего он нужен

Измерительный преобразователь — это устройство, которое преобразует измеряемую физическую величину в сигнал, удобный для дальнейшей обработки, передачи или хранения. Основные функции измерительного преобразователя:

Преобразование неэлектрической величины в электрический сигнал
Преобразование электрического сигнала в другой вид электрического сигнала
Преобразование измеряемого параметра в величину, удобную для измерения

Измерительные преобразователи являются ключевым элементом многих измерительных приборов и систем. Они позволяют измерять различные физические величины и параметры, преобразуя их в стандартизированные электрические сигналы.

Основные виды измерительных преобразователей

Существует множество видов измерительных преобразователей, которые можно классифицировать по различным признакам:

По виду входного сигнала:

Механические (измеряют перемещение, силу, давление и т.д.)
Тепловые (измеряют температуру)
Оптические (измеряют световые величины)
Акустические (измеряют звуковые колебания)
Электрические (измеряют электрические величины)
Магнитные (измеряют магнитные величины)

По виду выходного сигнала:

Аналоговые (непрерывный выходной сигнал)
Цифровые (дискретный выходной сигнал)

По принципу действия:

Резистивные (изменяют сопротивление)
Емкостные (изменяют емкость)
Индуктивные (изменяют индуктивность)
Пьезоэлектрические (генерируют заряд)
Термоэлектрические (генерируют термоЭДС)
Фотоэлектрические (генерируют ток под действием света)

Выбор конкретного вида измерительного преобразователя зависит от измеряемой величины, требуемой точности, условий эксплуатации и других факторов.

Устройство и принцип работы измерительных преобразователей

Несмотря на большое разнообразие, все измерительные преобразователи имеют схожую обобщенную структуру:

Чувствительный элемент (сенсор) — воспринимает измеряемую величину
Преобразующий элемент — преобразует сигнал от сенсора
Выходной элемент — формирует выходной сигнал

Принцип работы измерительного преобразователя заключается в следующем:

Измеряемая физическая величина воздействует на чувствительный элемент
Чувствительный элемент преобразует воздействие в изменение своих параметров
Преобразующий элемент преобразует изменение параметров в электрический сигнал
Выходной элемент формирует стандартизированный выходной сигнал

Рассмотрим принцип работы на примере тензорезистивного преобразователя давления:

Давление воздействует на мембрану
Мембрана деформируется и растягивает наклеенный тензорезистор

Сопротивление тензорезистора изменяется пропорционально деформации
Изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал

Основные характеристики измерительных преобразователей

При выборе и применении измерительных преобразователей учитывают следующие основные характеристики:

Диапазон измерений — границы измеряемой величины
Чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению входного
Погрешность — отклонение результата измерения от истинного значения
Нелинейность — отклонение характеристики от линейной зависимости
Гистерезис — разность показаний при прямом и обратном ходе
Быстродействие — скорость реакции на изменение входного сигнала

Важно правильно подобрать преобразователь с характеристиками, соответствующими решаемой измерительной задаче.

Применение измерительных преобразователей

Измерительные преобразователи нашли широкое применение в различных областях:

Промышленность — контроль технологических процессов
Энергетика — мониторинг работы оборудования
Транспорт — системы управления и безопасности
Медицина — диагностическое оборудование
Научные исследования — экспериментальные установки
Бытовая техника — системы управления

Измерительные преобразователи используются практически во всех современных измерительных приборах и системах автоматизации.

Тенденции развития измерительных преобразователей

Основные направления развития измерительных преобразователей:

Повышение точности и снижение погрешностей
Расширение диапазонов измерений
Уменьшение габаритов и энергопотребления
Повышение надежности и стабильности характеристик
Интеграция с цифровыми интерфейсами и микропроцессорами
Развитие интеллектуальных преобразователей с функциями самодиагностики

Современные измерительные преобразователи все чаще выполняются в интегральном исполнении и включают в себя функции обработки и анализа сигналов.

Выбор измерительного преобразователя

При выборе измерительного преобразователя необходимо учитывать следующие факторы:

Измеряемая физическая величина
Требуемый диапазон измерений
Необходимая точность
Условия эксплуатации (температура, влажность, вибрации и т.д.)
Совместимость с измерительной системой
Стоимость и доступность

Правильный выбор измерительного преобразователя позволяет обеспечить требуемое качество измерений и эффективность работы всей измерительной системы.

Заключение

Измерительные преобразователи играют ключевую роль в современных измерительных системах и приборах. Они позволяют преобразовывать различные физические величины в унифицированные электрические сигналы для дальнейшей обработки и анализа. Развитие технологий способствует постоянному совершенствованию характеристик измерительных преобразователей и расширению областей их применения.

Измерительный преобразователь. Виды и устройство. Работа

Измерительный преобразователь – специальное устройство, которое преобразует величину неэлектрического характера в электросигнал, а также наоборот. К преобразователям также относятся приборы, переводящие измеряемый параметр в иную величину, который будет удобным для исследования, преобразования, в том числе сохранения и передачи. Эти приборы необходимы во многих сферах, поэтому они получили значительное распространение. Так, к примеру, чтобы создать систему дистанционного контроля траты тепла или воды в ЖКХ требуются преобразователи импульсов в ток или напряжение. Счетчики создают импульсы, которые впоследствии преобразуются в электрическую величину.

Виды

Измерительный преобразователь можно поделить на целый перечень устройств:

Квантовые.
Ионизирующего излучения.
Оптоэлектронные.
Адсорбционные.
Электрохимические.
Индукционные.
Тепловые.
Электромагнитные.
Гальваномагнитные.
Емкостные.
Механические упругие.
Пьезоэлектрические.
Резистивные и так далее.

Также преобразователи можно классифицировать по целому ряду признаков:

По виду выходного сигнала.
По физическим закономерностям, которые используются для проведения измерений.
Функции преобразования и так далее.

Устройство

Имеется достаточно обширное разнообразие измерительных устройств. Однако вне зависимости от их видового разнообразия у всех у них имеется первичный измерительный преобразователь, который и проводит измерение величины. Как раз его, в конечном счете, и необходимо измерить, но величина на выходе должна быть уже в электрическом виде.

Измеряемая величина воздействует на чувствительный орган, который имеет свое наименование – датчик. Это отдельный элемент, который находится в месте измерений и выполняет функции первичного преобразователя.
Далее находится промежуточный преобразователь, который переводит сигнал в удобную для восприятия величину. На них может быть возложены различные обязанности;

— масштабно-временное преобразование;
— цифро-аналоговое преобразование;
— масштабное преобразование;
— изменение величины;
— функциональное преобразование и так далее.

Однако следует учитывать, что в цепи могут находиться сразу несколько первичных преобразователей.

Типичным представителем преобразователя является тензорезистор. Это устройство имеет чувствительную часть, выполненную из специального тензочувствительного материала. Он крепится с помощью пайки на изделии. Для возможности преобразования от чувствительного элемента отходят выводные проводники, которые подключаются к электрической цепи. Ряд подобных устройств имеют дополнительно подложку, которая находится между изделием и чувствительной частью. Может быть установлена и защита, которая расположена поверх чувствительного элемента.

В результате типичный тензопреобразователь включает следующие элементы: чувствительный элемент, элемент связки, само изделие, подложку, узел пайки, защиту и выводные проводники.

Принцип действия

Понять принцип действия преобразователя можно на примере электронных весов. Именно в таких приборах работает измерительный преобразователь, который переводит величину силы тяжести, то есть вес какого-нибудь измеряемого изделия, в понятную для восприятия величину. Просто положив на весы небольшую запасную часть от машины, можно будет с точностью до граммов узнать его массу. В весах в качестве преобразователя работает тензометрический датчик.

Принцип действия весов объясняется измерением веса, который действует на тензодатчик. В процессе преобразования измеряется деформация, которая соответственно переводится в электрический сигнал. Последний поступает на монитор или иной элемент, с которого можно прочитать показания измеренной массы.

В основе функционирования тензодатчика используется тензоэффект, который кроется в смене сопротивления проводников во время деформации. То есть при изменении длины проводника изменяется и сопротивление.

Тензометрические преобразователи применяются не только в весах, но и во многих других устройствах.

При помощи них измеряются и исследуются:

Деформации в изделиях, в том числе свойства материалов.
Для получения величин, которые образуются в результате деформации соответствующего элемента.

В целом современные преобразователи получили большое распространение, ведь они удобны в управлении, имеют небольшой вес и габариты. Благодаря таким устройствам пользователь может дистанционно отслеживать все необходимые показатели.

Пьезоэлектрические преобразователи работают на базе обратного и прямого пьезоэлектрического эффектов. При механическом действии на диэлектрики наблюдается их электрическая поляризация. При обратном действии в диэлектриках появляются напряжения или меняются их размеры.

Электромеханические преобразователи работают под действием тока, вследствие чего они начинают перемещаться. Гальваномагнитные преобразователи работают по принципу воздействия на них магнитного поля. Индукционные преобразователи действуют благодаря электромагнитной индукции.

Электрохимические преобразователи действуют на принципах электродной системы и электролитической ячейки. Так при падении изменении напряжения или иного параметра в ячейке происходит изменение другой характеристики: индуктивность, емкость или сопротивлением. Базируясь на этих принципах, появляется возможность измерения температуры, давления и многих других требуемых величин.

Оптоэлектронные преобразователи работают на принципе преобразования ультрафиолетовых и тепловых излучений. Преобразование данных в подобных устройствах может происходить различными способами: за счет изменения мощности излучения, модуляции оптического канала и так далее.

Применение

Измерительный преобразователь находит широчайшее применение. Такие устройства применяют на многих производствах, лабораториях и даже в быту. Это могут быть сложные приборы, которые собирают многочисленную информацию с датчиков или же простые устройства в виде домашних кухонных весов.

Можно назвать следующие области:

Металлургическая промышленность.
Нефтянка.
Химическая и газовая промышленность.
Научные и лабораторные установки.
Медицина.
Фармакология.
Геология.
Атомная промышленность.
Энергетика.
ЖКХ и так далее.

На любом производстве, где требуется наблюдение или регулирование технологического процесса, не обойтись без преобразователя. Такие преобразователи часто используются в специальных измерительных приборах, которые применяются для обработки сигналов:

Портативные измерительные приборы, к примеру, для получения показателей параметров воды или грунта.
Щитовые приборы, которые имеются практически в каждом здании.
Регистраторы и самописцы. Это сложнейшие приборы, которые отслеживают происходящие вокруг изменения и сохраняют все в памяти.
Цифровые преобразователи.
Весовые дозаторы, конвейерные и кухонные весы и так далее.

Как выбрать измерительный преобразователь

Измерительный преобразователь

рекомендуется подбирать по следующим принципам:

Какой на выходе получается сигнал: цифровой или аналоговый? Именно этот сигнал будет выводиться на монитор или иной элемент, с которого будет считываться информация. Аналоговые преобразователи являются уже устаревшими устройствами, однако они до сих пор применяются. Дело в том, что бурный толчок их развития и производства пришелся на 1980-е года прошлого века.

Благодаря ним были налажены многие производства и области промышленности. В результате появились новые производства, которые были заточены на производство именно этих аналоговых преобразователей. Поэтому они и сегодня выпускаются, ведь они дешевы и весьма распространены.

Тем не менее, на смену им приходят цифровые устройства, они на порядок дороже по стоимости, но считаются более перспективными устройствами:

— они обеспечивают высокую степень передачи информации, точность и быстродействие;
— у них высокая электробезопасность;
— простота реализации;
— их можно интегрировать в различные современные системы телемеханики.

Некоторые современные преобразователи могут иметь одновременно и цифровые и аналоговые выходы.

Условия эксплуатации. Почти все преобразователи могут использоваться в широком диапазоне температур, но некоторые устройства могут иметь ограничения. При изменении температуры примерно на десять градусов может появиться погрешность примерно в 0,4%. Также возможны погрешности, которые связаны с влиянием магнитного поля, действующего в месте проведения измерения.

Поэтому при выборе необходимо определиться, какие задачи, в конечном счете, будет решать измерительный преобразователь.

Преобразователь должен обеспечивать необходимую точность измерения. Поэтому у него должен иметься межповерочный интервал, проводиться проверка или калибровка. К примеру, для измерительных устройств межповерочный интервал равняется одному году. Для цифровых преобразователей данный интервал находится в пределах 4-6 лет.
Учитывая все вышеперечисленное, измерительный преобразователь следует подбирать с учетом его основных технических характеристик: быстрота действия, погрешность проводимых измерений, назначение, метод передачи полученной величины и так далее.

2.4. Первичные измерительные преобразователи

Первичные ИПр являются наиболее ответственными элементами приборов и систем. Они в наибольшей степени подвержены влиянию объекта измерений и окружающей среды. Поэтому в первую очередь нуждаются в защите от нежелательных воздействий. Метрологические характеристики первичных ИПр оказывают наиболее сильное влияние на точность создаваемых ИУ. Поэтому выбор или проектирование первичных ИПр требуют особого внимания.

Первичные ИПр делят на группы преобразователей, отличающихся физическим принципом действия: механические, электрические, оптические, тепловые, магнитные, электромагнитные, оптико-электронные и др . Каждая такая группа содержит множество разных ИПр, отличающихся конструкцией, способом применения, характеристиками и пр. Например, к группе электромагнитных ИПр относятся трансформаторные, индуктивные, индукционные, магнитоэлектрические, магнитомодуляционные, вихретоковые и др. [16, 31].

Измеряемые величины, в свою очередь, делят на группы однородных физических величин: геометрических, линейно-угловых, кинематических, теплотехнических, световых, высотно-скоростных, электрофизических и др. Например, в группу теплотехнических величин входят: давление, температура, сила, момент, расход, уровень, плотность и концентрация веществ .

Каждому ИПр присуща естественная физическая величина, которая лучше всего воспринимается на фоне остальных влияющих величин. Для измерения других физических величин используют различные предварительные преобразователи, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в естественную (для данного ИПр) физическую величину. В качестве примера на рис. 2.9 показаны схемы индуктивных ИУ для измерения давления (рис. 2.9,а), ускорения (рис. 2.9,б) и силы (рис. 2.9,

в).

Рис. 2.9.

Предварительными преобразователями (и чувствительными элементами) в них являются, соответственно, мембрана 1, инерционная масса 2 и упругий элемент (кольцо) 3. Перемещение этих элементов воспринимается индуктивным измерительным преобразователем перемещения ИПр. Для него перемещение является естественной физической величиной. Такой преобразователь содержится в любом индуктивном приборе, но может иметь разные конструкцию и характеристики [29].

В табл. 2.2 для наиболее распространенных видов первичных ИПр символом ¤ обозначена их естественная физическая величина, символом × — величина, для измерения которой (с помощью данного ИПр) необходим предварительный преобразователь, символом * — генераторный ИПр, символом # — параметрический ИПр, а символом ® — радиационный ИПр.

Таблица 2.2.

Функциональные возможности первичных ИПр.

Вид ИПр			Тип ИПр	Измеряемая физическая величина
С о п р о т и в л е н и я п л е ч м о с т аТип#×¤××Тензорезисторный#¤××××Потенциометрический#×¤×××Трансформаторный×¤××××Индуктивный#×¤×××ИндукционныйРасходСкоростьУскорениеВибрацияТемператураМагнитный потокСвето- схемы Видно, что многие ИПр пригодны для измерения нескольких физических величин. Cохранение метрологических характеристик соответствующих ИУ требует особого внимания к выбору предварительного преобразователя, так как погрешность этого преобразователя часто оказывается доминирующей, сводя на нет достоинства используемого ИПр . Главными требованиями при выборе и проектировании первичных ИПр являются: Высокая чувствительность к измеряемой физической величине и, одновременно, нечувствительность (инвариантность) к другим влияющим величинам; Стабильность (неизменность) функции преобразования; Высокая надежность, длительный срок службы, безотказность в работе, взаимозаменяемость и т.д.; Адекватная реакция на изменение измеряемой величины во времени, т.е. малая инерционность; Технологичность, малые габариты и масса, низкая себестоимость и высокие потребительские свойства. Добиться выполнения всех перечисленных требований непросто. Этому способствует использование новых физических явлений, определяющих физический принцип действия ИПр, применение современных технологий и материалов, реализация эффективных способов повышения метрологических и эксплуатационных характеристик и пр. Наиболее успешным направлением в этой области является интеллектуализацияИПр. Она достигается интегральным исполнением датчиков и цифровых средств первичной обработки измерительного сигнала (микропроцессоров). В результате становятся возможными линеаризация статической характеристики датчика, подавление шумов, коррекция динамических искажений сигнала, автоматическая самодиагностика, дистанционное управление, накопление и первичная обработка данных, документирование результатов измерений, автокалибровка и восстановление работоспособности. 2.5. Схемы включения преобразователей* С помощью схемы включения (СВ) выходной сигнал ИПр преобразуется в электрический сигнал, удобный для его последующей обработки, передачи или хранения. Выбор такой схемы зависит от типа ИПр и требований к выходному сигналу СВ. В зависимости от типа ИПр различают СВ для генераторных и параметрических ИПр, в зависимости от требований к выходному сигналу – схемы включения с амплитудно-модулированным выходным сигналом (АСВ) и схемы включения с частотно-модулированным выходным сигналом (ЧСВ). 2.5.1. Схемы включения с амплитудно-модулированным выходным сигналом Электрические генераторные ИПр создают на своем выходе напряжение , токили заряд, зависящие от измеряемой величины. Основным элементом схем включения таких ИПр является усилитель электрического сигнала [21]. В настоящее время наиболее широкое применение получили операционные усилители (ОУ). Они выполняются по интегральной технологии, имеют стабильные характеристики и могут использоваться не только для усиления (масштабирования) сигналов, но и большого числа других преобразований: дифференцирования, интегрирования, сравнения и пр. Поэтому области применения ОУ интенсивно расширяются. При использовании параметрических ИПр измеряемая величина преобразуется в изменение собственного параметра преобразователя. Обычно таким параметром являются активное сопротивление , емкостьили индуктивностьпреобразователя, зависящие от. Соответствующие ИПр называютсяомическими, емкостными или индуктивными. Наиболее распространенными схемами включения таких ИПр являются схема делителя напряжения (рис.2.10,а) и мостовая схема (рис.2.10,б). Обе схемы являются схемами с амплитудно-модулированным выходным сигналом, Делитель напряжения образован двумя последовательно соединенными резисторами и(рис. 2.10,а). Омический ИПр можно использовать в качестве резистора, в качестве резистораили (если ИПр дифференциальный) — в качестве обоих резисторов. Источник электрического питания И создает на своих зажимахэдс. Внутренним сопротивлением источника питанияобычно пренебрегают. Это возможно, если мощность источника питания значительно превышает мощность, потребляемую делителем и указателем. Указатель Ук, имеющий сопротивление, служит для преобразования выходного напряженияили силы тока, зависящих от измеряемой величины, в показание прибора. а б Рис. 2.10. Напряжение питания делителя может быть переменным. В этом случае в качестве резисторови(или)можно использовать емкостной и(или) индуктивный ИПр, а в качестве указателя — фазочувствительный выпрямитель (демодулятор). Зависимость выходного напряжения делителя от сопротивленийиимеет вид . (2.7) Если , то делитель работает в режиме холостого хода. В этом случае вместо (2.7) нужно записать, где— коэффициент передачи делителя (). Делитель и источник питания образуют ИУ, с помощью которого измеряемая величина преобразуется в напряжение. Зависимость относительного изменения этого напряжения (2.8) от измеряемой физической величины определяет статическую характеристику такого ИУ. Обычно ИПр, входящий в схему делителя, имеет линейную статическую характеристику вида , (2.9) где — начальное сопротивление ИПр;относительный коэффициент чувствительности ИПр к измеряемой физической величине. В этом случае статическая характеристика ИУ (2.8) имеет вид , (2.10) где значения коэффициентов зависят от состава элементов и параметров делителя: если , то,,; если , то,,, (2.11) где — относительное сопротивление пассивного плеча делителя;— относительное сопротивление нагрузки. Обычно или, где— верхний предел диапазона измерений. В этих случаях произведениеопределяет максимальное значение относительного изменения сопротивления ИПр (см. (2.9)). Оно может изменяться в широких пределах – от(для тензорезистивных ИПр) до 1 (для реостатных ИПр). Максимальная приведенная погрешность от нелинейности статической характеристики ИУ (2.10) зависит только от безразмерного параметраи вычисляется по формулам п.2 табл. 2.5. С ростомпогрешностьувеличивается. Чувствительность ИУ максимальна, если делитель работает в режиме холостого хода и является равноплечим. В этом случае , т.е., если изменение сопротивления одного из плеч делителя равно, например, 4%, то изменение выходного напряжения ИУне превышает 1% от напряжения питания. При случайных изменениях параметров делителя возникают инструментальные погрешности ИУ. Их максимальное значение можно оценить по формуле , (2.12) где ,,— максимальные относительные изменения параметров. Если отклонения этих параметров вызваны одной причиной (например, изменением температуры окружающей среды), то при расчете инструментальной (соответственно, температурной) погрешности нужно учитывать знаки слагаемых (см. табл. 7.2). С ростом параметрапогрешностьуменьшается. В делителе рис. 2.10, аможно использоватьдифференциальный ИПр (например, реостат со средней точкой) или два дифференциально включенных ИПр (например, два тензорезистора). В этом случае , , (2.13) Статическая характеристика ИУ с таким ИПр имеет вид , (2.14) где ,,. Условиевыполняется, если[30]. Разновидностью делителей напряжения, работающих на переменном токе, является резонансная схема включения [31]. В этом случае делитель содержит резонансный контур, в который включается ИПр. Параметры контура подбирают так, чтобы рабочий участок статической характеристики ИУ располагался на склоне амплитудно-частотной характеристики контура. При высокой добротности контура достигается большая чувствительность ИУ. Основным недостатком делителя напряжения является то, что при его выходное напряжение (или амплитуда этого напряжения) не равно нулю. Для устранения этого недостатка применяютмостовую схему включения. В качестве такой схемы часто используют мост Уитстона . В этом случае к делителюдобавляется еще один делитель(см. рис. 2.10,б) так, чтобы напряжениена указателе Ук или ток, протекающий через него, в случаеотсутствовали. Это условие выполняется, если присоблюдается равенство , (2.15) называемое условием равновесиямоста. Участки имостовой схемы называютсяплечамимоста. Если плечо содержит ИПр, то такое плечо называетсяактивным, если нет – топассивным. Участокназываетсядиагональю питаниямоста, а участок—измерительной диагональю. Условие (2.15) может выполняться при разных соотношениях сопротивлений плеч моста. На практике применяют симметричные мосты. Такими мостами являются: равноплечий мост (РПМ) , у которого присопротивления всех плеч моста равны друг другу, т.е.,последовательно – симметричный мост (ПОСМ), у которого привыполняются равенства,ипараллельно – симметричный мост (ПРСМ), у которого привыполняются равенства,(табл. 2.3, табл. 2.6). Таблица 2.3. Типы мостовых схем № вой поток		×Давление, сила, момент

1	РПМ1
2	ПОСМ
3	ПРСМ
4	РПМ4

Схема равноплечего моста с одним ИПр (РПМ1) применяется редко из-за существенной нелинейности статической характеристики и больших инструментальных погрешностей соответствующего ИУ. Эти недостатки отсутствуют при использовании схем с дифференциальными преобразователями (ПОСМ и ПРСМ). Параллельно-симметричная схема отличается от последовательно-симметричной схемы тем, что в ней допускается использование низкоомных ИПр, у которых . Применение таких ИПр в схеме ПОСМ может приводить к шунтированию источника питания. Схема РПМ4 содержит четыре дифференциально включенных ИПр и обеспечивает наибольшую чувствительность ИУ.

Для сопротивлений пассивных плеч моста и сопротивления нагрузки принимается соответственно и , где — постоянные положительные числа. Случай соответствует равноплечему мосту, случай — работе моста в режиме холостого хода, случай — работе моста в режиме короткого замыкания, случай , — выделению максимальной мощности сигнала в измерительной диагонали моста. В табл. 2.4 приведены такие значения параметров и .

Таблица 2.4.

Согласованные параметры мостовых схем

Тип моста	Выходной параметр источника питания
	Напряжение		Ток

РПМ	1	1	1	1
ПОСМ
ПОСМ
ПРСМ

Условиями экстремума мощности для моста типа ПОСМ являются равенства и . Точное выполнение этих равенств невозможно из-за ограничений, наложенных на мощность источника питания моста и тепловую мощность рассеяния ИПр. Поэтому значения параметров для этого моста, указанные в табл. 2.4, являются условными.

Ток в измерительной диагонали моста пропорционален напряжению источника питания и зависит от сопротивлений плеч моста

, (2.16)

где .

Обычно внутренним сопротивлением источника питания пренебрегают, полагая . В этом случае вместо (2.16) можно записать

. (2.17)

Если мост питается от источника тока, то, напротив, . В этом случае

, (2.18)

где — ток питания моста. Во всех случаях напряжение в измерительной диагонали моста равно

. (2.19)

Если относительные изменения сопротивлений плеч моста незначительные (т.е., если ), то в первом (линейном) приближении можно записать

, (2.20)

где — постоянный коэффициент, характеризующий асимметрию плеч моста, — номинальное значение го сопротивления; — чувствительность моста. В этом случае мостовую измерительную схему можно рассматривать в качестве суммирующего или сравнивающего элементов (в зависимости от знаков слагаемых).

Чувствительность моста зависит только от величины напряжения питания и соотношения сопротивлений плеч моста (коэффициента ). Чувствительность равноплечего моста (у которого ) максимальна. Отклонения коэффициента от оптимального значения в 1,5 – 2 раза несущественны, так как на границах интервала снижение чувствительности моста не превышает 4% от максимального значения . Резкое снижение чувствительности происходит только при . Выбор напряжения питания зависит от необходимой величины выходного сигнала схемы включения и допустимой мощности рассеяния используемых ИПр.

Мостовая СВ и ИПр образуют мостовое ИУ, с помощью которого измеряемая физическая величина преобразуется в изменение напряжения или тока .

В зависимости от режима работы моста и вида источника питания статическая характеристика такого ИУ описывается одной из четырех функций [30]

, , , , (2.21)

где — напряжение или ток в измерительной диагонали моста; — постоянные коэффициенты, зависящие от параметров мостового ИУ.

На рис. 2.11 показаны графики этих функций: на рис. 2.11,а — для случая , на рис. 2.11,б – для случая .

Рис. 2.11.

Пунктиром показаны аппроксимирующие прямые (прямые наименьших модулей). При правильном выборе их параметров максимальная приведенная погрешность от нелинейности статической характеристики ИУ является минимальной. Эта погрешность зависит только от произведения и вычисляется по формулам, приведенным в табл. 2.5.

Расчеты по этим формулам показывают, что погрешность от нелинейности статических характеристик мостовых ИУ с одиночными ИПр значительно превышает погрешность от нелинейности статических характеристик ИУ с дифференциальными ИПр [30].

Таблица 2.5.

Погрешность от нелинейности статических характеристик мостовых ИУ

№ п/п	Функция преобразования	Диапазон измерений
№ п/п	Функция преобразования
1
2
3
4

В таблице 2.6 приведены схемы мостовых ИУ, их статические характеристики и формулы, связывающие значения коэффициентов этих характеристик с параметрами ИУ для случая, когда мост работает в режиме заданного напряжения (питается от источника напряжения).

Считается, что во всех случаях используемые ИПр имеют линейные статические характеристики (2.13), а информативным параметром выходного сигнала схемы включения является напряжение в измерительной диагонали моста.

Таблица 2.6.

Статические характеристики мостовых ИУ

Тип моста	Схема моста	Статическая характеристика	Значения коэффициентов
Тип моста	Схема моста	Статическая характеристика
РПМ1
ПОСМ
ПРСМ
РПМ4

Если известны желаемое значение коэффициента наклона аппроксимирующей прямой (т.е. желаемое значение средней чувствительности ИУ ) и допустимая погрешность от нелинейности статической характеристики ИУ (2.21) , то необходимые значения коэффициентов этой характеристики можно вычислить по формулам, приведенным в табл. 2.7.

Таблица 2.7. Оптимальные значения параметров статических характеристик мостовых ИУ

№ п/п	Функция преобразования	Диапазон измерений


1		1	—	1	—
2

3

4

С их помощью можно выбрать тип моста и определить его параметры, обеспечивающие получение желаемой статической характеристики мостового ИУ. При этом должны приниматься во внимание конструктивные, технологические и иные ограничения [30].

Максимальную чувствительность и линейную статическую характеристику имеет мост РПМ4, работающий в режиме холостого хода. Также линейными являются характеристики мостов ПРСМ и РПМ4, работающих в режиме заданного тока.

В ряде случаев не сопротивление , а проводимость ИПр линейно связана с измеряемой величиной, т.е. вместо (2.9) имеет место зависимость

. (2.22)

В этих случаях линейную статическую характеристику имеют мосты ПОСМ и РПМ4, работающие в режиме заданного напряжения [30].

При отклонении параметров мостовых ИУ от номинальных значений появляется инструментальная погрешность. Обычно эта погрешность связана с изменением температуры окружающей среды. В этом случае вместо (2.9) следует записать

, (2.23)

где — начальное сопротивление и коэффициент относительной чувствительности ИПр, вычисленные с учетом фактического значения температуры окружающей среды . В первом (линейном) приближении их можно вычислить по формулам

, , (2.24)

где — температурные коэффициенты величин и :

, ; (2.25)

— отклонение температуры от нормальной температуры . Окончательно при вместо (2.9) получаем

. (2.26)

Подставляя (2.26) в формулы (2.16) – (2.19), можно для каждого из рассматриваемых мостовых ИУ найти абсолютную температурную погрешность

, (2.27)

где — выходное напряжение моста, вычисленное с учетом фактического значения температуры окружающей среды; — то же для нормальной температуры окружающей среды.

Приведем результаты такого анализа [30]. Температурная погрешность РПМ1, работающего в режиме заданного напряжения, практически не зависит от текущего значения измеряемой величины и в первом приближении вычисляется по формуле

, (2.28)

т.е. является аддитивной погрешностью. Температурная погрешность мостов с дифференциальными ИПр (ПОСМ, ПРСМ и РПМ4) является мультипликативной (пропорциональной ). В первом приближении ее можно вычислить по формуле

, (2.29)

где значения коэффициентов берутся из табл. 2.4. Например, абсолютная температурная погрешность моста РПМ4 вычисляется по формуле

. (2.30)

Для моста ПРСМ вместо (2.29) нужно записать

. (2.31)

Максимальная приведенная температурная погрешность мостовых ИУ, показанных в табл. 2.6, равна

(2.32)

Температурная погрешность моста РПМ1 более чем на порядок превышает температурную погрешность мостов, имеющих дифференциальные преобразователи. Условием компенсации их температурной погрешности являются равенства

и . (2.33)

Другим способом уменьшения мультипликативной температурной погрешности мостовых ИУ является подключение в цепь источника питания компенсационного резистора , величина которого зависит от температуры окружающей среды [31]. В этом случае температурное изменение чувствительности ИУ парируется изменением напряжения питания моста .

При производственно – технологических отклонениях параметров мостовых ИУ также появляются инструментальные погрешности, зависящие от номинального значения сопротивления ИПр . Для их уменьшения используется различные регулировки, способствующие выполнению условия (2.15), включение в схему моста калибровочных резисторов и пр. С помощью мостов Уитстона, работающих в нормальных условиях, приемлемые результаты получаются в диапазоне от 100 Ом до 100 кОм [15]. Для преобразования малых сопротивлений (до 10 Ом) применяют двойные (шестиплечие) и другие мосты: Т – образные, мосты Баттерворта, Андерсона, Ремингтона и др.

Для емкостных и индуктивных ИПр, имеющих реактивное сопротивление, применяют мосты переменного тока. В этом случае в качестве вторичного прибора используют фазочувствительные указатели [31].

Для устранения нелинейности статической характеристики мостовой схемы применяют самобалансирующиеся мосты , называемые также мостовыми усилителями (рис. 2.12). В них используются операционные усилители (ОУ) с глубокой отрицательной обратной связью.

В схеме рис. 2.12, а для ОУ, включенного в измерительную диагональ моста, выполняется условие квазинуля () . В этом случае выходное напряжение ОУ пропорционально относительному изменению сопротивления ИПр . В схеме на рис. 2.12, б достигается дополнительное усиление сигнала по напряжению за счет установки в цепь отрицательной обратной связи ОУ Т-образного эквивалента большого сопротивления.

2.5.2. Схемы включения с выходным частотно-модулированным сигналом

С помощью схем включения с частотно-модулированным выходным сигналом (ЧСВ) выходная величина параметрического ИПр (активное сопротивление , емкость или индуктивность ) преобразуется в частоту электрического сигнала . Такие схемы включения можно считать разновидностью электромагнитных частотных измерительных преобразователей. Они имеют существенные преимущества перед рассмотренными ранее амплитудными схемами включения (АСВ). Главным из них является частотная форма выходного сигнала.

Рис. 2.12.

На рис. 2.13, б показан пример такого сигнала для случая, когда измеряемая величина за время увеличивается до значения , а затем за такое же время уменьшается до нуля (рис. 2.13, а). На рис. 2.13, в показан соответствующий выходной сигнал АСВ.

Информативным параметром выходного сигнала ЧСВ является мгновенная частота , или период , зависящие от измеряемой величины и связанные друг с другом соотношением . Последующие преобразования такого сигнала с целью получения результата измерений могут выполняться практически без погрешностей. Это стало возможным благодаря несомненным успехам отечественного приборостроения в области цифровой обработки сигналов.

Рис. 2.13.

В настоящее время известно большое число различных ЧСВ. Однако на практике чаще применяют схемы с частотно-зависимыми цепями, компенсационные и интегрирующие схемы [30]. Наиболее распространенными из них являются схемы с частотно-зависимой цепью (ЧЗЦ). Такие цепи представляют собой пассивный четырехполюсник Г-образного, Т-образного или лестничного типов, содержащий параметрический ИПр.

В зависимости от состава элементов ЧЗЦ различают , и генераторы. генераторы относятся к классу резонаторных ЧСВ. В них применяют ЧЗЦ с параллельным контуром, содержащим емкостной или индуктивный ИПр. Генераторы и типов являются преобразователями с апериодическими контурами. В них чаще используются омические ИПр.

Рассмотрим работу частотной схемы включения на примере генератора с Г- образной ЧЗЦ (рис. 2.14, а). На рис. 2.14, б показана полная схема такого генератора. Его называют генератором с мостом Вина.

а б

Рис. 2.14.

ЧЗЦ включается в цепь положительной обратной связи усилителя (ПОС). Коэффициент передачи ЧЗЦ зависит от частоты выходного сигнала. С целью стабилизации коэффициента усиления усилителя он охватывается глубокой частотно — независимой отрицательной обратной связью (ООС) с коэффициентом передачи .

Из рис. 2.14 следует операционное уравнение

, (2.34)

где , — передаточные функции ЧЗЦ и усилителя. Полагая в этом уравнении , получим условия, при выполнении которых сигнал на выходе усилителя имеет частоту

, , (2.35)

, (2.36)

где , — фазо-частотные характеристики ЧЗЦ и усилителя; , — амплитудно-частотные характеристики ЧЗЦ и усилителя.

Условие (2.35) называется балансом фаз, а условие (2.36) — балансом амплитуд. Любое изменение фазовых сдвигов и приводит к изменению частоты генерируемых колебаний и именно таким образом, чтобы условие (2.35) сохраняло силу. Частота, на которой это условие выполняется, называется частотой квазирезонанса.

Значение коэффициента передачи ЧЗЦ зависит от частоты . Поэтому для выполнения баланса амплитуд (2.36) в генераторе необходимо предусмотреть возможность автоматического изменения коэффициента передачи цепи ООСили коэффициента усиления усилителя. Для этого в цепь ООС включают нелинейное сопротивление так, как показано на рис. 2.14, где в качестве этого сопротивления используется термистор . Им может быть лампа накаливания, у которой сопротивление нити накала зависит от протекающего по ней тока. С ростом амплитуды выходного сигнала сопротивление увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента передачи цепи ООС . В результате амплитуда выходного сигнала снижается и устанавливается на таком уровне, при котором условие (2.36) выполняется.

Температура нити , а следовательно и сопротивление лампы накаливания практически не изменяются за время, равное периоду колебаний . Поэтому такой элемент называют инерционно нелинейным . К инерционно нелинейным элементам можно также отнести оптрон, состоящий из лампы накаливания и фотосопротивления. В генераторах без специального нелинейного элемента в цепи ООС ограничение амплитуды выходного сигнала происходит за счет естественной или специально созданной нелинейности амплитудной характеристики усилителя. В этом случае форма выходного сигнала усилителя может отличаться от синусоидальной. Для устранения этого недостатка применяют специальные схемы автоматической регулировки коэффициента усиления усилителя (АРУ).

Основными характеристиками ЧЗЦ являются: передаточная функция , комплексная частотная характеристика , частота квазирезонанса , коэффициент затухания и добротность . Рассмотрим эти характеристики.

Передаточная функция ЧЗЦ

Передаточная функция ЧЗЦ определяется как отношение изображений по Лапласу сигналов на входе и выходе ЧЗЦ, т.е.

. (2.37)

В рассматриваемом случае имеем (см. рис. 2.14, а)

где , , , , , т.е.

. (2.38)

Если какой либо параметр ЧЗЦ зависит от измеряемой величины , то соответствующий коэффициент передаточной функции ЧЗЦ ( или ) также зависят от .

Комплексная частотная характеристика ЧЗЦ

Подставляя в (2.38) , получаем комплексную частотную характеристику ЧЗЦ

, (2.39)

где — комплексные амплитуды напряжений на входе и выходе ЧЗЦ;

— модуль и аргумент комплексной частотной характеристики;

— действительная и мнимая части этой характеристики.

Для Г — образной ЧЗЦ имеем

, (2.40)

(2.41)

Частота квазирезонанса

Частотой квазирезонанса называется такое значение частоты выходного сигнала ЧСВ , при котором напряжение на выходе ЧЗЦ находится в фазе с напряжением на ее входе. Такое значение частоты можно найти из условия баланса фаз (2.35). Если , то для определения нужно решить уравнение

. (2.42)

Для Г — образной ЧЗЦ из этого уравнения получаем (см. (2.41))

. (2.43)

В этом случае в качестве ИПр можно использовать омический () или емкостной () преобразователи.

Коэффициент передачи ЧЗЦ (2.40) на частоте квазирезонанса максимален.

Коэффициент затухания ЧЗЦ

Коэффициент затухания представляет собой величину, обратную модулю коэффициента передачи ЧЗЦ на частоте квазирезонанса, т.е.

. (2.44)

Из условия баланса амплитуд (2.36) можно получить

где — значение коэффициента усиления усилителя на частоте квазирезонанса. Следовательно, коэффициент затухания ЧЗЦ определяет такое значение коэффициента усиления усилителя, которое соответствует стационарному режиму автоколебаний. Для Г — образной ЧЗЦ

Добротность ЧЗЦ

Добротность характеризует наклон фазо — частотной характеристики ЧЗЦ в окрестности точки и вычисляется по формуле.

(2.45)

При нарушении баланса фаз (2.35) относительное изменение частоты автоколебаний, обусловленное появлением в контуре автогенератора дополнительных фазовых сдвигов , обратно пропорционально добротности ЧЗЦ

. (2.46)

Поэтому чем выше добротность ЧЗЦ , тем больше стабильность частоты выходного сигнала. Для Г — образной ЧЗЦ получаем

. (2.47)

В частности, если (т.е. ) и (т.е. ), то .

Добротность цепей превышает добротностьицепей, но она значительно меньше добротности механических резонаторов. Поэтому частотные датчики с механическими резонаторами, обладают более стабильными характеристиками, чем электромагнитные преобразователи [29].

Определим статическую характеристику преобразователя с мостом Вина. Будем считать, что в рабочем диапазоне частот ИПр выполняется условие , т.е. фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают друг с другом. В этом случае частота выходного сигнала равна частоте квазирезонанса, т.е.

. (2.48)

Если в качестве ИПр используется омический преобразователь с линейной статической характеристикой , то

, (2.49)

где — постоянные коэффициенты, зависящие от параметров ИПр

, .

Таким образом, каждому значению измеряемой величины соответствует определенное значение частоты выходного сигнала преобразователя.

В работе автора [29] подробно рассмотрен расчет погрешности от нелинейности и инструментальных погрешностей ИУ с такой статической характеристикой.

2.6. Автоматические измерительные приборы

Высокую точность измерений обеспечивают автоматические измерительные приборы (АИП). В них измеряемая величина непосредственно или косвенно сравнивается с мерой, которая хранится в приборе или воспроизводится в нем с помощью отрицательной обратной связи. Это сравнение происходит автоматически, т.е. без участия человека.

Различают АИП с астатическим и статическим уравновешиванием. Отличие этих приборов определяется значением сигнала рассогласования в установившемся статическом режиме измерений. Для астатических АИП этот сигнал равен нулю, для статических – отличен от нуля. Различают также приборы компенсационного и следящего уравновешивающего преобразования. В них отличительным признаком является глубина охвата звеньев прибора отрицательной обратной связью.

На рис. 2.15, а показана схема прибора с астатическим уравновешиванием.

В нем обратная связь заводится на мостовую схему. Мост содержит омический ИПр , два резистора и потенциометр П, сопротивление которого зависит от перемещения его щетки. При изменении сопротивления ИПр нарушается равновесное состояние моста и в его измерительной диагонали появляется напряжение , зависящее от степени разбаланса. Будучи усиленным, это напряжение поступает в управляющую обмотку двигателя Д, вал которого связан с отсчетным устройством ОУ и с щеткой реохорда (с помощью кинематической передачи КП). При вращении вала изменяется сопротивление потенциометра , что приводит к восстановлению состояния равновесия моста. Соответствующее показание прибора считывается со шкалы ОУ.

Рис.2.15.

На рис. 2.15, б показана схема аналогичного прибора со статическим уравновешиванием. Он отличается тем, что вместо двигателя Д в нем используется магнитоэлектрический преобразователь МЭП. При протекании по обмотке этого преобразователя тока якорь МЭП, выполненный из постоянного магнита, втягивается внутрь обмотки, перемещая щетку потенциометра П.

Приборы, показанные на рис. 2.15, можно использовать для измерения температуры контролируемой среды. В этом случае роль омического ИПр выполняет терморезистор (аналогичный рассмотренному в разделе 3.3, см. рис. 3.3, а). Если используется емкостной или индуктивный ИПр, то мост должен питаться от источника переменного напряжения. Аналогичные схемы и принцип действия имеют различные ИУ с обратной связью: маятниковые акселерометры, гироскопические датчики, пневматические системы передачи информации, токовые весы, буйковые уровнемеры и пр.

На рис. 2.16, а показана обобщенная функциональная схема таких ИУ. На этом рисунке ИЭ – исполнительный элемент, роль которого в приборах с астатическим уравновешиванием выполняет двигатель Д, а в приборах со статическим уравновешиванием – МЭП. На рис. 2.16, б показана линеаризованная структурная схема автоматических приборов. Ее можно использовать для оценки работы приборов в динамическом режиме измерений, когда измеряемая величина изменяется во времени.

Рис. 2.16.

Определим статическую характеристику АИП, полагая, что статические характеристики всех его звеньев, кроме характеристики моста, линейные, т.е.

, ,

, , , (2.50)

где — начальное сопротивление ИПр; — перемещение щетки реохорда; — коэффициенты относительной чувствительности; — коэффициент усиления усилителя; — коэффициент передачи отсчетного устройства; — коэффициент передачи МЭП; — коэффициент передачи преобразователя КП.

Для прибора с астатическим уравновешиванием в установившемся состоянии имеет место равенство . С учетом формул (2.50) для этого состояния получим

, (2.51)

где — постоянный коэффициент, зависящий от параметров прибора. При выборе этих параметров нужно добиваться условия .

Статическая характеристика прибора со статическим уравновешиванием определяется решением системы уравнений (2.50), которые нужно дополнить характеристикой мостовой схемы включения (см. (2.17), (2.19))

, (2.52)

где — напряжение питания моста; — сопротивление нагрузки (входное сопротивление усилителя). В результате уравнение, связывающее показание прибора со значением измеряемой величины приводится к виду

, (2.53)

где — постоянные коэффициенты, зависящие от параметров прибора

, , ;

— относительное сопротивление нагрузки.

Отсюда следует

. (2.54)

При оптимальных значениях параметров прибора максимальное отклонение кривой (2.54) от желаемой характеристики прибора оказывается минимальным [30] (Приложение 5, задача 6.1).

Покажем отличия динамических характеристик рассматриваемых приборов. Для этого воспользуемся структурной схемой АИП, показанной на рис. 2.16, б. На этом рисунке используются следующие обозначения: — постоянные коэффициенты; — передаточная функция исполнительного элемента. Если в качестве этого элемента используется двигатель, то

, (2.55)

где — постоянная времени двигателя; — коэффициент передачи по скорости. Если исполнительным элементом является МЭП, то

, (2.56)

где — постоянная времени МЭП; — относительный коэффициент демпфирования подвижной системы МЭП, — коэффициент передачи (чувствительность) МЭП. В обоих случаях общая передаточная функция АИП имеет вид передаточной функции типового квазистатического ИУ второго порядка (см. (П2.2))

, (2.57)

где — коэффициент чувствительности прибора; — относительный коэффициент демпфирования и постоянная времени прибора; — собственная частота.

Для прибора с астатическим уравновешиванием в формуле (2.57) нужно принять

, , , (2.58)

Для прибора со статическим уравновешиванием

, , . (2.59)

При проектировании приборов следует добиваться выполнения условий

, , , (2.60)

где и — желаемые значения параметров, которые определяются исходя из требований, предъявляемых к динамическим характеристикам прибора (см. табл. 6.1). Зная их и используя формулы (2.58) и (2.59), можно выбор параметров прибора подчинить выполнению требований к показателям динамической точности. В разделе 6.3.1 показан пример такого расчета ( см. Пример 6.5).

Если желаемые значения коэффициентов передаточной функции прибора подобрать невозможно, то выполнение требований к динамическим характеристикам достигается введением в схему прибора специального корректирующего звена (см. раздел 6.3.2).

Рассмотренные приборы относятся к АИП компенсационного уравновешивающего преобразования. Более совершенные метрологические характеристики имеют астатические приборы следящего преобразования. В них отрицательной обратной связью охватывают все элементы прибора. Благодаря этому приборы следящего преобразования имеют высокую точность. Однако они, как правило, имеют более сложную конструкцию. Кроме того, их можно использовать для измерения ограниченного числа физических величин, допускающих непосредственное сравнение: перемещения, силы, тока, напряжения и др.

2.7. Согласование элементов прибора

К функциональным устройствам и блокам ИУ относятся первичный и промежуточные ИПр, схемы включения, вспомогательные элементы, нормирующие преобразователи, вычислительное устройство, отсчетное устройство, регистрирующее устройство и пр.

В соответствии с ГОСТ 22315-77, все устройства и блоки должны удовлетворять требованиям функциональной, информационной, электрической, эксплуатационной, конструктивной и метрологической совместимостей. Функциональная совместимость устройств обеспечивается согласованием выполняемых ими функций. Информационная и электрическая совместимости достигаются установлением стандартных сечений между сопрягаемыми средствами, а также применением унифицированных измерительных и вспомогательных сигналов для связи между ними. Эксплуатационная совместимость обеспечивается согласованностью технических характеристик элементов, определяющих сохраняемость свойств сопрягаемых блоков при изменении условий эксплуатации. Конструктивная совместимость обеспечивается согласованностью конструктивных характеристик элементов ИУ, метрологическая совместимость обеспечивается согласованностью метрологических характеристик всех средств измерений, составляющих тракт преобразования измерительной информации.

Согласование элементов прибора может быть энергетическим, метрологическим, информационным, конструктивным и т.д.

Энергетическим согласованием называется выбор таких значений параметров и режима работы ИПр, при которых измерительный сигнал на его выходе создает в нагрузке максимальную мощность. Обычно такой нагрузкой является последующий ИПр или отсчетное устройство.

Условием энергетического согласования генераторных ИПр является равенство модулей сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления ИПр, т.е. условие , а параметрических ИПр – условие , где – начальное сопротивление ИПр [31]. При выполнении этих условий мощность сигнала, получаемая нагрузкой, максимальна. Для определения условий энергетического согласования промежуточных ИПр можно применить теорию линейных четырехполюсников [3].

Энергетическое согласование является необходимым для стрелочных электромеханических приборов, содержащих в своем составе подвижную систему, связанную с указателем. Отклонение такой системы от равновесного положения тем больше, чем больше мощность измерительного сигнала. Вместе с тем часто приходится отступать от условий энергетического согласования в пользу других условий, например метрологических.

Метрологическое согласование элементов прибора требует выполнения следующих правил [30]:

При проектировании ИУ с последовательным соединением звеньев нужно стремиться к тому, чтобы ИПр, расположенный ближе ко входу ИУ, имел больший коэффициент чувствительности и меньшее значение аддитивной погрешности;
При проектировании ИУ с параллельным соединением звеньев нужно стремиться к тому, чтобы ИПр с большим коэффициентом чувствительности имел меньшее значение аддитивной погрешности;
При проектировании ИУ с обратной связью нужно стремиться к тому, чтобы ИПр, расположенный в цепи отрицательной обратной связи, имел малые значения мультипликативной и аддитивной погрешностей.

Информационное согласование элементов прибора достигается применением системы унифицированных сигналов. В табл. 2.8 дан перечень унифицированных аналоговых сигналов Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

Таблица 2.8.

Основные виды унифицированных аналоговых сигналов

Параметры сигнала	Вид сигнала
Физическая величина Электрический		Постоянный ток	0–5; 0–20; -5–0–5; 4–20 мА
		Постоянное напряжение	0–10; 0–20; -10–0–10 мВ 0–10; 0–1; -1–0–1 В
		Переменное напряжение	0–2; -1–0–1 В
		Частота	2–8; 2–4 кГц
Пневматический		Давление	0,02–0,1 МПа
Гидравлический		Давление	0,1–6,4 МПа

Все средства измерений и устройства ГСП имеют такие сигналы. Связь этих устройств осуществляется с помощью унифицированных преобразователей сигналов. Этим обеспечивается возможность создания комбинированных средств ГСП, которые строятся из блоков и модулей.

Конструктивная совместимость означает изготовление унифицированных элементов и узлов с определенными допусками и посадками, обеспечивающими нормальную работу прибора. Для этого необходимо точное выдерживание технологических процессов изготовления элементов прибора, его сборки, настройки и регулировки.

Контрольные вопросы

Назовите приборы и системы, отличающиеся назначением, принципом действия и областью применения.
Дайте определение терминам: измерительное устройство, измерительный прибор, датчик, измерительный преобразователь, измерительная установка, измерительная система. Назовите существенные признаки и основные отличия этих средств измерений.
Какие средства измерений относятся к измерительным устройствам ?
Назовите виды измерительных систем, отличающихся назначением. Назовите отличительные признаки этапов развития (поколений) ИИС.
Укажите на достоинства и недостатки приборов прямого и уравновешивающего преобразования, аналоговых и цифровых приборов.
Поясните отличие ИП статического и астатического уравновешивания.
Поясните состав и назначение вспомогательных элементов прибора.
Приведите примеры генераторных и параметрических ИПр. Укажите, чем отличаются они друг от друга.
Перечислите виды ИПр, отличающиеся информативным параметром выходного сигнала.
Перечислите режимы измерений физических величин. Поясните, чем они отличаются друг от друга.
Изобразите типовые структурные схемы ИУ. Поясните, чем они отличаются друг от друга.
Изобразите обобщенную структурную схему измерительного прибора. Поясните состав и назначение элементов этой схемы.
Изобразите обобщенную структурную схему измерительной системы. Поясните состав и назначение элементов этой схемы.
Изобразите структурные схемы двухканальных инвариантных ИУ. Поясните, за счет чего при использовании этих схем достигается инвариантность.
Перечислите основные виды первичных ИПр. Какие физические величины можно измерять с их помощью ?
Какие требования предъявляются к первичным ИПр ?
Поясните назначение схемы включения ИПр. Назовите основные виды схем включения.
Какова функция преобразования схемы делителя напряжений ? От каких параметров схемы зависит погрешность от нелинейности ее статической характеристики ?
Назовите типы мостовых схем включения. Напишите условие равновесия моста.
Напишите формулу, выражающую зависимость напряжения в измерительной диагонали моста от сопротивлений его плеч.
Поясните отличия статических характеристик мостовых ИУ с разным числом ИПр.
Поясните порядок расчета температурной погрешности мостового ИУ. Приведите пример такого расчета.
Назовите характеристики частотно-зависимых цепей. Приведите пример расчета этих характеристик для Г – образной схемы.
Поясните принцип действия генератора с мостом Вина.
Чем отличаются приборы с астатическим и статическим уравновешиванием? Поясните порядок расчета выходных характеристик таких приборов (Приложение 5, задача 6.1).
Назовите условия энергетического согласования элементов прибора.
Назовите условия метрологического согласования элементов прибора.

Преобразователь первичный — Справочник химика 21

Первичный измерительный преобразователь [c.61]

Основные параметры пневматических контактных преобразователей (первичных) [c.469]

Рассмотрим пример применения разработанной методики к обоснованию характеристик точности и надежности первичных измерительных преобразователей (анализаторов) физико-химических свойств и состава жидкостей и газов. Наиболее часто используют для этих целей в химической и нефтехимической промышленности газовые хроматографы, обладаюш,ие рядом преимуществ (возможностью анализа многокомпонентных смесей, высокой чувствительностью, универсальностью, относительной простотой и т. п.). Покажем, как практически нормируется рациональное значение точности, надежности и динамических характеристик хроматографа ХП-499, используемого для защиты установки от аварий. [c.96]

Прибор состоит из трех блоков преобразователя первичного, преобразователя температурного и преобразователя измерительного. Преобразователи первичный и температурный сделаны из стекла и сходны по конструкции. Преобразователь первичный показан на рис. 20.3. С измерительным преобразователем он соединяется с помощью соответствующего кабеля с разъемом гнездо для подключения температурного преобразователя находится на задней стенке прибора и на рис. 20.4 не указано. Преобразователь измерительный представлен на рис. 20.4. [c.223]

Измерительные преобразователи (первичные измерительные преобразователи, датчики) производят преобразование компонентов СВЧ-излучений и полей в электрические сигналы, удобные для последующей обработки. В качестве первичных измерительных преобразователей применяют полупроводниковые и термоэлектрические приборы [1, 13]. Полупроводниковые приборы (СВЧ-диоды и транзисторы) построены на базе р-п-перехода и за счет его нелинейных свойств дают возможность преобразовать СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока, видеосигналы или сигналы более низкой частоты (преобразование частоты). При выпрямлении СВЧ-колебаний получают видеосигналы или сигналы низкой частоты (выделение огибающей СВЧ-колебаний) и постоянную составляющую выпрямленного тока, что используется для непосредственной индикации сигналов магнитоэлектрическими микроамперметрами. Ког- [c.119]

СССР. Организация метрологической экспертизы конструкторской документации Преобразователи первичные ортогональных составляющих Нормируемые метрологические характеристики. Основные параметры [c.242]

В состав тахометра входят преобразователи первичные (датчики), блок наблюдения и управления, стрелочные и цифровые указатели частоты вращения. Техническая характеристика комплекса приведена ниже. [c.265]

КОМ виде они могут использоваться для калибровки прецизионных первичных преобразователей давления (вариант с мембранами), как интеграторы с непрерывным считыванием (кольцеобразный вариант) и т. д. [c.385]

Взрывобезопасность первичных преобразователей, датчиков, измерителей более надежно обеспечивается при использовании искробезопасных электрических цепей. Сущность искробезопасного исполнения заключается в том, что в применяемых электрических средствах автоматики сила тока и напряжение гарантируются такими, что энергия искры, возникающей в результате аварии или в нормальном рабочем режиме, недостаточна для воспламенения газовоздушной смеси. [c.180]

Первичный преобразователь давления с электрическим выходным унифицированным сигналом дистанционной передачи 4..20 мА [c.96]

К техническим средствам систем управления ГАПС относятся управляющие вычислительные машины (УВМ), устройства связи с объектом (УСО), первичные измерительные преобразователи, исполнительные механизмы. [c.269]

При использовании автоматических промышленных измерительных устройств в автоматических системах защиты распространен метод контроля работы измерительных преобразователей, информация от которых поступает на управляющую вычислительную машину (УВМ), по показаниям вторичных измерительных приборов, подключенных к первичному преобразователю. [c.115]

За результат измерений резервным измерительным устройством принимается для 1 варианта — результат измерений резервным измерительным устройством, для 2 и 3 вариантов — результат измерений в соответствии со стандартной процедурой на методы испытаний химической продукции, для 4 варианта — показания вторичного прибора, подключенного к первичному преобразователю. [c.116]

Для обеспечения исследования быстротекущих процессов термического разложения выходы ряда первичных измерительных преобразователей через нормирующие преобразователи могут поступать в ЭВМ. С помощью ЭВМ за счет снижения инерционности и повышения точности измерения удается изучить конечную стадию индукционного периода теплового взрыва. При проведении эксперимента обеспечивается полная герметизация реактора, что вызывает повышение давления в нем по ходу опыта. [c.179]

При прохождении нефти по технологическому трубопроводу первичные преобразователи, расположенные в блоке, формируют и выдают измерительную информацию (сигналы по плотности, влажности, давлению и температуре). Автоматический пробоотборник в периодическом или пропорциональном режиме по сигналу с блока управления осуществляет отбор точечных проб и накапливает их в сменном контейнере. Через установленное время наполненный контейнер с объединенной пробой нефти заменяется на порожний и направляется в аналитическую лабораторию для определения необходимых параметров качества нефти. [c.24]

На боковой стенке внутри помещения установлены два светильника для освещения приборов и оборудования. Управление вентилятором и светильниками осуществляется через кнопочный пост, установленный снаружи. Первичный преобразователь влагомера при прохождении нефти по технологическому трубопроводу формирует и выдает сигнал о содержании воды в жидкости. [c.46]

ВТН-1п состоит из первичного измерительного преобразователя, источника питания искробезопасного и электронного блока, осуществляющего обработку сигнала с первичного преобразователя и индикацию значений влажности на цифровом индикаторе. Состав первичного преобразователя СВЧ-генератор на диоде Ганна, аттенюатор поглощающего типа с ослаблением 5-7 дБ, ответвитель с переходным ослаблением 10-15 дБ и направленностью не хуже 10 дБ, проточный датчик, опорный и сигнальный детекторы, генератор пилообразного напряжения, усилитель напряжения переменного тока, логарифмирующий преобразователь, преобразователь напряжения — ток. [c.60]

Принцип действия влагомера основан на поглощении энергии микроволнового излучения водонефтяной эмульсией. Первичный преобразователь устанавливается на вертикальном участке. Направление потока снизу вверх. [c.63]

Блок электронный осуществляет подачу искробезопасных питающих напряжений и токов на первичный преобразователь, а также обработку поступающих с преобразователя сигналов в сигнал, пропорциональный влагосодержанию нефти. Значение влажности высвечивается в цифровом виде на жидкокристаллическом индикаторе и преобразуется в выходной токовый сигнал 4-20 мА. [c.63]

Первичный преобразователь состоит из СВЧ-переключателя и платы управления и выдает аналоговые сигналы, пропорциональные СВЧ мощности в опорном и измерительном каналах. Величина сигнала в измерительном канале зависит от влагосодержания нефти. [c.63]

Влагомер товарной нефти поточный УДВН-1п состоит из первичного СВЧ-преобразователя и электронного блока. Первичный преобразователь, выполненный в виде катушки высотой 63 мм, установлен между фланцами. Исполнение взрывозащищенное, устанавливается во взрывоопасных зонах. Электронный блок с входными искробезопасными цепями предназначен для установки вне взрывобезопасных зон. [c.62]

Различают следующие измерительные преобразователи первичный, к которому подведена измеряемая величина,. т. е. первый в измерительной цепи промешуточный, занимающий в этой цепи место после первичного передающий, используемый для дистанционной передачи сигнала измерительной информации масштабный, предназначенный для изменения величины в заданное число раз. [c.10]

Преобразователи первичные измерительные относительной влажности атмосферного воздуха на основе влагочувствительной керамики. Нормируемые метрологические характеристики. Основные параметры Система метрологического обеспечения Госкомгидромета. Ведомственный метрологический контроль. Организация и порядок проведения Система стандартизации воздушного транспорта. Организация и проведение работ по метрологическому обеспечению. Основные положения Отраслевая система обеспечения единства измерений. Метрологическая экспертиза нормативной и технической документации. Организация и порядок проведения Отраслевая система обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение спецтранспорта. Основные положения [c.242]

Аналогично технологическому выбирается информационное оборудование вычислительные машины, первичные измерилел .-иые преобразователи, интерфейс п т. п. [c.69]

Информация о состоянии управляемого объекта от первичные измерительных преобразователей поступает в управляющую ЭВМ в дискретные моменты времени, управляющие воз-дегствия вырабатываются в ЭBN[ и передаются на объект так-лсе в дискретные моменты времени. Интервал времени между дв мя следующими одно за другим измерениями значений режимного параметра процесса называется интервалом квантова-нп [ измерений. Аналогично, интервалом квантования регулиру-юи.их воздействий называется интервал времени между двумя сл( Дующими друг за другом регулирующими воздействиями. Этт интервалы не обязательно должны быть одинаковыми. Таким образом, часть информации о состоянии объекта теряется в результате ее квантования. Потеря информации опреде-ля тся видом функции х 1) (где х — режимный параметр) ч ве.тичиной интервала квантования. При малых интервалах кван-тоиания потеря информации невелика, но необходимо часто измерять значения параметров и выполнять расчеты на ЭВМ, при больших интервалах — напротив, измерения производятся реже, ио может быть потеряна зиачительиая доля информации.. [c.267]

Назначение устройств связи с объектом управления состоит в считывании информации от первичных измерительных преобразователей и ее преобразование из непрерывного представления в дискретное (аналого-цифровое преобразование), формирование сигналов для их выдачи на исполнительные устройства (цифро-аналоговое преобразование). Пульт оператора обеспечивает возможность оператору активно воздействовать на управляемый объект. [c.272]

Первичные измерительные преобразователи действуют либо по принципу измерения усилий в результате контакта с объектов (тактильные измерительные преобразователи), либо являются устройствами бесконтактного действия, которые получают информацию в виде оптического излучения, радиации, акустических нолн. [c.313]

Внедрение микропроцессорной техники в измерительную аппаратуру приводит к проблеме разработки первичных измерительных преобразователей, специально предназначенных для работы в системе цифрового сбора информации и управления.Наряду с использованием традиционных датчиков все большую актуальность приобретает разработка и внедрение твердотельных первичных преобразователей, предназначенных для непосредст- [c.71]

Установка для исследования кинетики роста и растворения кристаллов, включающая в себя ячейку-трубу, представлена на рис. 3.14. Установка состоит из термостатированной трубчатой ячейки, снабженной щлюзом для вывода частиц. По высоте ячейки через фиксированные расстояния установлены электронно-оптические преобразователи (ЭОП), представляющие собой блок из источников света и фотоприемника, снабженного щелевой диафрагмой. Фотоприемник выполнен на основе фотоэлектронного умножителя ФЭУ-74. Ячейка-труба с ЭОП представляет собой источник информации ИИ-1 в автоматизированной системе исследования кинетики роста кристаллов (рис. 3.15). Принцип действия ЭОП основан на прерывании светового потока, проходящего через щелевую диафрагму на фотоприемник, движущейся частицей. Сигнал с фотоприемника поступает на устройство первичной обработ- [c.293]

Целью данной работы было изучение возможностей промышленных устройств нового поколения и разработка единого программно-технического комплекса. Современные достижения в микропроцессорной технике во много.м способствовали появлению и развитию не только персональных компьютеров (ПК), но и специальных многоканальных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, к числу которых можно отнести карту типа АК-В3201. Установив такую карту на системной плате ПК, можно решить некоторые вопросы, связанные с надежностью ИИС, и создать автоматизированную систему научных исследований (АСНИ). Однако наличие в составе ПК карты типа АЯ-В3201, имеющей три цифро-аналоговых и восемь аналоговоцифровых каналов, требует создания единой программной оболочки для осуществления сбора и первичной обработки информации (ПОИ). Эту проблему надо решать комплексно, чтобы воспользоваться главным преимуществом АСНИ на базе ПК, которое состоит в переходе к цифровым методам сбора и ПОИ. В этой связи наибольший интерес представляет АСНИ для изучения теплового режима аппарата. ИИК для передачи информации о температуре в промышленных системах отработан, а датчики — термопары (ТП) и термосопротивления (ТС) перекрывают почти весь температурный диапазон. Для АСШ они зачастую просто недоступны и весьма громоздки, поэтому в качестве измерительных преобразователей приходится использовать полупроводниковые датчики и терморезисторы, при этом температурный диапазон от -100°С до [c.24]

Решение задачи первичного сбора информации о состоянии нефтепродукта обеспечивается с помощью блока сопряжения с преобразующей аппаратурой (БСПА), которая осуществляет циклический о.прос датчиков по всем измеряемым и контролируемым параметра.м и их запись в запоминающее устройство с последующей выдачей по запросу средств обработки. Кроме того, БСПА реализует непосредственное обращение к любому из подключенных к нему преобразователей, т. е. реализует и адресный сбор информации. [c.130]

Для первичных преобразователей (анализаторов) состава и свойств нефтепродуктов применяется Журнал учета надежности , предусматривающий ежедневное срарнение данных лабораторного анализа и показаний анализатора. Журнал заполняется прибористом согласно инструкции. Достоверность сведений, заносимых в журнал, контролируется независимо от прибориста по диаграммам записи вторичных приборов. [c.89]

В блоке БКН-К установлены электронагреватель ОЭВ, терморегулирующие устройства ТУДЭ, вентилятор ВЦЧ-70, пожарные извещатели ИП 103-2, пост управления вентилятором и светильниками, первичный измерительный преобразователь влагомера ВТН-1п и блок питания ВТН-1п, пробоотборник Проба-1М , преобразователь давления Сапфир 22ЕхДи , датчик газосигнализатора СТМ-10, датчики плотности жидкости 7835 с встроенными термопреобразователями сопротивления. [c.24]

На трубопроводной обвязке установлены (см. рис.2.3) турбинный преобразователь расхода для контроля расхода нефти через блок (ИР) автоматический пробоотборник (ПА) первичный преобразователь влагомера сырой нефти (ПВ) клапаны для подключения устройства УОСГ-ЮОМ для определения свободного газа в жидкости. Для контроля расхода жидкости через БКН-0 может применяться катушка с трубкой Пито, на которой устанавливается показывающий дифференциальный манометр с пределами измерения разности давлений от 0,8 до 6 кПа (0,008-0,06 кгс/см ). [c.46]

Сигнал с первичного преобразователя (ток 0-20 мА) после преобразования в напряжение подвергается линеаризации для компенсации нелинейной характеристики первичного преобразователя. Характеристика линеаризатора настраивается индивидуально для каждого комплекта первичный преобразователь — электронный блок . Для управления внешним стандартным самопишущим прибором. Линеаризованный сигнал преобразуется в ток (4-20 мА) и в цифровой код, а после депшфрования высвечивается на индикаторе. [c.62]

Эквивалентная электрическая емкость первичного преобразователя уменьшена за счет применения узлов VI, V2, состоящих из диодов, стабилитронов, резисторов и дублированных стабилизаторов напряжения типа КР 142 ЕН5Б. Перечисленные элементы также залиты компаундом. Разъем Х6 искробезопасных цепей невзаимозаменяемой модификации. К выходу самописец могут подключаться только приборы, имеющие искробезопасное исполнение. [c.63]

Первичный измерительный преобразователь — ток

Cтраница 1

Первичные измерительные преобразователи тока имеют много разновидностей. Основной разновидностью являются трансформаторы тока ( ТТ) с замкнутым ферромагнитным ( стальным) сердечником; иногда их сердечник имеет небольшой немагнитный зазор. По первичной обмотке ТТ проходит ток, подлежащий трансформации, по вторичной — в определенных пределах примерно пропорциональный ему вторичный ток. Таким образом, обычный ТТ является аналоговым измерительным преобразователем тока в ток. Его коэффициент трансформации, представляющий собой отношение первичного тока ко вторичному, является безразмерной величиной. [1]

Что представляет собой оптоэлектронный первичный измерительный преобразователь тока. [2]

Основным элементом ДТТ является аналоговый первичный измерительный преобразователь тока. Им может быть любой трансформатор тбка. Целесообразно, однако, использовать для этой цели МТТ. [3]

Эти реле включаются непосредственно в цепи первичных измерительных преобразователей тока. [5]

Под информационными ( практически не потребляющими энергии) первичными измерительными преобразователями тока понимаются такие, которые предназначаются только для формирования сигнала информации о преобразуемой первичной величине. Они функционируют за счет энергии источника питания и связаны со вторичными измерительными преобразователями. Передача информации к автоматическим устройствам, находящимся на потенциале земли, производится без отбора мощности от первичного измерительного преобразователя. В целом такие измерительные преобразователи тока представляют собой телеметрические информационные устройства. [6]

Под информационными ( практически не потребляющими энергии) первичными измерительными преобразователями тока понимаются такие, которые предназначаются только для формирования сигнала информации о преобразуемой первичной величине. Они функционируют за счет энергии источника питания и связаны со вторичными измерительными преобразователями. Передача информации к автоматическим устройствам, находящимся на по-тенциале земли, производится без отбора мощности от первичного измерительного преобразователя. В целом такие измерительные преобразователи тока представляют собой телеметрические информационные устройства. [7]

К измерительным органам воздействующая величина — ток — обычно подводится от первичных измерительных преобразователей тока. Они обеспечивают изоляцию цепей тока измерительных органов от высокого напряжения и позволяют независимо от номинального первичного тока получить стандартное значение вторичного тока. Наиболее распространенными первичными преобразователями тока являются измерительные трансформаторы тока ТА. Они имеют стандартный номинальный вторичный ток 1гНоми 5 А при любых значениях номинального первичного тока; допускается изготовление трансформаторов тока с номинальным вторичным током 12ном 2; 2 5 А. Трансформаторы тока иногда используют и в сетях напряжением до 1000 В. [9]

К измерительным органам воздействующая величина — ток — обычно подводится от первичных измерительных преобразователей тока. Они обеспечивают изоляцию цепей тока измерительных органов от высокого напряжения и позволяют независимо от номинального первичного тока получить стандартное значение вторичного тока. Наиболее распространенными первичными преобразователями тока являются измерительные трансформаторы тока ТА. Они имеют стандартный номинальный вторичный ток / гном 1; 5 А при любых значениях номинального первичного тока; допускается изготовление трансформаторов тока с номинальным вторичным током / 2ном 2; 2 5 А. Трансформаторы тока иногда используют и в сетях напряжением до 1000 В. [10]

Он зависит от конструктивных данных прибора, от схемы его включения и параметров первичного измерительного преобразователя тока или напряжения и фильтра симметричных составляющих. [11]

К измерительным органам воздействующая величина — напряжение — обычно подводится от первичных измерительных преобразователей напряжения. Они, как и первичные измерительные преобразователи тока, обеспечивают изоляцию цепей напряжения измерительных органов от высокого напряжения и позволяют независимо от номинального первичного напряжения получить стандартное значение номинального вторичного напряжения U2mM 100 В. [13]

Эти реле включаются непосредственно в цепи первичных измерительных преобразователей тока. [15]

Страницы: 1 2

Проектирование первичных измерительных преобразователей температуры и давления на полупроводниковых структурах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.032:539.23

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ

Ю.В. Яцинин, А.П. Королев

Кафедра «Материалы и технология», ГОУВПО «ТГТУ»; [email protected]

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: первичный измерительный преобразователь; полевой эффект; полупроводник; термочувствительный элемент.

Аннотация: Описаны результаты исследования влияния механических нагрузок и температуры на полупроводниковые структуры. Приведен алгоритм расчета оптимальных электрофизических и конструктивных параметров предлагаемого преобразователя. Рассмотрен вопрос термокомпенсации при измерениях величины пластической деформации.

В настоящее время широкое применение для измерения тепловых величин и давления находят преобразователи на микро- и наноразмерных полупроводниковых структурах. В этих целях используются различные элементы электронной техники — биполярные и полевые транзисторы, диоды, МДП-конденсаторы, полупроводниковые резисторы и другие. Достоинства полупроводниковых преобразователей давно оценены и широко описаны в различных изданиях. Так же известно, что параметры самой полупроводниковой структуры определяют ее выходные характеристики. К таким параметрам можно отнести следующие: конструкторско-топологические — длину и ширину канала, толщину подзатворного диэлектрика, длину базы и т.д.; электрофизические — потенциалы на электродах, концентрацию примеси, подвижность носителей заряда и др. Различное сочетание значений этих параметров оказывает разное влияние на эксплуатационные характеристики преобразователей, их технические данные (точность, чувствительность, диапазон измерения и др.), а, следовательно, определяет область применения первичного измерительного преобразователя (ПИП). Значит, параметры можно выбирать те или иные в зависимости от поставленной задачи. Нами предложена методика выбора требуемых параметров структуры при ее проектировании.

Проектируемый ПИП представляет собой резистор (рис. 1), работающий в режиме обогащения основными носителями заряда и управляемый потенциалом на изолированном электроде, используя полевой эффект. Структура преобразова-

теля формируется планарно в монокристаллическом полупроводнике п-типа. Для расчета параметров измерительной структуры необходимо провести математическое моделирование электрофизических процессов, происходящих в полупроводниковой подложке ПИП под действием механических напряжений и температуры, и связать их с конструкторско-топологическими параметрами. Для получения математической модели используются фундаментальные положения физики полупроводников, посредством которых модель выходной характеристики адаптируется для разрабатываемого преобразователя. г

— Vg +

rz 2kT.

Vd +———ln

BT 32

ехр

Eg (0)

2kT

e0ei

H-n1 — Vct +

Qs_

30sS

-\V2

+( VLd

Hct — 88|———

‘.300

-0,57

1,1 • 10

1268

300

-2,33

Qs —

— Vg +

1 + 7,92 -10

т/ 2kT

Vd +———-ln

-18 f T 300

-2,4

0,88

300

-0,146

BT 3/2

ехр

Eg (0) 2kT

e0s

0b 1

где 1в — ток в канале, А; 2 и Ь — ширина и длина канала, см; VsD — разность потенциалов между истоком и стоком, В; VG и VD — потенциалы на затворе и стоке соответственно, В; цп — подвижность электронов, см2-В-2-с-1; Цст — подвижность, связанная с рассеянием на ионах примеси, см2-В-2-с-1; ND — концентрация доноров, см-3; Т — температура, К; £а(0) — значение ширины запрещенной зоны, экстраполированное к 0 К, см; d — толщина подзатворного диэлектрика, см; £0, £/ и — диэлектрические проницаемости вакуума, диэлектрика и полупроводника соответственно; Qs — поверхностный заряд в канале, Кл-см2; В — эмпирический коэффициент, В = 3,873-1016 К3/2-см-3 [3]; е — заряд электрона, Кл; к — постоянная Больцмана, Дж.

При измерениях деформации в основу принципа работы предлагаемого ПИП положено влияние механических напряжений на проводимость в полупроводнике. Используя известные зависимости, была получена модель выходной характеристики преобразователя [9]:

и SD—Xqn

I —-

3EDSm52 (kT )32 + NDq3m12

V8nqh 4C|, 64л/Ле S (2kT )3/2

1 +

12nsskT 2 лД/3

qND

где д — элементарный заряд, Кл; п — концентрация электронов, см 3; Сц — механическая деформация; EDS — смещение края зоны проводимости на единицу деформации кристаллической решетки, Дж; х — глубина канала, см; к — постоянная Планка, Дж-с; т — эффективная масса электрика, г.

Это выражение описывает зависимость выходного тока от степени деформации. Следует отметить, что данная структура чувствительна к изменениям как температуры, так и деформации. Поэтому, при измерениях деформации необходимо также учитывать влияние температуры. Как показывает эксперимент, с увеличением температуры увеличивается значение выходного тока преобразователя при одинаковых механических нагрузках. Увеличение температуры на 1 К приводит к увеличению выходного тока в среднем на 0,2 мкА (в зависимости от параметров самой структуры), что составляет, примерно, 0,7…0,8 % от показания датчика. Такое значение погрешности, обусловленной влиянием только температуры, уже существенно. Следовательно, для увеличения точности необходимо вводить термокомпенсацию в схему измерения давления.

Если изготовить в одном технологическом процессе два таких преобразователя, то они абсолютно одинаково будут реагировать на изменения температуры. Для измерения деформации два одинаковых преобразователя следует включить в мостовую схему. Один из них участвует в измерении деформации, другой остается ненагруженным, но влияние температуры на них одинаково. Полученные математические зависимости для разрабатываемого ПИП позволяют рассчитать его электрофизические и конструктивные параметры (рис. 2).

Методика расчета позволяет проектировать преобразователь на любом моно-кристаллическом полупроводнике с известными характеристиками. Основной задачей расчета является определение оптимальных параметров структуры, при которых будет наибольшей чувствительность преобразователя в заданном диапазоне температур. Так как измерение температуры осуществляется посредством определения выходного тока, то чувствительность преобразователя определяется как д/д/дТ.

Алгоритм определения оптимальных параметров проектируемой структуры разработан на основе метода «чисел Фибоначчи» и метода «золотого сечения».

Исходными данными для расчета являются: VG — потенциал на управляющем электроде; VD — потенциал на стоке; Т — температура; d — толщина подзатворного диэлектрика; Ь — длина канала; 2 — ширина канала.

Программа состоит из основной части и подпрограммы. В начале программы вводятся интервалы параметров и минимальная разница параметра адоп, которая может быть обнаружена.

Затем задают начальные значения параметров, которые принимают равными минимальным значениям в установленных интервалах параметров (Уо ш{п, VD шт, dmin, Ьшш, 2ш{п). Далее по алгоритму, представленному на рис. 3, вычисляется оптимальное значение каждого параметра.

Определенные значения параметров выводятся на экран, которые дальше используются как входные данные для разработки технологии изготовления термочувствительного элемента.

При моделировании выходных электрофизических характеристик используются физико-топологические и конструктивные параметры, такие как концентрация примеси, длина канала, толщина подзатворного диэлектрика, расстояние между областями и контактами структуры, которые определяются технологическими режимами. Поэтому существует непосредственная связь между электрофизическими величинами и параметрами технологического процесса. Следовательно, при машинном расчете перечисленные параметры рассчитываются одновременно. Алгоритм технологического проектирования приведен на рис. 4.

Ввод исходных данных

Vg mirn Vg max, VD min, VD max, Tmax, Tmin, dmin dmax, Lmin, Lmax, —min —max;

AVg, AVd, Ad, AL, A—

Установка начальных значений

У^0 — тіп> У00 — У0 тіп> Л0 — drnin, Ьо — Ьтт> 20 — 2тіп

Vgo = Vg

Vdo = Vd

d0 : = d

L 0 : = L

Z0 : = Z

Подпрограмма поиска о Г птимального значения Vg

‘ Г

Подпрограмма поиска оптимального значения Уо

л г

Подпрограмма поиска оптимального значения Л

л г

Подпрограмма поиска оптимального значения Ь

л г

Подпрограмма поиска оптимального значения 2

Нет ‘ r

Вывод Vg, Vd, d, L, Z

Конец программы

Рис.

Определение приблизительных значений количества шагов

а := (Fn8 — 1)L/Fn-2

Fn, Fn-1, Fn-2

Xj min : Xj Xj max : X’

і і

Вычисление ДІ(Х min) Вычисление ДІ(Х/ max)

1 1

Рис. З. Алгоритм подпрограммы поиска оптимальных значений параметра

Так как термическое выращивание подзатворного диэлектрика после проведенной операции диффузии в области истока и стока вызывает разгонку введенной примеси (рис. 5), то задачу определения времени окисления и времени введения примеси следует решать одновременно. Все время диффузии делится на время введения (загонки) и время перераспределения (разгонки) примеси.

В базу данных вводится топологический размер хбок и толщина подзатворного диэлектрика й?ок (см. рис. 4).

Программа рассчитывает время окисления /ок, необходимое для выращивания подзатворного диэлектрика требуемой толщины й?ок; глубину загонки хз и время загонки /з такое, чтобы при дальнейшем окислении примесь достигла границы, равной заданному значению топологического размера хбок (см. рис. 5).

Известно, что погрешность термочувствительного элемента (ТЧЭ) уменьшается с уменьшением массогабаритных размеров. Полупроводниковая пластина, выпускаемая промышленностью, в которой изготавливается ТЧЭ, имеет толщину

0,3 мм (300 мкм), а толщина рабочего слоя, сформированного в приповерхностной

Исток Затвор

области пластины, составляет десятые доли микрометров. Поэтому обратную сторону подложки можно сошлифовывать или травить до минимально допустимой толщины.

Проработан и второй вариант получения тонкого ТЧЭ. В этом случае кремний осаждается на легкорастворимую основу в виде тонкой пленки и в ней формируется структура элемента, затем основа растворяется.

Для уменьшения отвода тепла из зоны измерений в качестве материала для токоведущих элементов выбран сильнолегированный поликремний. Токоведущие дорожки из такого материала обладают высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью.

Заключение

Предложена методика расчета оптимальных параметров полупроводникового ПИП тепловых величин и давления и технологических режимов его изготовления. Технологический расчет позволяет получить параметры структуры, обеспечивающие требуемые выходные характеристики ПИП.

Список литературы

1. Бриндли, К. Измерительные преобразователи / К. Бриндли. — М. : Энерго-атомиздат, 1991. — 143 с.

2. Ротберг, И.П. Полупроводниковый диод как датчик температуры / И.П. Ротберг, Н.П. Удалов // Автоматика и телемеханика. — 1963. — Т. 24, № 5. -324 с.

3. Тугов, Ч.М. Полупроводниковые приборы / Ч.М. Тугов. — М. : Энерго-атомиздат, 1990. — 576 с.

4. Пасынков, В. В. Полупроводниковые приборы : учеб. для вузов / Пасынков

B.В., Чиркин Л.К. — 5-е изд., испр. — СПб. : Лань, 2О01. — 480 с.

5. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов : в 2 кн. / С. Зи. — М. : Мир, 1984. — 2 кн.

6. Бонч-Бруевич, В.Л. Физика полупроводников / В.Л. Бонч-Бруевич,

C.Г. Калашников. — М. : Наука, 1977. — 672 с.

7. Бубенников, А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий приборов и схем / А.Н. Бубенников. — М. : Высшая школа, 1990. — 320 с.

8. Korolev, A. P. Solid State Primary Initial Transformer Design for Heat Values Measurement / A.P. Korolev, V.P. Shelochvostov, V.N. Chernyshov // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. — 1999. — Т. 5, № 4. — С. 536-542.

9. Первичный измерительный преобразователь упругих деформаций / А.В. Кочетков [и др.] // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. — 2003. — Т. 8, №. 4. -С. 702-703.

Designing of Primary Measuring Temperature and Pressure Converters on Semiconducting Structures

Yu.V. Yatsinin, A.P. Korolev

Department “Materials and Technology”, TSTU; [email protected]

Key words and phrases: field effect; primary measuring converter; semiconductor; thermo sensitive element.

Abstract: The paper describes the results of the research into the influence of mechanical load and temperature on the semiconducting structures. The algorithm of calculation of optimal electro physical and design parameters of the proposed converter is presented. The issue of thermo compensation in the measurements of the plastic flow size is examined.

Projektierung der primaren mechanischen Umformer der Temperatur und des Drucks auf den Halbleiterstrukturen

Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse der Untersuchung der Einwirkung der mechanischen Belastungen und der Temperatur auf die Halbleiterstrukture beschrieben. Es ist den Algorithmus der Berechnung der optimalen elektrophysikalischen und konstruktiven Parameter des vorschlagenden Umformers angefuhrt. Es ist die Frage der Thermokompensierung bei der Veranderung der Grofte der plastischen Deformierung betrachtet.

Conception des convertisseurs primaires de mesure de temperature et de la tension sur les structures semi-conducteurs

Resume: Sont decrits les resultats des etudes des charges mecaniques et de la temperature sur les structures semi-conducteurs. Est cite l’algorithme du calcul des parametres electrophysiques et constructifs du convertisseur propose. Est examine la question de la thermocompensation lors de la mesure de la grandeur de la deformation plastique.

Авторы: Яцинин Юрий Владимирович — магистрант; Королев Андрей Павлович — кандидат технических наук, доцент кафедры «Материалы и технология», ГОУ ВПО «ТГТУ».

Рецензент: Исаева Ольга Вячеславовна — кандидат химических наук, доцент кафедры «Физика», ГОУ ВПО «ТГТУ».

Измерительный преобразователь средств измерений: классификация

Преоброзователь ИП3 — свойство — выходной сигнал

Для преобразования одних измеряемых величин в другие или в сигналы измерительной информации, которые являются удобными для хранения. Обработки, дальнейших преобразований, а также индикации и передачи, существуют измерительные преобразователи.

Они разделяются, в зависимости от места расположения в измерительной цепи, на:

промежуточные преобразователи
первичные, которые называют также датчиками.

К этому виду относятся преобразователи, на которые действует непосредственно подлежащая измерению величина. Другие преобразователи относятся к промежуточным. Расположены они, понятно, после преобразователя первичного.

Операции преобразования измерительного сигнала

Чаще ими бывают:

изменение рода физического величины;
линейное и нелинейное (масштабное) преобразование;
аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования;
преобразование масштабно-временное;
преобразование функциональное, т.е. различные математические операции, совершаемые над измеряемой величиной.

Понятно, что данная классификация весьма условна, потому, что в одном средстве измерений может быть не один первичный измерительный преобразователь. Примером может служить термопара в цепи термоэлектрического термометра.

Измерения с помощью преоброзователей

eNod3-C Цифровой измерительный преобразователь

Кроме того, к нарушению описываемого принципа классификации приводит специфика аналитических измерений, которые являются преобразованием измеряемой величины, относящейся к информативным параметрам анализируемой среды (несущим информацию о величине, которую измеряют), а также ее сравнение с мерой.

Проводятся такие измерения при помощи совокупности преобразователей, включая:

Преоброзователь ИП1 — состав-состав

Преобразователи импульсные ИП-01

ИП1 – это измерительный преобразователь «состав-состав», с помощью которого проводят масштабные преобразования пробы, которую анализируют.

Характеризуется проба параметром С – содержанием компонента, который хотят измерить, а также Сн – комбинацией параметров неинформативного вида, к которым относят неопределяемые компоненты (мешающие), а также термодинамические параметры среды, которую анализируют.

Смесь, проходящая через ИП1, подвергается очистке, сушке, изменению температуры, давления до нужной величины. После всех преобразований отбираются в нужном количестве пробы.

Преоброзователь ИП2 — состав – свойство

ИП2 — преобразователь «состав – свойство». Он позволяет преобразовывать измеряемые величины С в физико-химические свойства, удобные для регистрации и последующих измерений.

Часто преобразования проходят в два этапа:

На первом этапе получают промежуточный продукт, который находится в твердой или жидкой фазе, которая содержит компоненту Ynpом(C).
Затем идет второй этап преобразования, в результате которого получают свойство Ф(Ynpом).

Преоброзователь ИП3 — свойство — выходной сигнал

Измерение сигналов от потенциометрических датчиков ИП-3-ТК (ИП-3-ТК-24)

С помощью ИП3 «свойство — выходной сигнал» обеспечивается преобразование в выходной сигнал измеряемой величины W.

Это преобразование также проходит в два этапа:

Вначале в сигнал Wnpом (Ф) (это преобразование одной из электрических величин в другую).
Получив от анализируемого объекта при помощи совокупности измерительных приборов сигналы выходные, производят сравнения меры и измеряемой величины по калибровочной зависимости, после чего находят оценочное значение С*.

Еще полезные статьи:

Выбор методов и СИ при разработке МВИ. Общие положения

Метод поверки непосредственного сличения двух СИ

Метод прямого измерения СИ

Метод сличения поверяемого СИ с образцовым, с помощью компаратора

Организация и порядок проведения поверки си

Методика поверки и порядок разработки и требования к методикам поверки СИ

Аккредитация на право поверки СИ

5. Приборы с электрическим выходным сигналом

Функционирование современных систем на основе микропроцессорной техники, организация сигнала по измеряемому давлению, автоматизация технологических процессов, включая системы аварийной защиты, требуют измерительных преобразователей с унифицированным электрическим сигналом в виде тока, напряжения, частоты.

За последние десятилетия конструкции измерительных преобразователей давления, разрежения и разности давлений с электрическим выходным сигналом претерпели существенные изменения. Многие типы приборов безвозвратно ушли в историю. Освоены в производстве модели устройств, базирующиеся на новых принципах работы, а также системах преобразования и передачи сигналов, и имеющие более высокие метрологические и качественные технические характеристики, новые функциональные возможности.

Измерительный преобразователь, согласно РМГ 29-99/6/, — это техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Зачастую измерительные преобразователи называют датчиками. Датчик – это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию/6/.

Измерительный преобразователь может быть представлен как система, состоящая из первичного измерительного преобразователя – чувствительного элемента 1 (рис. 5.1) и блока усиления 2. Чувствительный элемент,

Рис. 5.1. Принципиальная схема электропреобразовательного прибора: 1–чувствительный элемент; 2 – блок усиления

как в манометрах с тензорезисторными, емкостными или пьезоэлектрическими сенсорами, трансформирует воздействующее на него давление в электрический выходной сигнал.

Как правило, электрический выходной сигнал на выходе чувствительного элемента – первичного измерительного преобразователя не превышает несколько сот милливольт.

Блок усиления на основе выходного сигнала чувствительного элемента формирует унифицированный электрический сигнал, пригодный для управления системами автоматического регулирования, сигнализации и регистрации.

В других типах манометрических приборов (например, в приборах с индуктивными преобразователями) измеряемое давление трансформируется в линейное перемещение плунжера, которое в свою очередь преобразуется в электрический выходной сигнал. В этом случае блок усиления также предварительно преобразует неэлектрический параметр в электрический.

Чувствительный элемент – первичный преобразователь, называемый зачастую английским термином «сенсор» (sensor), определяет в основном технические характеристики измерительного преобразователя. В свою очередь на технические характеристики сенсора, включая чувствительность, величину гистерезиса, нелинейность основной зависимости, оказывает влияние заложенный принцип преобразования, уровень использованных технологий и материалов, культура его производства.

Выходные сигналы измерительных преобразователей давления, разрежения и разности давлений предназначены для автоматизации процесса измерения: связи с вторичными приборами, регуляторами, сигнализаторами и машинами централизованного и индивидуального контроля.

Согласно ГОСТ 22520–85/26/ выходными сигналами с измерительных преобразователей могут быть:

— токовые сигналы и сигналы напряжения постоянного тока следующие: 0-5; 0-20; 4-20 мА; 0-10; 0-5; 0-1 В – по ГОСТ 26.011-80;

— сигналы напряжения переменного тока – по ГОСТ 26.011-80;

— частотные сигналы – по ГОСТ 26.010-80.

По изменениям, внесенным в этот ГОСТ в 1991 году, применение сигнала 0-20 мА не рекомендуется.

Наибольшее распространение в последние годы приобрели приборы с токовым сигналом 4…20 мА, хотя ранее достаточно широко применялись токи 0…5 и 0…20 мА. Расширение использования таких сигналов было затруднено сложностью контроля точки «нуль», которая в ряде измерительных схем могла быть как начальной точкой рабочего диапазона преобразования, так и обрывом или коротким замыканием цепи.

Кроме этого, преимущество преобразователей с выходным сигналом 4…20 мА состоит в возможности обеспечения их питанием и контроля выходного сигнала по двухпроводной схеме.

Использование в качестве выходного параметра сигнала 0…5 или 0…20 мА предопределяет достаточно «строгое» отношение к питанию прибора, что объясняется использованием в этих измерительных схемах неуравновешенных мостов. Так, у приборов серии «Сапфир» с такими выходными сигналами источник питания должен иметь выходные характеристики 36 ± 0,72 В, в то время как прибор с выходным сигналом 4…20 мА может питаться от источника постоянного тока напряжением от 15 до 42 В.

Унифицированными выходными сигналами могут быть индуктивные, а также иные виды электрических сигналов. В угольной отрасли, некоторых химических производствах используются пневматические унифицированные параметры.

Применение в современных системах управления, контроля и измерения цифровой техники привело к производству измерительных преобразователей, выходным сигналом у которых является цифровой код, форма и параметры которого определяются принятыми стандартами. Наибольшее распространение в качестве стандартов получили Hart, Profibus, Foundationfieldbus-протоколы. Конструкции приборов с протоколом Hart (HighwayAddressableRemoteTransducer – Адресная шина дистанционного преобразователя) объединены в семейство Smart. Основной вклад в развитие HART-направления положила фирма ROSEMOUNTInc., которая разработала современную систему цифровой коммуникации, отличающуюся большим быстродействием.

Измерительные преобразователи давления, разрежения и разности давлений, поддерживающие HART-протокол, активно предлагает компания «Метран». HART-система коммуникации занимает промежуточное положение между аналоговым и цифровым выходами. Реально HART-протокол является цифровым усовершенствованием токовой петли 4…20 мА, и преобразователи с такими системами могут успешно, как свидетельствуют данные компании «МЕТРАН», заменять аналоговые и использовать все преимущества цифрового обмена уже в действующих системах. Так, измерительные преобразователи, поддерживающие HART-протокол и обладающие всеми свойствами аналоговых приборов, обеспечивают возможность считывания через собственный индикатор значения измеряемого давления в задаваемых единицах. Эти приборы отличаются повышенной точностью, а также имеют дополнительные возможности по настройке, диагностике, конфигурированию собственных ресурсов измерителя. Управление такими системами реализуется через персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением и HART-модемом или с помощью портативного HART-коммуникатора.

На одной паре проводов может устанавливаться до
15-ти измерительных преобразователей, поддерживающих HART-протокол. Конфигурация такой линии определяется ее длиной, качеством, а также мощностью питания данных преобразователей.

Номинальная статическая характеристика измерительных преобразователей давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами должна соответствовать одному из следующих видов/26/:

у — y_н= k(x-x_о) в интервале y_нy y_в;(5.1)

у — y_н= a(x-x_о) ^1/2 в интервале y_сy y_в,(5.2)

где у – текущее значение выходного сигнала датчика;

y_н,y_в — соответственно нижнее и верхнее предельные значения выходного сигнала; | y_н—y_в| — диапазон изменения выходного сигнала;

y_с — наименьшее значение выходного сигнала, при котором гарантируется номинальная статическая характеристика; при этом отношение с = ( y_с — y_н ) / (y_в — y_н) 0,3 устанавливают в технических условиях на датчики конкретных типов;

k, a— коэффициенты пропорциональности, при этом k0 или k 0 и a 0;

x — значение измеряемой величины;

x_о — значение измеряемой величины, при котором расчетное значение y = y_н.

Номинальные значения напряжений питания следует выбирать из ряда: 6, 12, 15, 24, 27, 36, 42, 48, 60, 110 и 220 В постоянного или переменного тока по ГОСТ 23366-78. Остальные параметры напряжения питания – по ГОСТ 18953-73.

Пределы допускаемой основной погрешности датчиков, выраженной в процентах от диапазона измерений или верхнего предела измерений, следует принимать из ряда: +/- 0,1; +/- 0,15; +/- 0,16; +/- 0,2; +/- 0,25; +/- 0,4; +/- 0,5; +/- 0,6; +/- 1,0; +/- 1,5.

Импортные промышленные приборы могут иметь допускаемую основную погрешность +/- 0,075, +/- 0,07, +/- 0,05, +/- 0,04, +/- 0,02.

Измерительные преобразователи давления, разрежения и разности давлений, кроме основной могут иметь дополнительные погрешности от влияния внешних воздействующих факторов: вибрации, рабочего избыточного давления (для преобразователей разности давлений), атмосферного давления (для датчиков абсолютного давления), температуры окружающего воздуха, напряжения и частоты тока питания, внешнего магнитного поля, сопротивления нагрузки.

Какие типы преобразователей?

Преобразователь преобразует физическую величину в электрический сигнал. Это электронное устройство, которое выполняет две основные функции: считывание и преобразование. Он воспринимает физическую величину, а затем преобразует ее в механические работы или электрические сигналы.

Преобразователи бывают разных типов, и их можно классифицировать по следующим критериям.

Используется по преобразованию.
в качестве первичного и вторичного преобразователя
как пассивный и активный преобразователь
как аналоговый и цифровой преобразователь
как преобразователь и инверсный преобразователь

Преобразователь принимает измеряемую величину и выдает пропорциональный выходной сигнал.Выходной сигнал отправляется в устройство кондиционирования, где сигнал ослабляется, фильтруется и модулируется.

Входная величина — это неэлектрическая величина, а выходной электрический сигнал имеет форму тока, напряжения или частоты.

1. Классификация на основе принципа трансдукции

Преобразователь классифицируется по среде трансдукции. Среда преобразования может быть резистивной, индуктивной или емкостной, в зависимости от процесса преобразования, от того, как входной преобразователь преобразует входной сигнал в сопротивление, индуктивность и емкость соответственно.

2. Первичный и вторичный преобразователи

Первичный преобразователь — Преобразователь состоит как из механических, так и из электрических устройств. Механические устройства преобразователя преобразуют физические входные величины в механический сигнал. Это механическое устройство известно как первичные преобразователи.

Вторичный преобразователь — Вторичный преобразователь преобразует механический сигнал в электрический сигнал. Величина выходного сигнала зависит от входного механического сигнала.

Пример первичного и вторичного преобразователя

Рассмотрим трубку Бурдона, показанную на рисунке ниже. Трубка действует как первичный преобразователь. Он определяет давление и преобразует его в смещение от свободного конца. Смещение свободных концов перемещает сердечник линейного трансформатора переменного смещения. Движение сердечника вызывает выходное напряжение, которое прямо пропорционально смещению свободного конца трубки.

Таким образом, в трубке Бурдона происходят два типа трансдукции.Сначала давление преобразуется в смещение, а затем преобразуется в напряжение с помощью L.V.D.T.

Трубка Бурдона является первичным преобразователем, а L.V.D.T называется вторичным преобразователем.

3. Пассивный и активный преобразователь

Преобразователь подразделяется на активный и пассивный преобразователь.

Пассивный преобразователь — Преобразователь, которому требуется питание от внешнего источника питания, известен как пассивный преобразователь.Они также известны как внешний преобразователь мощности. Емкостный, резистивный и индуктивный преобразователи являются примером пассивного преобразователя.

Активный преобразователь — Преобразователь, не требующий внешнего источника питания, называется активным преобразователем. Такой тип преобразователя вырабатывает собственное напряжение или ток, поэтому он известен как самогенерирующийся преобразователь. Выходной сигнал получается из физической входной величины.

Физические величины, такие как скорость, температура, сила и интенсивность света, индуцируются с помощью преобразователя.Пьезоэлектрический кристалл, фотоэлектрический элемент, тахогенератор, термопары, фотоэлектрический элемент являются примерами активных преобразователей.

Примеры — Рассмотрим примеры пьезоэлектрического кристалла. Кристалл зажат между двумя металлическими электродами, и вся прослойка прикреплена к основанию. Сверху кладется масса.

Пьезокристалл обладает особым свойством, благодаря которому при приложении силы к кристаллу индуцируется напряжение.База обеспечивает ускорение, за счет которого генерируется напряжение. Масса, приложенная к кристаллам, индуцирует выходное напряжение. Выходное напряжение пропорционально ускорению.

Вышеупомянутый преобразователь известен как акселерометр, который преобразует ускорение в электрическое напряжение. Этот преобразователь не требует дополнительных источников питания для преобразования физических величин в электрический сигнал.

4. Аналоговый и цифровой преобразователь

Преобразователи также можно классифицировать по их выходным сигналам.Выходной сигнал преобразователя может быть непрерывным или дискретным.

Аналоговый преобразователь — Аналоговый преобразователь изменяет входную величину на непрерывную функцию. Тензодатчик, L.V.D.T, термопара, термистор являются примерами аналогового преобразователя.

Цифровой преобразователь — Эти преобразователи преобразуют входную величину в цифровой сигнал или в форму импульса. Цифровые сигналы работают на большой или малой мощности.

5. Преобразователь и обратный преобразователь

Преобразователь — Устройство, преобразующее неэлектрическую величину в электрическую величину, называется преобразователем.

Обратный преобразователь — Преобразователь, который преобразует электрическую величину в физическую величину, такой тип преобразователей известен как обратный преобразователь. Преобразователь имеет высокий электрический вход и низкий неэлектрический выход.

Какие бывают типы преобразователей?

Преобразователь — это устройство, преобразующее неэлектрическую величину в электрическую величину. Он состоит из детектирующего / чувствительного элемента и преобразовательного элемента.На основе преобразовательного элемента существует три различных типа преобразователей: емкостные, индуктивные и резистивные преобразователи. Кроме того, преобразователи подразделяются на следующие типы:

Первичный и вторичный преобразователи
Пассивный и активный преобразователь
Аналоговый и цифровой преобразователь
Преобразователи и обратные преобразователи

Эта классификация показана ниже в наглядной форме для лучшего понимания предмета.

Описание каждого типа датчиков:

Классификация, основанная на принципе трансдукции:

Преобразователь классифицируется как резистивный, индуктивный или емкостный в зависимости от того, как они преобразуют входную величину в сопротивление, индуктивность или емкость соответственно. Их можно разделить на пьезоэлектрические, термоэлектрические, магнитострикционные, электрокинетические и оптические.

Первичный и вторичный преобразователи:

Первичный преобразователь — это детектирующий или чувствительный элемент, который реагирует на изменение физических явлений.В то время как вторичный преобразователь преобразует выходной сигнал первичного преобразователя (выходной сигнал в виде механического движения) в электрический выходной сигнал. Давайте разберемся с этим типом преобразователя на примере.

Давайте рассмотрим пример измерения силы сжатия с помощью датчика веса и тензодатчика, как показано на рисунке ниже.

Датчик веса

представляет собой короткую колонну или стойку с прикрепленным к ней тензодатчиком из проволочного сопротивления. Здесь нас интересует измерение приложенной силы.Когда на тензодатчик подается, в нем создается деформация. Сила сначала обнаруживается колонной и преобразуется в деформацию, которая в основном представляет собой механическое смещение. Чем выше приложенная сила, тем больше деформация будет создаваться в колонне. Эта деформация изменяет сопротивление тензодатчика. Таким образом, мы получаем результат в виде изменения сопротивления, которое является электрической величиной. Изменение сопротивления тензодатчика калибруется с приложенной силой, и, следовательно, выходной сигнал тензодатчика напрямую указывает значение приложенной силы.

Весь процесс измерения силы с помощью тензодатчика и тензодатчика можно разделить на две части. Во-первых, приложенная сила вызывает механическое движение, называемое деформацией. Затем тензодатчик реагирует на механическое движение и обрабатывает соответствующее изменение значения сопротивления.

Таким образом, мы видим, что сила обнаруживается колонной на первой ступени и, следовательно, называется первичным преобразователем. Выходной сигнал первичного преобразователя впоследствии преобразуется тензодатчиком в электрический выходной сигнал, поэтому они известны как вторичные преобразователи.

В большинстве измерительных систем существует комбинация, в которой механическое устройство действует как первичный преобразователь, а электрическое устройство действует как вторичный преобразователь с механическим смещением, служащим промежуточным сигналом.

Пассивные и активные преобразователи:

Пассивный преобразователь:

Преобразователь, для работы которого требуется внешний источник питания, называется пассивным преобразователем. Этот внешний источник питания называется вспомогательным источником питания и необходим для функционирования преобразовательного элемента.Этот тип преобразователя также называется преобразователем с внешним питанием.

«POT» — это пример пассивного преобразователя. Он используется для преобразования линейного смещения в электрический сигнал. POT — это в основном резистивный провод, который подключается к внешнему источнику питания e _i, как показано на рисунке ниже. Линейное смещение составляет x _i, а выходное напряжение составляет e _o.

Пусть длина резистивного провода L, а полное сопротивление R _t.Когда линейное смещение составляет x _i, сопротивление провода через e _o составляет (R _t / L) x _i, и, следовательно, выходное напряжение e _o будет определяться правилом деления напряжения как ниже.

e _o = [e _i (R _t / L) x _i] / R _t

= e _i (x _i / L)

x _i = (e _o / e _i) L

Из приведенного выше примера ясно, что линейное смещение прямо пропорционально выходному напряжению для данного входного напряжения и длины сопротивления.Также можно заметить, что POT не может работать, если не подключен внешний источник питания. Это причина; это своего рода пассивный преобразователь. Таким образом, можно сказать, что пассивный преобразователь явно требует внешнего источника питания, иначе он не будет работать.

Активный датчик: Активные датчики

— это датчики, для работы которых не требуется внешний источник питания. Это не означает, что датчики такого типа вообще не требуют питания. Фактически, мощность, необходимая для функционирования, проистекает из самого физического изменения.Примером активного преобразователя является пьезоэлектрический кристалл. Когда к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается внешняя сила, на его поверхности возникает ЭДС, к которой прилагается сила. Это свойство используется для создания активного преобразователя. Этот датчик называется акселерометром и используется для измерения ускорения.

В акселерометре пьезоэлектрический кристалл зажат между двумя металлическими электродами, и устройство закреплено на полу, ускорение которого необходимо измерить.Сверху сэндвича кладут фиксированную массу. Расположение акселерометра показано на рисунке ниже.

Когда пол движется с ускорением, на сэндвич действует сила, пропорциональная ускорению, и, следовательно, на электродах создается ЭДС. Эта ЭДС прямо пропорциональна ускорению и, следовательно, указывает на ускорение движущегося тела.

Здесь следует отметить, что для работы акселерометра не требуется внешнего источника питания.Следовательно, это активный преобразователь.

Аналоговые и цифровые преобразователи:

Аналоговые преобразователи: Аналоговые преобразователи

— это преобразователи, выходной сигнал которых является непрерывным во временной области. По сути, это означает, что электрический выходной сигнал будет непрерывной функцией времени. Примером аналоговых преобразователей являются RTD, термопара, LVDT, RVDT, термистор и т. Д. В RTD и термопаре выходной сигнал имеет форму напряжения, которое всегда доступно.

Цифровые преобразователи: Преобразователи

, которые преобразуют входную величину в электрический выходной сигнал в форме импульса, называются цифровыми преобразователями.Обратите внимание, что выходной сигнал не является непрерывным, а имеет форму импульса, что означает, что он дискретный. Примером цифрового преобразователя является датчик вала, концевой выключатель, цифровой тахометр и т. Д. Концевой выключатель — это простейший пример цифрового преобразователя.

Датчик вала

используется для измерения углового положения и скорости, и его выходные данные являются цифровыми по своей природе. Он широко используется в робототехнике, управлении вращающимися механизмами, такими как кран.

Преобразователи и обратные преобразователи:

Преобразователи:

Устройства, которые преобразуют неэлектрическую величину в электрическую величину, широко известны как преобразователи.

Обратные преобразователи:

Устройства, которые преобразуют электрическую величину в неэлектрическую величину, называются обратным преобразователем. Само название подразумевает, что функция обратного преобразователя обратна преобразователю.

В преобразователях этого типа электрический сигнал намеренно преобразуется в какое-то физическое изменение. Примером обратных преобразователей является пьезоэлектрический кристалл. Когда на поверхность пьезоэлектрического кристалла подается напряжение, он меняет свои размеры.Таким образом, электрическая величина превращается в физическую величину. Другой пример — катушка, по которой течет ток и которая находится в магнитном поле. Из-за взаимодействия тока катушки с магнитным полем она начинает вращаться или перемещаться. Обратные преобразователи в основном используются в системе управления для управления различными параметрами процесса, а именно. давление, температура, рабочий объем и т. д.

Первичный измерительный преобразователь Последние исследования

На сегодняшний день даже в развитых странах Европы более 50% энергетического оборудования гидроэлектростанций отработало свой проектный срок.В странах СНГ процент такого оборудования еще выше. Полная замена такого оборудования требует больших вложений, при этом значительная часть последнего имеет удовлетворительное техническое состояние для дальнейшего продления срока службы. Однако с увеличением наработки каждого электрооборудования неизбежно возрастает вероятность его выхода из строя, что может привести к значительным материальным потерям и значительной опасности для жизни и здоровья персонала электростанции.Следовательно, с учетом вышеизложенного, системы мониторинга и ранней диагностики, на которые возложена функция защиты как гидравлических турбин, так и вспомогательного силового оборудования, становятся все более актуальными. Одним из наиболее перспективных методов технического контроля и диагностики гидроагрегатов является анализ их виброакустических характеристик. Включая осевую составляющую. Однако существенной технической проблемой, возникающей при построении таких систем, является ограниченное использование известных датчиков абсолютного виброперемещения из-за отсутствия их высокоточных математических моделей.В статье разработана математическая модель накладного параметрического вихретокового первичного измерительного преобразователя абсолютного смещения. Показано, что как эффективное значение выходного тока, так и сдвиг его начальной фазы оказываются функционально зависимыми от расстояния между датчиком и проводящей средой при стабильном питающем напряжении. Установлено, что при обеспечении приемлемых габаритных размеров этот датчик обладает достаточной чувствительностью для преобразования смещения в эффективное (амплитудное) значение выходного тока, которое является постоянным в диапазоне перемещений от 0 до 5 мм, чтобы обеспечить требуемая точность измерения.

типов преобразователей: какие типы следует покупать?

Электрические преобразователи представляют собой такое устройство для преобразования различных физических величин в электрические величины, и на рынке существует множество типов преобразователей. Их следует использовать в большинстве измерительных устройств, чтобы данные можно было наблюдать и регистрировать последовательно. Электрический выход представляет собой полезное напряжение или электрический ток, эквивалентный измеренной величине. Давление, температура, рабочий объем и т. Д., будет измеряться, а выходной сигнал и данные могут отображаться и записываться датчиком для анализа и последующей обработки. Например, датчик давления преобразует определенное давление в системе в определенную электрическую величину.

Электрический преобразователь — одна из наиболее важных частей любого измерительного прибора и промышленного применения. Следует отметить, что преобразователь — это устройство, преобразующее одну энергию в другую, и его природа не имеет значения. Например, громкоговорители и пьезоэлектрические устройства преобразуют электрический сигнал в волны физического смещения и давления.Кстати, электрический преобразователь — это система преобразования физических величин в электрический сигнал.

Преобразователи какого типа следует покупать?

Множество различных параметров делают преобразователь отличным и полезным для клиента. Выбирая датчик, будьте осторожны и помните о следующих моментах:

Эффект нагрузки незначителен для датчиков с низким выходным сопротивлением и высоким входным сопротивлением
Должно иметь хорошее разрешение во всем диапазоне.
Попробуйте купить высокочувствительный с меньшим количеством нежелательных сигналов.
Преобразователь лучше покупать малогабаритный и весовой.
Учитывайте рабочую ситуацию, например влажную или агрессивную среду.
Устойчивость к вибрации, давлению, ударам, температуре и т. Д. Может иметь важное значение.
Преобразователи

Различия между датчиками и преобразователями

Датчики претерпевают физические изменения в системе, в то время как преобразователи преобразуют эти физические и неэлектрические изменения в электрические сигналы, что является большой разницей между ними.Здесь, как показано на рисунке, датчик измеряет количество, а устройство кондиционирования фильтрует, модифицирует или ослабляет сигнал, чтобы его могли легко принять устройства вывода.

Преобразователь Vs. датчики (Ссылка: circuitglobe.com )

Типы преобразователей Преобразователи

можно разделить на категории на основе различных аспектов, описанных ниже, и на рынке доступен широкий их спектр. Выбор датчика зависит от области применения, и вы должны знать, какой тип подходит для вашей области применения и требований.

Явление трансдукции (Преобразователи и обратные преобразователи)

Преобразователь — это прибор для преобразования неэлектрического (обычно физического) входа и количества в электрический выход и количество. С другой стороны, инверсный преобразователь преобразует электрический входной сигнал в физический выходной сигнал. Чтобы иметь четкое представление об этой классификации, мы должны знать, что выход преобразователя — это электрическая величина, а выход инверсного преобразователя — это всегда физический выход, а не электрическая величина.Выходной сигнал в датчиках этих типов, таких как термопара, фотопроводящая ячейка, манометр, представляет собой электрический сигнал, а пьезоэлектрический преобразователь преобразует входной электрический сигнал в напряжение на выходе.

Типы преобразователей в зависимости от принципа действия
Преобразователи

работают по разным принципам, в зависимости от измеряемой физической величины, и преобразование физических параметров в электрический ток и напряжение осуществляется по разным принципам.Некоторые из них перечислены здесь:

Пьезоэлектрический преобразователь
Фотокондукторы
Химическая промышленность
Электромагнитный
Взаимная индукция
Эффект Холла
Фотоэлектрические (например, солнечные батареи)

Эффект Холла для измерения тока (ссылка: insights.globalspec.com )

Требование внешнего источника питания

В основном типы преобразователей можно разделить на активные и пассивные в зависимости от источника питания в них.Активный преобразователь не имеет внешнего источника питания, в то время как пассивный датчик нуждается в источнике питания для правильной работы.

Активный преобразователь

Некоторые преобразователи не нуждаются в источнике питания для работы и называются активными преобразователями или самогенерирующимися преобразователями. Преобразователи этих типов выдают собственный электрический сигнал, пропорциональный измеряемым физическим параметрам и количеству. Термопара или пьезоэлектрический преобразователь является одним из активных преобразователей, и они основаны на принципах сохранения энергии.

Пассивные преобразователи

Для работы пассивных преобразователей требуется внешний источник питания. Фотоэлемент (LDR), термистор, фотоэлектронный умножитель дифференциального трансформатора являются примерами этих типов. Внутренние параметры, такие как сопротивление, емкость и индуктивность, изменяются, когда у нас есть входной сигнал в пассивном преобразователе.

Примером пассивного преобразователя является тензодатчик, состоящий из проводов на поверхности. Тензодатчик измеряет напряжение и давление, а внешний источник электричества подает напряжение на провода.Любое увеличение или уменьшение тензодатчика из-за изгиба, сжатия или растяжения, вызывающее изменения сопротивления проводной сети, эквивалентные разнице в напряжении.

классификация по типу продукции

Тип выхода очень важен для преобразователя и делится на цифровой и аналоговый.

Аналоговый преобразователь

Цифровые преобразователи преобразуют физический вход в непрерывную функцию выхода и сигнала.Термопара, термистор и тензодатчик являются примерами цифровых.

Цифровой преобразователь

Преобразователи этого типа, которые выдают импульс на выходе, известны как цифровые преобразователи и могут работать с малой или высокой мощностью.

Первичный и вторичный типы преобразователей

Если преобразование выполнено за один этап, то это первичный преобразователь. Если существует две и более стадий трансдукции, то это называется вторичным типом.

Первичный преобразователь

Первичные преобразователи состоят одновременно из механической и электрической частей. Механическая часть обеспечивает механический сигнал, изменяя физическую входную величину, и в результате это механическое устройство называется первичным преобразователем.

Вторичные преобразователи

Вторичные преобразователи просто изменяют механический вход на электрические сигналы в зависимости от количества входного параметра.И обычно являются частью более крупных инструментов.

Примером различения вторичного и первичного типов преобразователей является камера Бурдона. Свободный конец трубки Бурдона преобразует давление в линейное перемещение. Во второй части трансформатор смещения (L.V.D.T) выдает электрический сигнал, основанный на смещении свободного конца, пропорциональном давлению в трубке. В этой системе есть два преобразования. Сначала в первичном преобразователе (трубке) давление преобразуется в смещение, а затем во вторичном преобразователе (L.V.D.T) измените его на электрическую мощность.

комбинация первичного и вторичного преобразователя с трубкой Бурдона (Ссылка: circuitglobe.com)

Типы преобразователей в зависимости от измеряемой величины

Другой параметр может отображаться с помощью датчиков в различных приложениях. Если вы хотите измерить физическую величину, не забудьте проверить разные преобразователи от разных компаний. Некоторые из важных преобразователей описаны ниже.

Датчики перемещения

Электромеханический прибор для преобразования смещения, вибрации и движения в электрический ток и напряжение называются преобразователями смещения.Эти преобразователи делятся на категории в зависимости от преобразования энергии в электромагнитную, магнитоэлектрическую, электростатическую и индуктивную. Преобразователи линейного переменного смещения (LVDT) являются известным примером преобразователей этого типа.

Генератор-преобразователь

Генераторный преобразователь измеряет силу и давление и выдает напряжение или ток на выходе. Этот тип преобразователя обычно работает как вторичный преобразователь и состоит из следующих частей:

Механическая навеска
Осциллятор
Модулятор частоты
Суммирующий элемент

Генераторные преобразователи предназначены для измерения динамических и статических параметров и являются лучшим выбором для приложений телеметрии.Этот преобразователь имеет низкую точность и низкую термическую стабильность, поэтому его следует использовать при измерениях с низкой точностью.

Датчики давления

Тип преобразователя, который преобразует давление в электрические сигналы, называется преобразователем давления, и доступны различные типы; например, тензодатчик работает за счет деформации тензодатчика, прикрепленного к диафрагме и подключенного к мосту. Как правило, можно найти разные размеры, формы и диапазоны давлений, но технологии о них следующие:

Тензометрические преобразователи давления
Потенциометрические преобразователи давления
Емкостные преобразователи давления
Резонансные проволочные преобразователи давления

Датчик давления

(каталожный номер: picoauto.com )

Преобразователи потока

Датчик расхода измеряет объем, массу или скорость жидкости, газа или пара в различных системах. Есть много видов расходомеров, основанных на принципах и для различных применений. Расходомеры и преобразователи являются сердцем большинства отраслей промышленности, и их цель — получение точных и повторяемых измерений расхода.

Преобразователи температуры

Датчик температуры используется для измерения температуры физического объекта.Обычно преобразователь — это не что иное, как преобразование физической величины в электрическую энергию. Таким образом, датчик температуры — это инструмент, используемый для преобразования тепловой энергии веществ в электрическую форму. Другими словами, это электрическое оборудование, применяемое для автоматического измерения температуры. Последнее предназначение датчика температуры — измерение тепла материала в читаемом формате. Для получения дополнительной информации нажмите здесь .

Разница между датчиком и преобразователем

Термины «датчик» и «преобразователь» часто используются для описания одних и тех же устройств; «Линейный датчик» и «линейный преобразователь» относятся к одному и тому же компоненту, это не обязательно неправильная терминология.Однако в некоторых случаях «датчик» и «преобразователь» имеют разные значения, и между этими двумя терминами есть некоторые различия.

Основное различие между датчиком и преобразователем — выходной сигнал. И датчик, и преобразователь используются для определения изменений в окружающей среде, которой они окружены, или в объекте, к которому они прикреплены, но датчик выдает выходной сигнал в том же формате, а преобразователь преобразует результат измерения в электрический сигнал. .

Характеристики датчика Датчики

— это устройство, которое используется для измерения физического качества, например света, звука, температуры и т. Д., И выдает выходные данные в удобном для чтения формате.

Например, ртутный термометр; ртуть просто расширяется при повышении температуры, чтобы дать показания пользователю, никаких электрических выводов или изменений нет. Термистор также просто реагирует на изменение сопротивления из-за изменения температуры.

Характеристики преобразователя

Преобразователь может измерять характеристики, аналогичные датчику, но преобразует сигнал из одной физической формы в другую, что означает, что их входные и выходные сигналы не совпадают друг с другом. Преобразователи иногда называют преобразователями энергии.

Есть разные типы преобразователей; входные преобразователи и выходные преобразователи. Входной преобразователь принимает форму энергии и преобразует ее в электрический сигнал.Выходной преобразователь принимает электричество и преобразует его в другую форму энергии — например, электрическая лампочка преобразует электричество в свет или двигатель, преобразующий электричество в движение.

Сравнение датчика и преобразователя

	Датчик	Преобразователь
Определение / функция	Обнаруживает изменение и выдает показания в том же формате, в котором были получены сигналы.Если это потребуется, потребуется дополнительное устройство для преобразования энергии.	Чувствует изменение, преобразует энергию из одной формы в другую. Обычно с неэлектрического на электрический или наоборот.
Примеры	Реле давления, термисторы, ртутные термометры, датчики движения.	Датчик давления, датчик удлинения кабеля, линейный датчик, микрофон
Приложения	Инфракрасный смыв унитаза, уровень давления в кислородных баллонах, наблюдение за пациентом.	Органы управления двигателем, мониторинг HVAC, системы рулевого управления на транспортных средствах, подъем или позиционирование на пандусах или мостах.

Датчики и преобразователи от Variohm

Компания Variohm специализируется на датчиках и преобразователях для всех областей применения во многих отраслях промышленности.

Если вы ищете датчик или преобразователь, свяжитесь с нами.Взгляните на следующие линейки продуктов;

Датчики положения

Датчики давления

Датчики температуры

Датчики нагрузки / усилия

Страница не найдена | Институт науки и технологий Сатьябамы (считается университетом)

Состояние

Выберите StateAndaman и NicobarAndhra PradeshArunachal PradeshAssamBiharChandigarhChhattisgarhDadra И Нагар HaveliDaman И DiuDelhiGoaGujaratHaryanaHimachal PradeshJammu и KashmirJharkhandKarnatakaKeralaLakshadweepMadhya PradeshMaharashtraManipurMeghalayaMizoramNagalandOdishaPuducherryPunjabRajasthanSikkimTamil NaduTelanganaTripuraUttar PradeshUttarakhandWest Бенгальский

Курсы

— Select -Undergraduate Courses (UG) Инженерные курсы (B.E. / B.Tech / B.Arch / B.Des) BE — Компьютерные науки и инженерия B.E — Компьютерные науки и инженерия со специализацией в области искусственного интеллектаB.E — Компьютерные науки и инженерия со специализацией в Интернете вещей B.E — Компьютеры Наука и инженерия со специализацией в области науки о данных B.E — информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и робототехники B.E — информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и машинного обучения B.E — Информатика и информатика со специализацией в технологии цепочек блоков B.E — Информатика и информатика со специализацией в области кибербезопасности B.E — Электротехника и электроника B.E — Электроника и техника связи B.E — Машиностроение B.E — Автомобильная инженерия B.E — Мехатроника B.E — Авиационная техника B.E — Гражданское строительство B.Tech — Информационные технологии B.Tech — Химическая инженерия B.Tech — БиотехнологияB.Tech — Биомедицинская инженерия B.Arch — Бакалавр архитектуры B.Des. — Бакалавр дизайна, инженерные курсы (BE / B.Tech) — Неполный рабочий деньB.E — Компьютерные науки и инженерияB.E — Электротехника и электроникаB.E — Электроника и коммуникационная инженерияB.E — МашиностроениеB.E — Гражданское строительствоB.Tech — Химическая промышленность Инженерное искусство и научные курсыB.BA — Бакалавр делового администрированияB.Com. — Бакалавр коммерцииB.Com. — Финансовый учет — Визуальная коммуникация, бакалавр наук — Медицинские лабораторные технологии, бакалавриат — Клиника, питание и диетология.Sc. — Физика — Химия — Компьютерные науки — Математика — Биохимия, бакалавр наук. — Дизайн одежды — BioTechnologyB.Sc. — MicroBiologyB.Sc. — Психология — Английский — биоинформатика и наука о данных, бакалавр — компьютерные науки, искусственный интеллект. — Бакалавр медсестер — Курсы авиационного права LL.B. (С отличием) B.B.A. LL.B. (С отличием) B.Com.LL.B. (С отличием) Бакалавр фармацевтических курсов, бакалавр фармации, степень бакалавра фармацевтики, диплом магистра фармации, Инженерные курсы для аспирантов, M.E. Компьютерные науки и инженерия Прикладная электроника Компьютерный дизайн Структурная инженерия Силовая электроника и промышленные приводы Биотехнология Медицинское оборудование Встраиваемые системы и IoTM.Arch. Устойчивая архитектура Программа управления зданием MBA — Магистр делового администрирования Заочная аспирантура Компьютерные науки и инженерия Прикладная электроника Компьютерный дизайн Структурная инженерияМедицинское оборудование Биотехнология Магистр делового администрированияПрием на курсы PPG Arts & Science и наук Бакалавр стоматологической хирургии (BDS) BDS — Бакалавр стоматологической хирургииМастер стоматологической хирургии (MDS) MDS — Ортодонтия и челюстно-лицевая ортопедия М.D.S — Консервативная стоматология и эндодонтияM.D.S — Педодонтия и профилактическая стоматология

Типы преобразователей: характеристики и их применение

Существуют различные электрические и электронные компоненты, которые используются для создания схем и проектов для студентов инженерных специальностей. Компонентами являются активные и пассивные компоненты, датчики, преобразователи, передатчики, приемники, модули (WiFi, Bluetooth, GSM, RFID, GPS) и т. Д. В общем, процесс трансдукции включает преобразование одной формы энергии в другую.Этот процесс в основном включает в себя чувствительный элемент для определения входящей энергии и последующего преобразования ее в другую форму с помощью преобразовательного элемента. Измеряемая величина сообщает свойство, количество или состояние, которое преобразователь пытается преобразовать в электрический выходной сигнал. Здесь в этой статье обсуждается, что такое преобразователь, типы преобразователей и области применения преобразователя.

Что такое датчики / типы датчиков?

Преобразователь — это электрическое устройство, которое используется для преобразования одной формы энергии в другую.В общем, эти устройства работают с различными типами энергии, такими как механическая энергия, электрическая энергия, световая энергия, химическая энергия, тепловая энергия, акустическая энергия, электромагнитная энергия и так далее.

Преобразователь

Например, рассмотрим микрофон, который мы используем в повседневной жизни в телефонах, мобильных телефонах, который преобразует звук в электрические сигналы, а затем усиливает его в желаемом диапазоне. Затем преобразует электрические сигналы в аудиосигналы на выключателе громкоговорителя. В настоящее время люминесцентные лампы используются для освещения, превращая электрическую энергию в световую.

Лучший датчик примеров — это громкоговорители, микрофоны, позиционные датчики, термометры, антенна и датчик давления. Точно так же существуют различные типы преобразователей, используемых в электрических и электронных проектах.

Условия для типов датчиков

Некоторые условия, которые в основном используются для измерения параметров датчиков, обсуждаются ниже.

Динамический диапазон

Динамический диапазон преобразователя — это соотношение между сигналом высокой амплитуды и сигналом с наименьшей амплитудой, чтобы преобразователь мог эффективно преобразовывать.Когда преобразователи имеют высокий динамический диапазон, они становятся более точными и чувствительными.

Повторяемость

Повторяемость — это способность преобразователя генерировать одинаковый выходной сигнал после того, как он стимулирован аналогичным входом.

Шум

Выход преобразователя добавляет случайный шум. В преобразователях электрического типа добавленный им шум может быть электрическим из-за теплового воздействия зарядов в цепях. Маленькие сигналы могут быть искажены шумом больше, чем большие сигналы.

Гистерезис

В этом свойстве выходной сигнал преобразователя зависит не только от его текущего входа, но также и от его прошлого входа. Например, в исполнительном механизме используется зубчатая передача, которая имеет некоторую реакцию, когда направление движения исполнительного механизма опрокидывается, тогда будет зона затухания до того, как выход исполнительного механизма перевернется из-за люфта между зубьями шестерни.

Типы преобразователей и их применение

Существует множество типов преобразователей, таких как преобразователи давления, пьезоэлектрические преобразователи, ультразвуковые преобразователи, преобразователи температуры и т. Д.Давайте обсудим использование различных типов преобразователей в практических приложениях.

Некоторые типы преобразователей, такие как активные преобразователи и пассивные преобразователи, зависят от того, требуется ли источник питания или нет.

Типы преобразователей

Активный преобразователь не требует источника питания для своей работы. Эти преобразователи работают по принципу преобразования энергии. Они генерируют электрический сигнал, пропорциональный i / p. Лучшим примером этого преобразователя является термопара.В то время как пассивный преобразователь требует для своей работы внешнего источника питания. Они генерируют o / p в виде емкости, сопротивления. Затем его нужно преобразовать в эквивалентный сигнал напряжения или тока. Лучшим примером пассивного преобразователя является фотоэлемент.

Ультразвуковой преобразователь

Основная функция ультразвукового преобразователя — преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые волны. Этот преобразователь также можно назвать емкостным или пьезоэлектрическим преобразователем.

Ультразвуковой преобразователь

Применение ультразвукового преобразователя

Этот преобразователь можно использовать для измерения расстояния до звука на основе отражения. Это измерение основано на подходящем методе по сравнению с прямыми методами, в которых используются другие шкалы измерения. Области, которые трудно найти, такие как области давления, очень высокая температура, с использованием обычных методов измерение расстояния — непростая задача. Таким образом, эту измерительную систему на основе преобразователя можно использовать в такой зоне.

В предлагаемой системе используются микроконтроллеры 8051, источники питания, модуль ультразвукового преобразователя, который включает в себя передатчик и приемник, используются блоки ЖК-дисплея, которые показаны на приведенной выше блок-схеме.

Здесь, если какое-либо препятствие или какой-либо объект обнаруживается ультразвуковым преобразователем, он передает волны и отражается обратно от объекта, и эти волны принимаются датчиком. Время, затрачиваемое преобразователем на передачу и прием волн, можно определить, учитывая скорость звука.Затем на основе скорости звука и предварительно запрограммированного микроконтроллера выполняется измерение расстояния и отображение на ЖК-дисплее. Здесь дисплей сопряжен с микроконтроллером. Ультразвуковой преобразователь генерирует волны частотой 40 кГц.

Датчик температуры

Датчик температуры — это электрическое устройство, которое используется для преобразования температуры устройства в другую величину, такую как электрическая энергия, давление или механическая энергия, затем величина будет отправлена в устройство управления для контроля температуры устройства.

Применение датчика температуры

Датчик температуры используется для измерения температуры воздуха, чтобы контролировать температуру нескольких систем управления, таких как кондиционирование, отопление, вентиляция и т. Д.

Автоматический регулятор скорости вращения вентилятора на базе Arduino, контролирующий температуру. Блок-схема

. Давайте рассмотрим практический пример датчика температуры, который используется для контроля температуры любого устройства, исходя из необходимости в различных промышленных приложениях.Автоматический регулятор скорости вращения вентилятора на базе Arduino, контролирующий температуру и отображающий ее на ЖК-дисплее.

В предлагаемой системе IC LM35 используется в качестве преобразователя температуры. Плата Arduino используется для управления различными функциями, включая аналого-цифровое преобразование и ЖК-дисплей, подключенный на рис.

Температуру можно фиксировать с помощью таких настроек, как INC и DEC для увеличения и уменьшения. На основе измеренной температуры программа платы Arduino сгенерирует широтно-импульсную модуляцию o / p.Его выход используется для управления вентилятором постоянного тока через микросхему драйвера двигателя.

Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрический преобразователь — это особый вид датчика, основная функция которого — преобразовывать механическую энергию в электрическую. Таким же образом электрическая энергия может быть преобразована в механическую энергию.

Пьезоэлектрический преобразователь

Применения пьезоэлектрического преобразователя

Этот датчик в основном используется для обнаружения ударов палки-барабанщика о пэды электронных барабанов.А также используется для обнаружения движения мышцы, что можно назвать акселеромиографией.
Нагрузка двигателя может быть определена путем расчета различных абсолютных давлений, что может быть выполнено с использованием этих преобразователей в качестве датчика абсолютного давления в атмосферном давлении в системах впрыска топлива.
Этот датчик может использоваться в качестве датчика детонации в автомобильных системах управления двигателем для определения детонации двигателя.

Датчик давления

Датчик давления — это датчик особого типа, который изменяет давление, передаваемое электрическими сигналами.Эти преобразователи также называются индикаторами давления, манометрами, пьезометрами, преобразователями и датчиками давления.

Применение датчика давления

Датчик давления используется для измерения давления определенного количества, например газа или жидкости, путем преобразования давления в электрическую энергию. Различные типы этих преобразователей, такие как преобразователь усиленного напряжения, преобразователь базового давления тензодатчика, преобразователь давления в милливольтах (мВ), преобразователь давления 4-20 мА и преобразователь давления.

Преобразователи давления применяются в основном для измерения высоты, давления, уровня или глубины, измерения расхода и проверки герметичности. Эти преобразователи могут использоваться для выработки электроэнергии под выключателями на автомагистралях или дорогах, где сила транспортных средств может быть преобразована в электрическую энергию.

Классификация типов преобразователей

Существуют различные методы классификации преобразователей, которые включают, но не ограничиваются функцией преобразователя, структуру, иначе возникновение их работы.Классифицировать преобразователи, такие как входные и выходные преобразователи, чрезвычайно просто, но они рассматриваются как простые преобразователи сигналов. Основная функция входного преобразователя — измерение величин от неэлектрических до электрических.

С другой стороны, преобразователи o / p работают совершенно противоположно, потому что их электрические являются входными сигналами, а неэлектрические — выходными сигналами, такими как смещение, сила, давление, крутящий момент и т. Д.
Преобразователи классифицируются на три типа в зависимости от принципа их работы, такие как электрические , термический и механический.Следующие три метода используются для классификации преобразователей.

Физический эффект
Физическая величина
Источник энергии
Принцип трансдукции
Первичный и вторичный преобразователи
Аналоговый и цифровой преобразователь
Преобразователь и обратный преобразователь

Физический эффект

Первую классификацию преобразователя можно провести на основе физического воздействия. Это первая классификация преобразователя, которая зависит от физического воздействия и используется для изменения величины с физической на электрическую.Например, изменение сопротивления медных элементов будет пропорционально изменению температуры. Вот физические эффекты, которые используются для изменения сопротивления, индуктивности, емкости, эффекта Холла и пьезоэлектрического эффекта

Физическая величина

Вторая классификация преобразователя может быть сделана на основе измененной физической величины, то есть конечного использования преобразователя после преобразования. Например, датчик давления — это датчик, который преобразует давление в электрический сигнал.Классификация преобразователей по физическим характеристикам включает следующее.

Датчик расхода как расходомер
Датчик ускорения типа акселерометра
Преобразователь температуры типа термопары
Датчик уровня, такой как торсионная трубка
Датчик давления типа Bourdon Gauge
Преобразователь перемещения, например, линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT)
Датчик силы как динамометр

Источник энергии

Классификация преобразователей по источнику энергии может быть сделана по двум типам, которые включают следующие.

Активные преобразователи
Пассивные преобразователи

Активные преобразователи

В преобразователях этого типа входная энергия может использоваться в качестве управляющего сигнала при передаче энергии с использованием источника питания в направлении пропорционального выхода.

Например, в активном преобразователе, таком как тензодатчик, деформация может быть преобразована в сопротивление. Однако, поскольку энергия деформируемого элемента меньше, энергия на выходе может подаваться через внешний источник питания.

Пассивные преобразователи

В этом преобразователе входная энергия может быть преобразована непосредственно в выходную. Например, пассивный преобразователь, такой как термопара, где тепловая энергия может поглощаться от входа, может быть преобразована в напряжение или электрические сигналы.

Принцип трансдукции

Классификация преобразователя может быть сделана на основе среды преобразования. Здесь среда может быть емкостной, резистивной или индуктивной в зависимости от метода преобразования, который заключается в том, как входной преобразователь изменяет входной сигнал на сопротивление, индуктивность и емкость соответственно.

Первичный и вторичный преобразователи

Первичный преобразователь включает электрические и механические устройства. Механические устройства также называются первичными преобразователями, которые используются для изменения физической величины i / p на механический сигнал. Основная функция второго преобразователя заключается в изменении сигнала с механического на электрический. Величина сигнала o / p в основном зависит от механического сигнала i / p.

Пример

Лучшим примером первичного и вторичного преобразователей является трубка Бурдона, потому что, таким образом, трубка работает как первичный преобразователь, замечая силу, а также превращая ее в дислокацию с открытого конца.Вывих открытых концов перемещает центр LVDT. Движение центра может вызвать выходное напряжение, которое напрямую зависит от смещения открытого конца трубки.

Следовательно, в трубке происходят два типа трансдукции. Во-первых, сила может быть преобразована в дислокацию, а затем она преобразуется в напряжение с помощью LVDT. Трубка Бурдона является основным датчиком, а LVDT — вторичным датчиком.

Аналоговый и цифровой преобразователь

Классификация преобразователя может быть сделана на основе их выходных сигналов, которые являются непрерывными в противном случае дискретными.

Основная функция аналогового преобразователя — изменение количества входных сигналов на постоянную функцию. Лучшими примерами аналогового преобразователя являются LVDT, термопара, тензодатчик и термистор. Цифровые преобразователи используются для изменения количества входящего цифрового сигнала, который работает на малой или высокой мощности.

Цифровой преобразователь используется для измерения физических величин для передачи данных, таких как закодированные цифровые сигналы, а не как непрерывно изменяющиеся напряжения или токи.Типы цифровых преобразователей: энкодеры вала, цифровые резольверы, цифровые тахометры, датчики эффекта Холла и концевые выключатели

Преобразователь и обратный преобразователь

Преобразователь — Устройство, преобразующее неэлектрическую величину в электрическую величину, известно как преобразователь.

Обратный преобразователь — Преобразователь, который преобразует электрическую величину в физическую величину, такой тип преобразователей известен как обратный преобразователь.Преобразователь имеет высокий электрический вход и низкий неэлектрический выход.

Тензометрический преобразователь

Основная функция тензометрического преобразователя — электрическое преобразование физических величин. Они работают, преобразуя физические величины в механическое давление в компоненте, известном как чувствительный элемент, и после этого преобразуют напряжение электрически с помощью тензодатчика.

Тензодатчик

Конструкция чувствительного элемента, а также тензодатчика оптимально спроектирована для обеспечения управляемости и высокой точности изделий.Эти преобразователи обычно классифицируются в зависимости от их применения в строительстве / гражданском строительстве или общих типов. Некоторые преобразователи общего типа используются в строительстве или гражданском строительстве. Типы тензодатчиков: проволочный тензодатчик, тензодатчик из фольги и полупроводниковый тензодатчик.

Индуктивный преобразователь

Индуктивный преобразователь работает по принципу изменения индуктивности из-за значительного преобразования в пределах измеряемой величины.Например, LVDT — это тип индуктивного преобразователя, который используется для измерения смещения, например, разницы напряжений между двумя его вторичными напряжениями. Эти напряжения являются результатом индукции из-за изменения магнитного потока во вторичной катушке из-за смещения стального стержня. Типы индуктивных преобразователей: простая индуктивность и двухкатушечная взаимная индуктивность.

Индуктивный преобразователь

Типы преобразователей Характеристики

Характеристики преобразователя приведены ниже, которые определяются путем изучения отклика преобразователя o / p на различные сигналы i / p.Условия испытаний максимально точно создают определенные рабочие условия. К тестовым данным могут быть применены методы вычислительной и стандартной статистики.

Характеристики преобразователя играют ключевую роль при выборе соответствующего преобразователя, особенно для конкретной конструкции. Поэтому знание его характеристик необходимо для правильного выбора. Таким образом, характеристики преобразователя делятся на два типа: статические и динамические.

Точность
Разрешение
Чувствительность
Дрифт
Линейность
Соответствие
Пролет
Гистерезис
Искажения
Шум
Линейность
Чувствительность
Разрешение
Порог
Диапазон и диапазон
Точность
Стабильность
Дрифт
Повторяемость
Отзывчивость
Порог
Входное и выходное сопротивление

Статические характеристики

Статические характеристики преобразователя представляют собой набор критериев действия, которые распознаются во время статической калибровки, что означает объяснение значения измерения путем фундаментального сохранения рассчитанных величин, поскольку постоянные значения изменяются очень медленно.

Для приборов можно определить набор критериев для расчета величин, которые постепенно изменяются со временем, в противном случае в основном постоянные, не меняющиеся во времени, известны как статические характеристики. Характеристики включают следующее.

Динамические характеристики

Динамические характеристики преобразователя влияют на его рабочие характеристики, если измеренная емкость является функцией времени, которая быстро изменяется во времени. Если эти характеристики зависят от характеристик преобразователя, то измеряемая величина в основном стабильна.

Таким образом, эти характеристики зависят от динамических входов, потому что они зависят от своих собственных параметров и характера входного сигнала. К динамическим характеристикам преобразователя относятся следующие.

Верность
Скорость ответа
Пропускная способность
Динамическая ошибка

В общем, обе характеристики преобразователя, такие как статические и динамические, будут проверять его работу и указывать, насколько эффективно он может распознавать предпочтительные входные сигналы, а также отказываться от ненужных входных сигналов.

Типы преобразователей Приложения

Применение типов преобразователей обсуждается ниже.

Преобразователи этого типа используются в электромагнитных устройствах, таких как антенны, магнитные картриджи, датчики на эффекте Холла, головки для чтения и записи дисков.
Преобразователи этого типа используются в электромеханических приложениях, таких как акселерометры, LVDT, гальванометры, датчики давления, тензодатчики, MEMS, потенциометры, датчики воздушного потока, линейные и вращательные двигатели.
Преобразователи этого типа используются в электрохимических приложениях, таких как датчики кислорода, датчики водорода, pH-метры,
Типы преобразователей используются в электроакустических приложениях, таких как динамики, пьезоэлектрические кристаллы, микрофоны, ультразвуковые трансиверы, гидролокаторы и т. Д.
Преобразователи этого типа используются в фотоэлектрических устройствах, таких как светодиоды, фотодиоды, лазерные диоды, фотоэлементы, LDR, люминесцентные лампы, лампы накаливания и фототранзисторы.

Что такое измерительный преобразователь и для чего он нужен

Основные виды измерительных преобразователей

По виду входного сигнала:

По виду выходного сигнала:

По принципу действия:

Устройство и принцип работы измерительных преобразователей

Основные характеристики измерительных преобразователей

Применение измерительных преобразователей

Тенденции развития измерительных преобразователей

Выбор измерительного преобразователя

Заключение

Измерительный преобразователь. Виды и устройство. Работа

Виды

Измерительный преобразователь можно поделить на целый перечень устройств:

Также преобразователи можно классифицировать по целому ряду признаков:

При помощи них измеряются и исследуются:

Можно назвать следующие области:

Измерительный преобразователь

Тем не менее, на смену им приходят цифровые устройства, они на порядок дороже по стоимости, но считаются более перспективными устройствами:

Похожие темы:

2.4. Первичные измерительные преобразователи

Преобразователь первичный — Справочник химика 21

Первичный измерительный преобразователь — ток

Первичный измерительный преобразователь — ток

Измерительный преобразователь средств измерений: классификация

Операции преобразования измерительного сигнала

Измерения с помощью преоброзователей

Преоброзователь ИП1 — состав-состав

Преоброзователь ИП2 — состав – свойство

Преоброзователь ИП3 — свойство — выходной сигнал

5. Приборы с электрическим выходным сигналом

Какие типы преобразователей?

1. Классификация на основе принципа трансдукции

2. Первичный и вторичный преобразователи

3. Пассивный и активный преобразователь

4. Аналоговый и цифровой преобразователь

5. Преобразователь и обратный преобразователь

Какие бывают типы преобразователей?

Первичный измерительный преобразователь Последние исследования

типов преобразователей: какие типы следует покупать?

Разница между датчиком и преобразователем

Страница не найдена | Институт науки и технологий Сатьябамы (считается университетом)

Типы преобразователей: характеристики и их применение

Что такое датчики / типы датчиков?

Условия для типов датчиков

Динамический диапазон

Повторяемость

Шум

Гистерезис

Типы преобразователей и их применение

Ультразвуковой преобразователь

Применение ультразвукового преобразователя

Датчик температуры

Применение датчика температуры

Пьезоэлектрический преобразователь

Применения пьезоэлектрического преобразователя

Датчик давления

Применение датчика давления

Классификация типов преобразователей

Физический эффект

Физическая величина

Источник энергии

Активные преобразователи

Пассивные преобразователи

Принцип трансдукции

Первичный и вторичный преобразователи

Пример

Аналоговый и цифровой преобразователь

Преобразователь и обратный преобразователь

Тензометрический преобразователь

Индуктивный преобразователь

Типы преобразователей Характеристики

Статические характеристики

Динамические характеристики

Типы преобразователей Приложения

Похожие записи

Преобразователь тока автомобильный. Автомобильный инвертор: как выбрать преобразователь напряжения 12-220В для ноутбука и других устройств

Частотный преобразователь для однофазного двигателя: особенности применения и настройки

Преобразователь первичный измерительный. Первичный измерительный преобразователь: виды, принцип работы, применение

Добавить комментарий Отменить ответ