Найважливішими метрологічними характеристиками перетворювачів є: номінальна статична характеристика перетворення, чутливість, основна похибка, додаткові похибки або функції впливу, варіація вихідного сигналу, вихідний опір, динамічні характеристики і т.д.

До найважливіших неметрологічних характеристик відносять габарити, масу, зручність монтажу та обслуговування, вибухобезпечність, стійкість до механічних, теплових, електричних та інших перевантажень, надійність, вартість виготовлення та експлуатації тощо.

Залежно від виду вихідного сигналу всі вимірювальні перетворювачі поділяють на параметричніі генераторні.Їх класифікують також за принципом дії. Нижче розглядаються лише вимірювальні перетворювачі, які отримали найбільше застосування.

13.1 Параметричні вимірювальні перетворювачі

Загальні відомості.У параметричних перетворювачах вихідною величиною є параметр електричного ланцюга (R, L, М, З).У разі використання параметричних перетворювачів необхідне додаткове джерело живлення, енергія якого використовується для утворення вихідного сигналу перетворювача.

Реостатні перетворювачі.Реостатні перетворювачі ґрунтуються на зміні електричного опору провідника під впливом вхідної величини - переміщення. Реостатний перетворювач являє собою реостат, щітка (рухомий контакт) якого переміщується під впливом неелектричної величини, що вимірювається. На рис. 11-5 схематично показані деякі варіанти конструкцій реостатних перетворювачів для кутового (рис. 11-5, а)та лінійного (рис. 11-5, б і в) переміщень. Перетворювач складається з обмотки, нанесеної на каркас, та щітки. Для виготовлення каркасів застосовуються діелектрики та метали. Дріт для обмотки виконують із сплавів (сплав платини з іридієм, константан, ніхром і фехраль). Для обмотки зазвичай використовують ізольований провід. Після виготовлення обмотки ізоляцію дроту зчищають у місцях зіткнення його зі щіткою. Щітку перетворювача виконують або з дротів, або з плоских пружних смужок, причому використовують як чисті метали (платина, срібло), так і сплави (платина з іридієм, фосфориста бронза тощо).

Мал. 11-5. Реостатні перетворювачі для кутових (а), лінійних (б)переміщень та для функціонального перетворення лінійних переміщень (в)

Габарити перетворювача визначаються значенням вимірюваного переміщення, опором обмотки та потужністю, що виділяється в обмотці.

Для отримання нелінійної функції перетворення застосовують функціональні реостатні перетворювачі. Потрібний характер перетворення часто досягається профільуванням каркасу перетворювача (рис. 11-5, в).

У реостатних перетворювачах статична характеристика перетворення має ступінчастий характер, так як опір змінюється стрибками, рівними опору одного витка, що викликає похибку. Іноді застосовують реохордні перетворювачі, у яких щітка ковзає вздовж осі дроту. У цих перетворювачів немає зазначеної похибки. Реостатні перетворювачі включають у вимірювальні ланцюги у вигляді рівноважних та нерівноважних мостів, дільників напруги тощо.

До переваг перетворювачів відноситься можливість отримання високої точності перетворення, значних за рівнем вихідних сигналів і відносна простота конструкції. Недоліки - наявність ковзного контакту, необхідність щодо великих його переміщень, котрий іноді значного зусилля для переміщення.

Застосовують реостатні перетворювачі для перетворення порівняно великих переміщень та інших неелектричних величин (зусилля, тиску тощо), які можуть бути перетворені на переміщення.

Тензочутливі перетворювачі (тензорезистори).В основу роботи перетворювачів покладено тензоефект, що полягає в зміні активного опору провідника (напівпровідника) під дією механічного напруження і деформації, що викликається в ньому.

Мал. 11-6. Тензочутливий дротяний перетворювач

Якщо дріт піддати механічному впливу, наприклад розтягуванню, то опір його зміниться. Зміна опору дроту при механічному впливі на нього пояснюється зміною геометричних розмірів (довжини, діаметра) та питомого опору матеріалу.

Тензочутливі перетворювачі, що широко застосовуються в даний час (рис. 11-6), являють собою тонкий зигзагоподібно покладений і приклеєний до смужки паперу (підкладці /) дріт 2 (дротяні ґрати). Перетворювач включають в ланцюг за допомогою висновків, що приварюються або припаюються. 3. Перетворювач наклеюють на поверхню досліджуваної деталі так, щоб напрямок очікуваної деформації збігалося з поздовжньою віссю дротяної решітки.

Для виготовлення перетворювачів застосовують головним чином константановий дріт діаметром 0,02-0,05 мм. (S == 1,9 – 2,1). Константан має малий температурний коефіцієнт електричного опору, що дуже важливо, так як зміна опору перетворювачів при деформаціях, наприклад, сталевих деталей порівняно зі зміною опору перетворювача при зміні температури. Як підкладка використовують тонкий (0,03-0,05 мм) папір, а також плівку лаку або клею, а при високих температурах - шар цементу.

Застосовують також фольгові перетворювачі, у яких замість дроту використовується фольга і плівкові тензорезистори, одержувані шляхом сублімації тензочутливого матеріалу з подальшим осадженням його на підкладку.

Для наклеювання дроту на підкладку та всього перетворювача на деталь застосовують клеї (розчин целулоїду в ацетоні, клей БФ-2, БФ-4, бакелітовий тощо). Для високих температур (вище 200 ° С) використовують жаростійкі цементи, кремнійорганічні лаки та клеї тощо.

Перетворювачі виконують різні розміри в залежності від призначення. Найбільш часто використовують перетворювачі з довжиною решітки (базою) від 5 до 50 мм, що мають опір 30-500 Ом.

Зміна температури викликає зміну характеристики перетворення тензорезисторів, що пояснюється температурною залежністю опору перетворювача та відмінністю температурних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалу тензорезистора та досліджуваної деталі. Вплив температури усувається, зазвичай, шляхом застосування відповідних методів температурної компенсації.

Наклеєний тензочутливий перетворювач неможливо зняти з однієї деталі та наклеїти на іншу. Тому визначення характеристик перетворення (коефіцієнта S) вдаються до вибіркової градуювання перетворювачів, що дає значення коефіцієнта S з похибкою ±1 %. Методи визначення характеристик тензорезисторів регламентовано стандартом. Переваги цих перетворювачів - лінійність статичної характеристики перетворення, малі габарити та маса, простота конструкції. Недоліком є ​​мала чутливість.

У тих випадках, коли потрібна висока чутливість, знаходять застосування тензочутливі перетворювачі, виконані у вигляді смужок з напівпровідникового матеріалу. Коефіцієнт S у таких перетворювачів досягає кількох сотень. Однак відтворюваність характеристик напівпровідникових перетворювачів погана. В даний час серійно випускають інтегральні напівпровідникові тензорезистори, що утворюють міст або напівміст з елементами термокомпенсації.

Як вимірювальні ланцюги для тензорезисторів використовують рівноважні і нерівноважні мости. Тензорезистори застосовують для вимірювання деформацій та інших неелектричних величин: зусиль, тисків, моментів тощо.

Термочутливі перетворювачі (терморезистори). Принцип дії перетворювачів ґрунтується на залежності електричного опору провідників або пвлупровідників від температури.

Між терморезистором та досліджуваним середовищем у процесі вимірювання відбувається теплообмін. Так як терморезистор при цьому включений в електричний ланцюг, за допомогою якого вимірюють його опору, то по ньому протікає струм, що виділяє в ньому теплоту. Теплообмін терморезистора з середовищем відбувається через теплопровідність середовища та конвекції в ній, теплопровідність самого терморезистора та арматури, до якої він кріпиться, і, нарешті, через випромінювання. Інтенсивність теплообміну, а отже, і температура терморезистора залежать від його геометричних розмірів і форми, від конструкції захисної арматури, від складу, щільності, теплопровідності, в'язкості та інших фізичних властивостей газового або рідкого середовища, що оточує терморезистор, а також від температури та швидкості переміщення середовища .

Мал. 11-7. Пристрій (а) та зовнішній вигляд арматури (б) платинового терморезистора

Таким чином, залежність температури, а отже, і опору терморезистора від перерахованих вище факторів може бути використана для вимірювання різних неелектричних величин, що характеризують газове або рідке середовище. При конструюванні перетворювача прагнуть до того, щоб теплообмін терморезистора з середовищем в основному визначався неелектричною величиною, що вимірюється.

За режимом роботи терморезистори бувають перегрівні та без навмисного перегріву. У перетворювачах без перегріву струм, що проходить через терморезистор, практично не викликає перегріву, і температуру останнього визначає температура середовища; ці перетворювачі застосовують для вимірювання температури. У перегрівних перетворювачах електричний струм викликає перегрів, що залежить від властивостей середовища. Перегрівні перетворювачі використовують для вимірювання швидкості, щільності, складу середовища і т. д. Оскільки на перегрівні терморезистори впливає температура середовища, застосовують схемні методи компенсації цього впливу.

Для вимірювання температури найбільш поширені терморезистори, виготовлені з платинового або мідного дроту.

Стандартні платинові терморезистори застосовують для вимірювання температури в діапазоні від -260 до + 1100 ° С, мідні - в діапазоні від - 200 до +200 ° С (ГОСТ 6651-78). Низь котемпературні платинові терморезистори (ГОСТ 12877-76) застосовують для вимірювання температури в межах від -261 до - 183 °С.

На рис. 11-7, апоказано влаштування платинового терморезистора. У каналах керамічної трубки 2 розташовані дві (або чотири) секції спіралі 3 із платинового дроту, з'єднані між собою послідовно. До кінців спіралі припаюють висновки 4, використовуються для включення терморезистора у вимірювальний ланцюг. Кріплення висновків та герметизацію керамічної трубки виробляють глазур'ю /. Канали трубки засипають порошком безводного оксиду алюмінію, що виконує роль ізолятора та фіксатора спіралі. Порошок безводного оксиду алюмінію, що має високу теплопровідність та малу теплоємність, забезпечує хорошу передачу теплоти та малу інерційність терморезистора. Для захисту терморезистора від механічних та хімічних впливів довкілля його поміщають у захисну арматуру (рис. 11-7, б) з нержавіючої сталі.

Початкові опори (при °С) платинових стандартних терморезисторів рівні 1, 5, 10, 46, 50, 100 і 500 Ом, мідних - 10, 50, 53 і 100 Ом.

Допустиме значення струму, що протікає терморезистором при включенні його у вимірювальний ланцюг, повинно бути таким, щоб зміна опору терморезистора при нагріванні не перевищувала 0,1 % початкового опору.

Статичні характеристики перетворення у вигляді таблиць (градуювальних) і відхилення цих характеристик для стандартних терморезисторів приведені в ГОСТ 6651-78.

Крім платини та міді, іноді для виготовлення терморезисторів використовують нікель.

Для вимірювання температури застосовують також напівпровідникові терморезистори (термістори) різних типів, які характеризуються більшою чутливістю (ТКС термі-

стор негативний і при 20 ° С в 10-15 разів перевищує ТКС міді і платини) і мають вищі опори (до 1 МОм) при дуже малих розмірах. Недолік термісторів - погана відтворюваність та нелінійність характеристики перетворення:

де rtі Ro- Опір термістора при температурах Ті Те; То- Початкова температура робочого діапазону; У- Коефіцієнт.

Термістори використовують у діапазоні температур від -60 до +120°С.

Для вимірювання температури від -80 до -f-150 °С застосовують термодіоди та термотранзистори, у яких під дією температури змінюється опір р- я-переходу та падіння напруги на цьому переході. Чутливість термотранзистора за напругою 1,5-2,0 мВ/К, що перевищує чутливість стандартних термопар (див. табл. 11-1). Ці перетворювачі зазвичай включають у мостові ланцюги та ланцюги у вигляді дільників напруги.

Достоїнствами термодіодів та термотранзисторів є висока чутливість, малі розміри та мала інерційність, висока надійність та дешевизна; недоліками - вузький температурний діапазон та погана відтворюваність статичної характеристики перетворення. Вплив останньої нестачі зменшують застосуванням спеціальних ланцюгів.

Теплову інерційність стандартних терморезисторів згідно з ГОСТ 6651-78 характеризують показником теплової інерції в^, що визначається як час, необхідний для того, щоб при внесенні перетворювача в середу з постійною температурою різниця температур середовища і будь-якої точки внесеного в неї перетворювача стала рівною 0,37 того значення , що вона мала в момент настання регулярного теплового режиму. Показник теплової інерції визначають у тій частині кривої перехідного теплового процесу перетворювача, що відповідає регулярному режиму, тобто має експоненційний характер (у напівлогарифмічному масштабі - пряма лінія). Значення е^ для різних типів стандартних перетворювачів знаходиться в межах від кількох десятків секунд до кількох хвилин.

Коли необхідні малоінерційні терморезистори, для їх виготовлення використовують дуже тонкий провід (мікропровід) або застосовують термістори малого об'єму (бусинкові) або термотранзистори.

Мал. 11-8. Перетворювач газоаналізатора, заснований на принципі вимірювання теплопровідності

Рос. 11-9. Залежність теплопровідності газу від тиску

Терморезистори застосовують у приладах для аналізу газових сумішей. Багато газових сумішей відрізняються один від одного і від повітря теплопровідністю.

У приладах для газового аналізу – газоаналізаторах – для вимірювання теплопровідності використовують перегрівний платиновий терморезистор (рис. 11-8), поміщений у камеру 2 з аналізованим газом. Конструкція терморезистора, арматури і камери, а також значення струму, що нагріває, вибирають такими, щоб теплообмін з середовищем здійснювався в основному за рахунок теплопровідності газового середовища.

Для виключення впливу зовнішньої температури, крім робочої, використовують компенсаційну камеру з терморезистром, заповнену постійним за складом газом. Обидві камери виконують як єдиного блоку, що забезпечує камерам однакові температурні умови. Робочий та компенсаційний терморезистори при вимірах включають у сусідні плечі моста, що призводить до компенсації впливу температури.

Терморезистори застосовують у приладах для вимірювання ступеня розрідженості. На рис. 11-9 показано залежність теплопровідності газу, що знаходиться між тілами Аі Б,від його тиску.

Таким чином, теплопровідність газу стає залежною від числа молекул в одиниці об'єму, тобто від тиску (ступеня розрідженості). Залежність теплопровідності газу від тиску використовують у вакуумметрах – приладах для вимірювання ступеня розрідженості.

Для вимірювання теплопровідності у вакуумметрах використовують металеві (платинові) та напівпровідникові терморезистори, що поміщаються у скляний або металевий балон, який з'єднують з контрольованим середовищем.

Терморезистори застосовують у приладах для вимірювання швидкості газового потоку – термоанемометрів. Температура перегрівного терморезистора, що встановилася на шляху газового потоку, залежить від швидкості потоку. У цьому випадку основним шляхом теплообміну терморезистора із середовищем буде конвекція (примусова). Зміна опору терморезистора внаслідок винесення теплоти з його поверхні середовищем, що рухається, функціонально пов'язане зі швидкістю середовища.

Конструкцію і тип терморезистора, арматуру і терморезистор, що нагріває, струм вибирають такими, щоб були знижені або виключені всі шляхи теплообміну, крім конвективного.

Достоїнствами термоанемометрів є висока чутливість та швидкодія. Ці прилади дозволяють вимірювати швидкості від 1 до 100-200 м/с при використанні вимірювального ланцюга, за допомогою якого температура терморезистора автоматично підтримується майже незмінною.

Електролітичні перетворювачі. Електролітичні перетворювачі ґрунтуються на залежності електричного опору розчину електроліту від його концентрації. В основному їх застосовують для вимірювання концентрацій розчинів.

На рис. 11-10 для прикладу показані графіки залежностей питомої електричної провідності деяких розчинів електролітів від концентрації зрозчиненої речовини. З цього малюнка випливає, що у певному діапазоні зміни концентрації залежність електричної провідності від концентрації однозначна і може бути використана для визначення с.

Мал. 11-10. Залежність питомої електричної провідності розчинів електролітів від концентрації розчиненої речовини

Мал. 11-11. Лабораторний електролітичний перетворювач

Перетворювач, що застосовується в лабораторних умовах для вимірювання концентрації, є посудиною з двома електродами (електролітичний осередок) (рис. 11-11). Для безперервних промислових вимірювань перетворювачі виконують проточними, причому часто використовують конструкції, в яких роль другого електрода грають стінки судини (металеві).

Електрична провідність розчинів залежить від температури. Таким чином, під час використання електролітичних перетворювачів необхідно усувати вплив температури. Це завдання вирішують шляхом стабілізації температури розчину за допомогою холодильника (нагрівача) або застосування ланцюгів температурної компенсації з мідними терморезисторами, так як температурні коефіцієнти провідності міді та розчинів електролітів мають протилежні знаки.

При проходженні постійного струму через перетворювач відбувається електроліз розчину, що призводить до спотворення результатів виміру. Тому вимірювання опору розчину зазвичай проводять на змінному струмі (700-1000 Гц) найчастіше за допомогою мостових ланцюгів.

Індуктивні перетворювачі. Принцип дії перетворювачів ґрунтується на залежності індуктивності або взаємної індуктивності обмоток на магнітопроводі від положення, геометричних розмірів та магнітного стану елементів їх магнітного ланцюга.

Мал. 11-12. Магнітопровід із зазорами та двома обмотками

Індуктивність та взаємну індуктивність можна змінювати, впливаючи на довжину б, переріз повітряної ділянки магнітопроводу s, на втрати потужності в магнітопроводі та іншими шляхами. Цього можна досягти, наприклад, переміщенням рухомого осердя (якоря) / (рис. 11-12) щодо нерухомого 2, введенням немагнітної металевої пластини 3 у повітряний зазор тощо.

На рис. 11-13 схематично показані різні типи індуктивних перетворювачів. Індуктивний перетворювач (рис. 11-13 а) зі змінною довжиною повітряного зазору б характеризується нелінійною залежністю L = f(Б). Такий перетворювач зазвичай застосовують при переміщення якоря на 0,01-5 мм. Значно меншою чутливістю, але лінійною залежністю L = f(s) відрізняються перетворювачі зі змінним перерізом повітряного зазору (рис. 11-13, б).Ці перетворювачі використовують при переміщення до 10-15 мм.

Мал. 11-13. Індуктивні перетворювачі із змінною довжиною зазору (а), із змінним перерізом зазору (б),диференціальний (в),диференціальний трансформаторний (г), диференціальний трансформаторний з розімкненим магнітним ланцюгом (д)магнітопружний (е)

Якір в індуктивному перетворювачі зазнає зусилля (небажаного) тяжіння з боку електромагніту

де W m- Енергія магнітного поля; L- індуктивність перетворювача; / - Струм, що проходить через обмотку перетворювача.

Широко поширені індуктивні диференціальні перетворювачі (рис. 11-13, в),у яких під впливом вимірюваної величини одночасно і притому з різними знаками змінюються два зазори електромагнітів. Диференціальні перетворювачі в поєднанні з відповідним вимірювальним ланцюгом (зазвичай бруківкою) мають більш високу чутливість, меншу нелінійність характеристики перетворення, зазнають меншого впливу зовнішніх факторів і зниженого результуючого зусилля на якір з боку електромагніту, ніж недиференціальні перетворювачі.

На рис. 11-13, гпоказано схему включення диференціального індуктивного перетворювача, у якого вихідними величинами є взаємні індуктивності. Такі перетворювачі називають взаємно-індуктивними чи трансформаторними. При живленні первинної обмотки змінним струмом і при симметричному положенні якоря щодо електромагнітів ЕРС на вихідних затискачах дорівнює нулю. При переміщенні якоря на вихідних затискачах з'являється ЕРС.

Для перетворення порівняно великих переміщень (до 50-100 мм) застосовують трансформаторні перетворювачі із незамкненим магнітним ланцюгом (рис. 11-13, о).

Застосовують трансформаторні перетворювачі кута повороту, що складаються з нерухомого статора та рухомого ротора з обмотками. Обмотку статора живлять змінним струмом. Поворот ротора викликає зміну значення та фази наведеної в його обмотці ЕРС. Такі перетворювачі використовують для вимірювання великих кутових переміщень.

Для вимірювання малих кутових переміщень використовують індуктосини (рис. 11-14). Ротор / та статор 2 індуктосину постачають друкованими обмотками 3, мають вигляд радіального растру. Принцип дії індуктосин аналогічний описаному вище. Нанесенням обмоток друкованим способом вдається отримати велику кількість полюсних кроків обмотки, що забезпечує високу чутливість перетворювача зміни кута повороту.

Мал. 11-14. Пристрій (а) та вид друкарської обмотки (б)індуктосину

Якщо феромагнітний сердечник перетворювача піддавати механічному впливу F,то внаслідок зміни магнітної проникності матеріалу сердечника зміниться магнітний опір ланцюга, що спричинить зміну індуктивності. Lта взаємної індуктивності Мобмоток. На цьому принципі засновані магнітопружні перетворювачі (рис. 11-13, е).

Конструкція перетворювача визначається діапазоном переміщення, що вимірювається. Габарити перетворювача вибирають, виходячи з необхідної потужності вихідного сигналу.

Для вимірювання вихідного параметра індуктивних перетворювачів найбільше застосування отримали мостові (рівноважні та нерівноважні) ланцюги, а також компенсаційний (в автоматичних приладах) ланцюг для диференціальних трансформаторних перетворювачів.

Індуктивні перетворювачі використовують для перетворення переміщення та інших неелектричних величин, які можуть бути перетворені на переміщення (зусилля, тиск, момент тощо).

У порівнянні з іншими перетворювачами переміщення індуктивні перетворювачі відрізняються значними за потужністю вихідними сигналами, простотою та надійністю в роботі.

Недолік їх - зворотний вплив перетворювача на об'єкт, що досліджується (вплив електромагніта на якір) і вплив інерції якоря на частотні характеристики приладу.

Мал. 11-15. Ємнісні перетворювачі зі змінною відстанню між пластинами (а), диференціальний (б), диференціальний зі змінною активною площею пластин (в) і з діелектричною проникністю середовища, що змінюється між пластинами (г)

Ємнісні перетворювачі.Ємнісні перетворювачі засновані на залежності електричної ємності конденсатора від розмірів, взаємного розташування обкладок і від діелектричної проникності середовища між ними.

На рис. 11-15 схематично показано пристрій різних ємнісних перетворювачів. Перетворювач на рис. 11-15, ає конденсатором, одна пластина якого переміщається під дією вимірюваної величини хщодо нерухомої пластини. Статична характеристика перетворення (б) нелінійна. Чутливість перетворювача зростає із зменшенням відстані 6. Такі перетворювачі використовують для вимірювання малих переміщень (менше 1 мм).

Мале робоче переміщення пластин призводить до похибки зміни відстані між пластинами при коливаннях температури. Вибором розмірів деталей перетворювача та матеріалів домагаються зниження цієї похибки.

У ємнісних перетворювачах виникає зусилля (небажане) тяжіння між пластинами

де W 3- Енергія електричного поля; Uі С - відповідно напруга та ємність між пластинами.

Застосовують також диференціальні перетворювачі (рис. 11-15 б), у яких є одна рухома і дві нерухомі пластини. При дії вимірюваної величини ху цих перетворювачів одночасно змінюються ємності. На рис. 11-15, впоказаний диференціальний ємнісний перетворювач зі змінною активною площею пластин. Такий перетворювач використовують для вимірювання порівняно великих лінійних (більше 1 мм) та кутових переміщень. У цих перетворювачах легко отримати необхідну характеристику перетворення шляхом профілювання пластин.

Перетворювачі (e) застосовують для вимірювання рівня рідин, вологості речовин, товщини виробів з діелектриків тощо. Для прикладу (рис. 11-15, г)дано пристрій перетворювача ємнісного рівнеміра. Місткість між електродами, опущеними в посудину, залежить від рівня рідини, оскільки зміна рівня веде до зміни середньої діелектричної проникності середовища між електродами. Зміною конфігурації пластин можна отримати бажаний характер залежності показань приладу від об'єму (маси) рідини.

Для вимірювання вихідного параметра ємнісних перетворювачів застосовують мостові ланцюги та ланцюги з використанням резонансних контурів. Останні дозволяють створювати прилади з високою чутливістю, здатні реагувати на переміщення близько 10-7 мм. Ланцюги з ємнісними перетворювачами зазвичай живлять струмом підвищеної частоти (до десятків мегагерц), що викликане бажанням збільшити сигнал, що потрапляє у вимірювальний прилад, і необхідністю зменшити дії шунтуючого опору ізоляції.

Іонізаційні перетворювачі.Перетворювачі ґрунтуються на явищі іонізації газу або люмінесценції деяких речовин під дією іонізуючого випромінювання.

Якщо камеру, що містить газ, піддати опроміненню, наприклад, р-променями, між електродами, включеними в електричний ланцюг (рис. 11-16), потече струм. Цей струм залежить від прикладеного до електродів напруги, від щільності та складу газового середовища, розміру камери та електродів, властивостей та інтенсивності іонізуючого випромінювання тощо. т.д.

Мал. 11-16. Схема іонізаційного перетворювача

Мал. 11-17. Вольт-амперна характеристика іонізаційного перетворювача

Як іонізуючі агенти застосовують а-, р-і у-промені радіоактивних речовин, значно рідше - рентгенівські промені і нейтронне випромінювання.

Для вимірювання ступеня іонізації використовують перетворювачі - іонізаційні камери та іонізаційні лічильники, дія яких відповідає різним ділянкам вольт-амперної характеристики газового проміжку між двома електродами. На рис. 11-17 показано залежність струму в камері (рис. 11-16) з постійним складом газу від прикладеної напруги Uта інтенсивності випромінювання. На ділянці АПоказники струм збільшується прямо пропорційно напрузі, потім зростання його сповільнюється і на ділянці Бдосягає насичення. Це вказує на те, що всі іони, що утворюються в камері, досягають електродів. На ділянці УІонізаційний струм знову починає зростати, що викликається вторинною іонізацією при наголосах первинних електронів та іонів про нейтральні молекули. При подальшому збільшенні напруги (ділянка г)іонізаційний струм перестає залежати від початкової іонізації і настає

безперервний розряд (ділянка Д),який не залежить від впливу радіоактивного випромінювання.

Ділянки А і Бвольт-амперної характеристики описують дію іонізаційних камер, а ділянки Уі Г -іонізаційних лічильників. Крім іонізаційних камер та лічильників, як іонізаційні перетворювачі застосовують сцинтиляційні (люмінесцентні) лічильники. Принцип дії цих лічильників грунтується на виникненні деяких речовин- фосфорах (активовані сріблом сірчистий цинк, сірчистий кадмій та інших.) - під впливом радіоактивних випромінювань світлових спалахів (сцинтиляцій), які у лічильниках реєструються фотоумножителями. Яскравість цих спалахів, отже, і струм фотоумножителя визначаються радіоактивним випромінюванням.

Вибір типу іонізаційного перетворювача залежить значною мірою від іонізуючого випромінювання.

Альфа-промені (ядра атома гелію) мають велику іонізуючу здатність, але мають малу проникаючу здатність. У твердих тілах а-промені поглинаються у дуже тонких шарах (одиниці-десятки мікрометрів). Тому при використанні а-променів а-випромінювач поміщають усередину перетворювача.

Бета-промені є потік електронів (позитронів); вони мають значно меншу іонізуючу здатність, ніж а-промені, зате мають більш високу проникаючу здатність. Довжина пробігу у твердих тілах сягає кількох міліметрів. Тому випромінювач може розташовуватися як усередині, так і поза перетворювачем.

Зміна відстані між електродами, площі перекриття електродів або положення джерела радіоактивного випромінювання щодо іонізаційних камер або лічильників позначається на значенні іонізаційного струму. Тому зазначені залежності використовують для вимірювання різних механічних та геометричних величин.

На рис. 11-18 як приклад показаний іонізаційний мембранний манометр, де / -випромінювач; 2 - мембрана; 3 - Нерухомий електрод, ізольований від мембрани. Між електродами 2 а 3прикладена різниця потенціалів, достатня для досягнення струму насичення. При зміні тиску рмембрана прогинається, змінюючи відстань між електродами та значення іонізаційного струму.

Мал. 11-18. Іонізаційний мембранний манометр

Мал. 11-19. Газорозрядний лічильник

Гамма-промені - електромагнітні коливання дуже малої довжини хвилі (10~8 -10~" см), що виникають при радіоактивних перетвореннях. Гамма-промені мають велику проникаючу здатність.

Конструкції іонізаційних камер та лічильників різноманітні та залежать від виду випромінювання.

Для реєстрації окремих частинок, а також вимірювання невеликих випромінювань широко застосовують так звані газорозрядні лічильники, дію яких описують ділянки Ута Г вольт-амперної характеристики. Пристрій газорозрядного лічильника показано на рис. 11-19. Лічильник складається з металевого циліндра /, всередині якого натягнутий тонкий вольфрамовий дріт 2. Обидва ці електроди поміщені у скляний циліндр 3 сінертним газом. При іонізації газу ланцюга лічильника з'являються імпульси струму, число яких підраховується.

Як джерела а-, р-і у-випромінювань зазвичай використовують радіоактивні ізотопи. Джерела випромінювання, що застосовуються у вимірювальній техніці, повинні мати значний період напіврозпаду та достатню енергію випромінювання (кобальт-60, стронцій-90, плутоній-239 та ін.).

Основна перевага приладів, що використовують іонізуючі випромінювання, полягає у можливості безконтактних вимірювань, що має велике значення, наприклад, при вимірюваннях в агресивних або вибухонебезпечних середовищах, а також у середовищах, що знаходяться під великим тиском або мають високу температуру. Основний недолік цих приладів - необхідність застосування біологічного захисту за високої активності джерела випромінювання.

13.2 Вимірювальні генераторні перетворювачі

Загальні відомості.У генераторних перетворювачах вихідною величиною є ЕРС або заряд, функціонально пов'язані з вимірюваною неелектричною величиною.

Термоелектричні перетворювачі.Ці перетворювачі засновані на термоелектричному ефекті, що виникає в ланцюзі термопари.

При різниці температур точок / та 2 з'єднання двох різнорідних провідників А і В(рис. 11-20, а), що утворюють термопару, у ланцюзі термопари виникає термо-ЕРС.

Для вимірювання термо-ЕРС електровимірювальний прилад (мілівольтметр, компенсатор) включають у ланцюг термопари (рис. 11-20, б).Точку з'єднання провідників (електродів) називають робочим кінцем термопари, точки 2 і 2" - Вільними кінцями.

Щоб термо-ЕРС у ланцюгу термопари однозначно визначалася температурою робочого кінця, необхідно температуру вільних кінців термопари підтримувати однаковою та незмінною.

Мал. 11-20. Термопара (а) та спосіб включення приладу в ланцюг термопари (б)

Градуювання термоелектричних термометрів - приладів, що використовують термопари для вимірювання температури, проводять зазвичай при температурі вільних кінців °С. Градуювальні таблиці для стандартних термопар також складені за умови рівності температури вільних кінців °С. При практичному застосуванні термоелектричних термометрів температура вільних кінців термопари зазвичай не дорівнює О °С і тому необхідно вводити виправлення.

Для виготовлення термопар, що застосовуються в даний час для вимірювання температури, використовують переважно спеціальні сплави.

Для вимірювання високих температур використовують термопари типів ТПП, ТПР та ТВР. Термопари з благородних металів (ТПП та ТПР) застосовують при вимірах з підвищеною точністю. За інших випадках застосовують термопари з неблагородних металів (ТХА, ТХК).

Для захисту від зовнішніх впливів (тиску, агресивних газів тощо) електроди термопар поміщають у захисну арматуру, конструктивно схожу на арматуру терморезисторів (рис. 11-7, б).

Для зручності стабілізації температури вільних кінців іноді термопару подовжують за допомогою так званих подовжувальних проводів, виконаних або з відповідних термоелектродних матеріалів, або зі спеціально підібраних матеріалів, дешевших, ніж електродні, і задовольняють умові термоелектричної ідентичності з основною термопарою в діапазоні можливих температур вільних зазвичай від Про до 100 ° С). Інакше кажучи, подовжувальні дроти повинні мати в зазначеному інтервалі температур таку саму залежність термо-ЕРС від температури, як і в основної термопари.

Інерційність термопар характеризують показник теплової інерції. Відомі конструкції малоінерційних термопар, у яких показник теплової інерції становить 5-20 с. Термопари у звичайній арматурі мають показник теплової інерції, рівний кількох хвилин.

Індукційні перетворювачі застосовують для вимірювання швидкості лінійних та кутових переміщень. Вихідний сигнал цих перетворювачів може бути проінтегрований або продиференційований у часі за допомогою електричних інтегруючих або диференціюючих пристроїв. Після цих перетворень інформативний параметр сигналу стає пропорційним відповідно переміщенню або прискоренню. Тому індукційні перетворювачі використовують також для вимірювання лінійних та кутових переміщень та прискорень.

Найбільше застосування індукційні перетворювачі отримали у приладах для вимірювання кутової швидкості (тахометрах) та у приладах для вимірювання параметрів вібрацій.

Індукційні перетворювачі для тахометрів є невеликі (1 -100 Вт) генератори постійного або змінного струму зазвичай з незалежним збудженням від постійного магніту, ротор яких механічно пов'язаний з випробуваним валом. При використанні генератора постійного струму про кутову швидкість судять по ЕРС генератора, а у разі застосування генератора змінного струму кутову швидкість можна визначити за значенням ЕРС або її частотою.

На рис. 11-21 показаний індукційний перетворювач для вимірювання амплітуди, швидкості та прискорення зворотно-поступального руху. Перетворювач являє собою циліндричну котушку /, що переміщається в кільцевому зазорі магнітопроводу 2. Циліндричний постійний магніт 3 створює в кільцевому зазорі постійне магнітне радіальне поле. Котушка при переміщенні перетинає силові лінії магнітного поля, і в ній виникає ЕРС, пропорційна швидкості переміщення.

Мал. 11-21. Індукційний перетворювач

Похибки індукційних перетворювачів визначаються головним чином зміною магнітного поля в часі та за зміни температури, а також температурними змінами опору обмотки.

Основні переваги індукційних перетворювачів полягають у порівняльній простоті конструкції, надійності роботи та високій чутливості. Недолік - обмежений частотний діапазон вимірюваних величин.

П'єзоелектричні перетворювачі.Такі перетворювачі засновані на використанні прямого п'єзоелектричного ефекту, що полягає у появі електричних зарядів на поверхні деяких кристалів (кварцу, турмаліну, сегнетової солі та ін) під впливом механічних напруг.

З кристала кварцу вирізається пластинка, грані якої мають бути перпендикулярні до оптичної осі. Oz,механічної осі Оута електричної осі Охкристала (рис. 11-22, а б).

F xвздовж електричної осі на гранях хз'являються заряди Q x = kF x ,де k- П'єзоелектричний коефіцієнт (модуль).

При дії на пластину зусилля F yвздовж механічної осі на тих же гранях хвиникають заряди Q y = kF y a/b,де аі b- Розміри граней пластини.

Механічна дія на пластину вздовж оптичної осі не викликає появи зарядів.

Пристрій п'єзоелектричного перетворювача для вимірювання змінного тиску газу показано на рис. 11-23. Тиск рчерез металеву мембрану / передається на затиснуті між металевими прокладками 2 кварцові платівки 3.

Мал. 11-22. Кристал кварцу (а) та платівка (б),вирізана з нього

Кулька 4 сприяє рівномірному розподілу тиску поверхні кварцових пластинок. Середня прокладка з'єднана з 5 висновком, що проходить через втулку з хорошого ізоляційного матеріалу. При дії тиску рміж виведенням 5 і корпусом перетворювача виникає різниця потенціалів .

У п'єзоелектричних перетворювачах переважно застосовують кварц, у якого п'єзоелектричні властивості поєднуються з високою механічною міцністю і високими ізоляційними якостями, а також з незалежністю п'єзоелектричної характеристики від температури в широких межах. Використовують поляризовану кераміку з титанату барію, титанату і цирконату свинцю.

Мал. 11-23. П'єзоелектричний перетворювач для вимірювання тиску

Розміри пластин та їх число вибирають виходячи з конструктивних міркувань та необхідного значення заряду.

Заряд, що виникає в п'єзоелектричному перетворювачі, «стікає» з ізоляції та вхідного ланцюга вимірювального приладу. Тому прилади, що вимірюють різницю потенціалів на п'єзоелектричних перетворювачах, повинні мати високий вхідний опір (1012-1015 Ом), що практично забезпечується застосуванням електронних підсилювачів з високим вхідним опором.

Через «стікання» заряду ці перетворювачі використовують для вимірювання величин, що швидко змінюються (змінних зусиль, тисків, параметрів вібрацій, прискорень і т. д.).

Знаходять застосування п'єзоелектричні перетворювачі - п'єзорезонатори, в яких використовуються одночасно прямий та зворотний п'єзоефекти. Останній полягає в тому, що якщо на електроди перетворювача подати змінну напругу, то в п'єзочутливій пластині виникнуть механічні коливання, частота яких (резонансна частота) залежить від товщини hпластини, модуля пружності Ета щільності р її матеріалу. При включенні такого перетворювача в резонансний контур генератора частота електричних коливань, що генеруються, визначається частотою f p . При зміні значень h, Еабо р під впливом механічних або температурних впливів частота /р зміниться і, відповідно, зміниться частота коливань, що генеруються. Цей принцип використовують для перетворення тиску, зусилля, температури та інших величин на частоту.

Гальванічні перетворювачі. Перетворювачі засновані на залежності ЕРС гальванічного ланцюга від хімічної активності іонів електроліту, тобто від концентрації іонів та окисно-відновних процесів в електроліті. Ці перетворювачі застосовують визначення реакції розчину (кисла, нейтральна, лужна), яка залежить від активності водневих іонів розчину.

Хімічна активність а дорівнює добутку еквівалентної концентрації на коефіцієнт активності (що прагне до одиниці при нескінченному розведенні розчину).

Якщо у воді розчинити кислоту, що утворює при дисоціації іони Н + , то концентрація іонів Н + у розчині стане більшою, ніж у чистій воді, а концентрація іонів ВІН ~ менше за рахунок возз'єднання частини іонів Н + з іонами ВІН.

Таким чином, хімічна активність водневих іонів розчину є характеристикою реакції розчину. Реакцію розчину чисельно характеризують негативним логарифмом активності іонів водню - водневим показником рН. Для дистильованої води водневий показник дорівнює 7 одиницям рН.

Діапазон зміни водневого показника водних розчинів при t = 22 °Сскладає 0-14 одиниць рН.

Для вимірювання рН застосовують метод, що ґрунтується на вимірі електродного (прикордонного) потенціалу.

Якщо металевий електрод занурити в розчин, що містить його однойменні іони, то електрод набуває потенціалу. Аналогічно поводиться і водневий електрод.

Для отримання електродного потенціалу між воднем та розчином, необхідно мати так званий водневий електрод. Водневий електрод можна створити, скориставшись властивістю водню адсорбуватися на поверхні платини, іридію та паладію. Зазвичай водневим електродом служить покритий платиновим чернем платиновий електрод, до якого безперервно підводиться газоподібний водень. Потенціал такого електрода залежить від концентрації водневих іонів у розчині.

Практично виміряти абсолютне значення прикордонного потенціалу не можна. Тому гальванічний перетворювач завжди складається з двох напівелементів, електрично з'єднаних один з одним: робочого (вимірювального) напівелемента, що є досліджуваним розчином з електродом, і порівняльного (допоміжного) напівелемента з незмінним прикордонним потенціалом, що складається з електрода і розчину з постійною концентрацією. Як порівняльний напівелемент використовують водневий електрод з нормальною постійною концентрацією водневих іонів. При промислових вимірах застосовують зручніший порівняльний каломельний електрод.

Мал. 11-24. Гальванічний перетворювач

На рис. 11-24 показаний перетворювач для вимірювання концентрації водневих іонів. Порівняльним напівелементом є каломельний електрод. Він являє собою скляну посудину 4, на дно якого вміщено невелику кількість ртуті, а поверх неї – паста з каломелі (Hg2Cb). Зверху пасти налитий розчин хлористого калію (КС1). Потенціал виникає межі каломель - ртуть. 5. Потенціал каломельного електрода залежить від концентрації ртуті в каломелі, а концентрація іонів ртуті, своєю чергою, залежить від концентрації іонів хлору в розчині хлористого калію.

У досліджуваний розчин занурений водневий електрод. Обидва напівелементи з'єднані електролітичним ключем, що є трубкою 2, зазвичай заповнену насиченим розчином КС1 і закриту напівпроникними пробками 3. ЕРС такого перетворювача є функцією рН.

У приладах промислового типу замість робочих водневих електродів використовуються зручніші сурм'яні або гінгідронні електроди. Широко застосовують також звані скляні електроди.

Для вимірювання ЕРС гальванічних перетворювачів переважно використовують компенсаційні прилади. Для скляних електродів вимірювальний ланцюг повинен мати високий вхідний опір, оскільки внутрішній опір скляних електродів досягає 100-200 МОм. При вимірі рН за допомогою гальванічних перетворювачів необхідно вносити зміни на вплив температури.

Термометри опору.Термометри опору, як і термопари, призначені для вимірювання температури газоподібних, твердих і рідких тіл, а також температури поверхні. Принцип дії термометрів ґрунтується на використанні властивості металів та напівпровідників змінювати свій електричний опір з температурою. Для провідників із чистих металів ця залежність у сфері температур від –200 °С до 0 °С має вигляд:

R t = R 0

а в області температур від 0 до 630 °С

R t = R 0

де R t , R 0 -опір провідника за температури tта 0 °С; А, В, С -коефіцієнти; t -температура, °З.

У діапазоні температур від 0 до 180 °С залежність опору провідника від температури описується наближеною формулою

R t = R 0

де α - Температурний коефіцієнт опору матеріалу провідника (ТКС).

Для провідників із чистого металу α≈ 6-10-3...4-10-3 град-1.

Вимір температури термометром опору зводиться до вимірювання його опору R t ,наступним переходом до температури за формулами або градуювальним таблицям.

Розрізняють дротяні та напівпровідникові термометри опору. Дротовий термометр опору є тонким дротом із чистого металу, закріпленим на каркасі з температуростійкого матеріалу (чутливий елемент), поміщеним у захисну арматуру (рис. 5.4).

Мал. 5.4. Чутливий елемент термометра опору

Висновки від чутливого елемента підведено до голівки термометра. Вибір для виготовлення термометрів опору дротів із чистих металів, а не сплавів, обумовлений тим, що ТКС чистих металів більше, ніж ТКС сплавів і, отже, термометри на основі чистих металів мають більшу чутливість.

Промисловістю випускаються платинові, нікелеві та мідні термометри опору. Для забезпечення взаємозамінності та єдиного градуювання термометрів стандартизовано величини їх опору R 0та ТКС.

Напівпровідникові термометри опору (термістори) є намистинками, дисками або стрижнями з напівпровідникового матеріалу з висновками для підключення в вимірювальний ланцюг.

Промисловість серійно випускає багато типів термісторів у різному конструктивному оформленні.

Розміри термісторів, як правило, малі - близько кількох міліметрів, а окремі типи десятих часток міліметра. Для запобігання механічним пошкодженням та впливу середовища термістори захищаються покриттями зі скла або емалі, а також металевими чохлами.

Термістори зазвичай мають опір від одиниць до сотень кілоом; їх ТКС у робочому діапазоні температур на порядок більше, ніж у дротяних термометрів. Як матеріали для робочого тіла термісторів використовують суміші оксидів нікелю, марганцю, міді, кобальту, які змішують зі сполучною речовиною, надають йому необхідну форму і спікають при високій температурі. Термінстори застосовують для вимірювання температур в діапазоні від -100 до 300°С. Інерційність термісторів порівняно невелика. До їхніх недоліків слід віднести нелінійність температурної залежності опору, відсутність взаємозамінності через великий розкид номінального опору і ТКС, а також незворотне зміна опору в часі.

Для вимірювання в області температур, близьких до абсолютного нуля, застосовуються напівпровідникові германієві термометри.

Вимірювання електричного опору термометрів здійснюється за допомогою мостів постійного та змінного струму або компенсаторів. Особливістю термометричних вимірювань є обмеження вимірювального струму для того, щоб виключити розігрів робочого тіла термометра. Для дротяних термометрів опору рекомендується вибрати такий вимірювальний струм, щоб потужність, що розсіюється термометром, не перевищувала 20...50 мВт. Допустима потужність, що розсіюється, в термісторах значно менша і її рекомендується визначати експериментально для кожного термістора.

Тензочутливі перетворювачі (тензорезистори).У конструкторській практиці часто необхідні вимірювання механічних напруг та деформацій в елементах конструкцій. Найбільш поширеними перетворювачами цих величин електричний сигнал є тензорезистори. В основі роботи тензорезисторів лежить властивість металів та напівпровідників змінювати свій електричний опір під дією прикладених до них сил. Найпростішим тензорезистором може бути відрізок дроту, жорстко зчеплений з поверхнею деталі, що деформується. Розтягування або стискування деталі викликає пропорційне розтягування або стиснення дроту, внаслідок чого змінюється його електричний опір. У межах пружних деформацій відносна зміна опору дроту пов'язана з її відносним подовженням співвідношенням

ΔR/R=K Τ Δl/l,

де l, R -початкові довжина та опір дроту; Δl, ΔR -збільшення довжини та опору; K Τ -коефіцієнт тензочутливості.

Величина коефіцієнта тензочутливості залежить від властивостей матеріалу, з якого виготовлений тензорезистор, а також способу кріплення тензорезистора до виробу. Для металевих дротів із різних металів K Τ= 1... 3,5.

Розрізняють дротяні та напівпровідникові тензорезистори. Для виготовлення дротяних тензорезисторів застосовуються матеріали, що мають досить високий коефіцієнт тензочутливості та малий температурний коефіцієнт опору. Найбільш уживаним матеріалом для виготовлення дротяних тензорезисторів є константанова дріт діаметром 20...30 мкм.

Конструктивно, дротяні тензорезистори є решіткою, що складається з декількох петель дроту, наклеєних на тонку паперову (або іншу) підкладку (рис. 5.5). Залежно від матеріалу підкладки, тензорезистори можуть працювати при температурах від -40 до +400 °С.

Мал. 5.5. Тензометр

Існують конструкції тензорезисторів, що прикріплюються до поверхні деталей за допомогою цементів, здатні працювати при температурі до 800 °С.

Основними характеристиками тензорезисторів є номінальний опір R,база lта коефіцієнт тензочутливості K Τ.Промисловістю випускається широкий асортимент тензорезисторів із величиною бази від 5 до 30мм. , номінальними опорами від 50 до 2000 Ом, з коефіцієнтом тензочутливості 2±0,2.

Подальшим розвитком дротяних тензорезисторів є фольгові та плівкові тензорезистори, чутливим елементом яких є грати зі смужок фольги або найтонша металева плівка, що наносяться на підкладки на лаковій основі.

Тензорезистори виконуються на основі напівпровідникових матеріалів. Найбільш сильно тензоефект виражений у германію, кремнію та ін Основною відмінністю напівпровідникових тензорезисторів від дротяних є велика (до 50%) зміна опору при деформації завдяки великій величині коефіцієнта тензочутливості.

Індуктивні перетворювачі.Індуктивні перетворювачі застосовуються для вимірювання переміщень, розмірів, відхилень форми та розташування поверхонь. Перетворювач складається з нерухомої котушки індуктивності з магнітопроводом і якоря, що також є частиною магнітопроводу, що переміщається щодо котушки індуктивності. Для отримання можливо більшої індуктивності магнітопровід котушки та якір виконуються з феромагнітних матеріалів. При переміщенні якоря (пов'язаного, наприклад, зі щупом вимірювального пристрою) змінюється індуктивність котушки і, отже, змінюється струм, що протікає в обмотці. На рис. 5.6 наведено схеми індуктивних перетворювачів із змінним повітряним зазором d (рис. 5.6 а) застосовуваних вимірювання переміщення не більше 0,01…10 мм; із змінною площею повітряного зазору S δ (рис. 5.6 б), що застосовуються в діапазоні 5...20 мм.

Мал. 5.6. Індуктивні перетворювачі переміщень

5.2. Операційні підсилювачі

p align="justify"> Операційний підсилювач (ОУ) - це диференціальний підсилювач постійного струму з дуже великим коефіцієнтом посилення. Для підсилювача напруги передатна функція (коефіцієнт посилення) визначається виразом

Для спрощення конструкторських розрахунків передбачається, що ідеальний ОУ має такі характеристики.

1. Коефіцієнт посилення при розімкнутій петлі зворотного зв'язку дорівнює нескінченності.

2. Вхідний опір R d дорівнює нескінченності.

3. Вихідний опір R0 = 0.

4. Ширина смуги пропускання дорівнює нескінченності.

5. V 0 = 0 при V 1 = V 2 (відсутня напруга усунення нуля).

Остання характеристика є дуже важливою. Оскільки V 1 -V 2 = V 0 / А, то якщо V 0 має кінцеве значення, а коефіцієнт А нескінченно великий (типове значення 100000) матимемо

V 1 - V 2 = 0 і V 1 = V 2.

Оскільки вхідний опір для диференціального сигналу (V1 - V2)

також дуже велике, можна знехтувати струмом через R d .Ці два припущення істотно спрощують розробку схем на ОУ.

Правило1.Працюючи ОУ в лінійній області двох його входах діють однакові напруги.

Правило2.Вхідні струми для обох входів ОУ дорівнюють нулю.

Розглянемо базові схемні блоки ОУ. У більшості цих схем ОУ використовується у конфігурації із замкнутою петлею зворотного зв'язку.

5.2.1. Підсилювач з одиничним коефіцієнтом посилення

(повторювач напруги)

Якщо в підсилювачі, що не інвертує, покласти R i рівним нескінченності, а R f рівним нулю, то ми прийдемо до схеми, зображеної на рис. 5.7.

Згідно з правилом 1, на вході, що інвертує, ОУ теж діє вхідна напруга V i , яке безпосередньо передається на вихід схеми. Отже, V 0 = V i і вихідна напруга відстежує (повторює) вхідну напругу. Багато аналого-цифрових перетворювачів вхідний опір залежить від значення аналогічного вхідного сигналу. За допомогою повторювача напруги забезпечується сталість вхідного опору.

5.2.2. Суматори

Підсилювач, що інвертує, може підсумовувати кілька вхідних напруг. Кожен вхід суматора з'єднується з входом, що інвертує ОУ через зважуючий резистор. Інвертуючий вхід називається підсумовуючим вузлом, оскільки тут підсумовуються всі вхідні струми та струм зворотного зв'язку. Базова принципова схема підсумовувача, що підсумовує, представлена ​​на рис. 5.8.

Як і в звичайному інвертуючому підсилювачі, напруга на вході, що інвертує, повинна дорівнювати нулю, отже, дорівнює нулю і струм, що втікає в ОУ. Таким чином,

i f = i 1 + i 2 +. . . + i n

Так як на вході, що інвертує, діє нульова напруга, то після відповідних підстановок, отримуємо

V 0 = -R f (+. . . +).

Резистор R f визначає загальне посилення схеми. Опір R 1, R 2, . . . R n задають значення вагових коефіцієнтів і вхідних опорів відповідних каналів.

5.2.3. Інтегратори

Інтегратор - це електронна схема, яка виробляє вихідний сигнал, пропорційний інтегралу (за часом) від вхідного сигналу.

На рис. 5.9 показана принципова схема простого аналогового інтегратора. Один висновок інтегратора приєднаний до підсумовує вузлу, а інший – до виходу інтегратора. Отже, напруга на конденсоторі одночасно є вихідною напругою. Вихідний сигнал інтегратора не вдається описати простою залежністю алгебри, оскільки при фіксованій вхідній напругі вихідна напруга змінюється зі швидкістю, що визначається параметрами V i ,R і C. Таким чином, для того, щоб знайти вихідну напругу, потрібно знати тривалість дії вхідного сигналу. Напруга на спочатку розрядженому конденсаторі

де if – через конденсатор і t i - час інтегрування. Для позитивного

Vi маємо i i = V i / R. Оскільки i f = i i , то з урахуванням інверсії сигналу отримуємо

З цього співвідношення випливає, що V 0 визначається інтегралом (зі зворотним знаком) від вхідної напруги в інтервалі від 0 до t 1 помноженим на масштабний коефіцієнт 1/RC. Напруга V ic - це напруга на конденсаторі в початковий час (t = 0).

5.2.4. Диференціатори

Диференціатор виробляє вихідний сигнал, пропорційний швидкості зміни часу вхідного сигналу. На рис. 5.10 показано принципову схему простого диференціатора.

Струм через конденсатор.

Якщо похідна позитивна, струм i i тече у такому напрямку, що формується негативна вихідна напруга V0.

Таким чином,

Цей метод диференціювання сигналу здається простим, але за його практичної реалізації виникають проблеми із забезпеченням стійкості схеми на високих частотах. Не всякий ОУ придатний для використання у диференціаторі. Критерієм вибору є швидкодія ОУ: потрібно вибирати ОУ з високою максимальною швидкістю наростання вихідної напруги та високим значенням добутку коефіцієнта посилення на ширину смуги. Добре працюють у диференціаторах швидкодіючі ОУ на польових транзисторах.

5.2.5. Компаратори

Компаратор – це електронна схема, яка порівнює дві вхідні напруги та виробляє вихідний сигнал, що залежить від стану входів. Базова принципова схема компаратора показано на рис. 5.11.

Як бачимо, тут ОУ працює із розімкнутою петлею зворотного зв'язку. На один із його входів подається опорна напруга, на інший – невідома (порівнювана) напруга. Вихідний сигнал компаратора вказує: вище або нижче за рівень опорної напруги знаходиться рівень невідомого вхідного сигналу. У схемі на рис.5.11 опорна напруга V r подається на вхід, що не інвертує, а на інвертуючий вхід надходить невідомий сигнал V i .

При V i > V r на виході компаратора встановлюється напруга V 0 = - V r (Негативна напруга насичення). У протилежному випадку отримуємо V 0 = + V r. Можна поміняти місцями входи – це призведе до інверсії вихідного сигналу.

5.3. Комутація вимірювальних сигналів

В інформаційно-вимірювальній техніці при реалізації аналогових вимірювальних перетворень часто доводиться здійснювати електричні з'єднання між двома та більш точками вимірювальної схеми з метою викликати необхідний перехідний процес, розсіяти запасену реактивним елементом енергію (наприклад, розрядити конденсатор), підключити джерело живлення вимірювального ланцюга, включити комірку аналог пам'яті, взяти вибірку безперервного процесу при дискретизації і т. д. Крім того, багато вимірювальних засобів здійснюють вимірювальні перетворення послідовно над великим числом електричних величин, розподілених у просторі. Для реалізації сказаного використовуються вимірювальні комутатори та вимірювальні ключі.

Вимірювальним комутатором називається пристрій, який перетворює просторово рознесені аналогові сигнали сигнали, розділені в часі, і навпаки.

Вимірювальні комутатори аналогових сигналів характеризуються такими параметрами:

динамічним діапазоном комутованих величин;

похибкою коефіцієнта передачі;

швидкодією (частотою перемикання або часом, необхідним для виконання однієї комутаційної операції);

числом комутованих сигналів;

граничним числом перемикань (для комутаторів із контактними вимірювальними ключами).

Залежно від типу вимірювальних ключів, що використовуються в комутаторі, різняться контактні та безконтактні комутатори.

Вимірювальний ключ є двополюсником з явно вираженою нелінійністю вольт-амперної характеристики. Перехід ключа з одного стану (закритого) в інший (відкритий) виконується за допомогою елемента, що управляє.

5.4. Аналого-цифрове перетворення

Аналого-цифрове перетворення становить невід'ємну частину вимірювальної процедури. У приладах, що показують, ця операція відповідає зчитуванню числового результату експериментатором. У цифрових та процесорних вимірювальних засобах аналого-цифрове перетворення виконується автоматично, а результат або надходить безпосередньо на індикацію, або вводиться в процесор для виконання наступних вимірювальних перетворень у числовій формі.

Методи аналого-цифрового перетворення у вимірах розроблені глибоко та ґрунтовно та зводяться до подання миттєвих значень вхідного впливу у фіксовані моменти часу відповідною кодовою комбінацією (числом). Фізичну основу аналого-цифрового перетворення становить стробування та порівняння з фіксованими опорними рівнями. Найбільшого поширення набули АЦП порозрядного кодування, послідовного рахунку, що стежить урівноваження та деякі інші. До питань методології аналого-цифрового перетворення, які пов'язані з тенденціями розвитку АЦП та цифрових вимірів на найближчі роки відносяться, зокрема:

Усунення неоднозначності зчитування в найбільш швидкодіючих АЦП зіставлення, що набувають все більшого поширення з розвитком інтегральної технології;

Досягнення стійкості до збоїв та покращення метрологічних характеристик АЦП на основі надлишкової системи числення Фібоначчі;

Застосування аналого-цифрового перетворення методу статистичних випробувань.

5.4.1 Цифроаналогові та аналого-цифрові перетворювачі

Цифроаналогові (ЦАП) та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є невід'ємною частиною автоматичних систем контролю керування та регулювання. Крім того, оскільки переважна більшість вимірюваних фізичних величин є аналоговими, а їхня обробка індикація та реєстрація, як правило, здійснюються цифровими методами, ЦАП та АЦП знайшли широке застосування в автоматичних засобах вимірювань. Так, ЦАП та АЦП входять до складу цифрових вимірювальних приладів (вольтметрів, осцилографів, аналізаторів спектру, кореляторів тощо), програмованих джерел живлення, дисплеїв на електроннопроменеві трубки, графопобудівників, радіолокаційних систем установок для контролю елементів та мікросхем, є важливими компонентами різних перетворювачів та генераторів, пристроїв введення виведення інформації ЕОМ. Широкі перспективи застосування ЦАП та АЦП відкриваються у телеметрії та телебаченні. Серійний випуск малогабаритних та відносно дешевих ЦАП та АЦП дасть можливість ще ширшого використання методів дискретно безперервного перетворення у науці та техніці.

Існує три різновиди конструктивно-технологічного виконання ЦАП та АЦП: модульне, гібридне та інтегральне. При цьому частка виробництва інтегральних схем (ІВ) ЦАП та АЦП у загальному обсязі їх випуску безперервно зростає, чому значною мірою сприяє широке поширення мікропроцесорів та методів цифрової обробки даних. ЦАП - пристрій, що створює на виході аналоговий сигнал (напруга або струм), пропорційний цифровому вхідному сигналу. При цьому значення вихідного сигналу залежить від значення опорної напруги U оп, що визначає повну шкалу вихідного сигналу. Якщо в якості опорної напруги використовувати якийсь аналоговий сигнал, то вихідний сигнал ЦАП буде пропорційний твору вхідних цифрового і аналоговогосигналів. В АЦП цифровий код на виході визначається ставленням перетворюваного вхідного аналогового сигналу до опорного сигналу, що відповідає повній шкалі. Це співвідношення виконується і в тому випадку, якщо опорний сигнал змінюється за законом. АЦП можна як вимірювач відносин чи дільник напруг із цифровим виходом.

5.4.2. Принципи дії, основні елементи та структурні схеми АЦП

В даний час розроблено велику кількість типів АЦП, що задовольняє різноманітні вимоги. В одних випадках переважною вимогою є висока точність, в інших – швидкість перетворення.

За принципом дії всі існуючі типи АЦП можна розділити на дві групи: АЦП з порівнянням вхідного сигналу, що перетворюється, з дискретними рівнями напруг і АЦП інтегруючого типу.

В АЦП з порівнянням вхідного перетворюваного сигналу з дискретними рівнями напруги використовується процес перетворення, сутність якого полягає у формуванні напруги з рівнями, еквівалентними відповідним цифровим кодам, і порівняння цих рівнів напруги з вхідною напругою з метою визначення цифрового еквівалента вхідного сигналу. У цьому рівні напруги можуть формуватися одночасно, послідовно чи комбінованим способом.

АЦП послідовного рахункузі ступінчастою пилкоподібною напругою є одним із найпростіших перетворювачів (рис. 5.12).

За сигналом "Пуск" лічильник встановлюється в нульовий стан, після чого принаймні надходження на його вхід тактових імпульсів з частотою f тлінійно-ступінчасто зростає вихідна напруга ЦАП.

При досягненні напругою U вих значення U вх схема порівняння припиняє підрахунок імпульсів у лічильнику Сч, а код з виходів останнього заноситься в регістр пам'яті. Розрядність і роздільна здатність таких АЦП визначається розрядністю і роздільною здатністю використовуваного в його складі ЦАП. Час перетворення залежить від рівня вхідного перетворюваного напруги. Для вхідної напруги, відповідного значення повної шкали, Сч повинен бути заповнений і при цьому він повинен сформувати на вході ЦАП код повної шкали. Це вимагає для n-розрядного ЦАП часу перетворення (2 n - 1) разів більше періоду тактових імпульсів. Для швидкого аналого-цифрового перетворення використання таких АЦП недоцільно.

У стежить АЦП(рис. 5.13) підсумовуючий Сч замінений на реверсивний лічильник РСч, щоб відслідковувати вхідну напругу, що змінюється. Вихідний сигнал КН визначає напрямок рахунку залежно від того, що перевищує чи ні вхідна напруга АЦП вихідна напруга ЦАП.

Перед початком вимірювань РСч встановлюється стан, відповідний середині шкали (01 ... 1). Перший цикл перетворення слідкуючого АЦП аналогічний циклу перетворення АЦП послідовного рахунки. Надалі цикли перетворення істотно скорочуються, оскільки даний АЦП встигає відстежити малі відхилення вхідного сигналу за кілька тактових періодів, збільшуючи або зменшуючи число імпульсів, записане в РСч, залежно від знака неузгодженості поточного значення напруги U вх, що перетворюється, і вихідної напруги ЦАП.

АЦП послідовного наближення (порозрядного врівноважування)знайшли найбільш широке поширення в силу досить простої їх реалізації при одночасному забезпеченні високої роздільної здатності, точності і швидкодії, мають дещо меншу швидкодію, але істотно більшу роздільну здатність у порівнянні з АЦП, що реалізують метод паралельного перетворення.

Для підвищення швидкодії керуючого пристрою використовується розподільник імпульсів РІ і регістр послідовного наближення. Порівняння вхідної напруги з опорним (напругою зворотного зв'язку ЦАП) ведеться, починаючи з величини, що відповідає старшому розряду двійкового коду, що формується.

При пуску АЦП за допомогою РІ встановлюється вихідний стан РПП:

1000 . . .0. При цьому на виході ЦАП формується напруга, що відповідає половині діапазону перетворення, що забезпечується включенням старшого розряду. Якщо вхідний сигнал менший, ніж сигнал від ЦАП, у наступному такті за допомогою РПП цифрових входів ЦАП формується код 0100. . . 0, що відповідає включенню 2-го за старшинством розряду. В результаті вихідний сигнал ЦАП зменшується вдвічі.

Якщо вхідний сигнал перевищує сигнал від ЦАП, черговий такт забезпечує формування коду 0110 ... 0 на цифрових входах ЦАП і включення додаткового 3-го розряду. При цьому вихідна напруга ЦАП, що зросла в півтора рази, знову порівнюється з вхідною напругою і т. д. Описана процедура повторюється nраз (де n- Число розрядів АЦП).

В результаті на виході ЦАП сформується напруга, що відрізняється від вхідного не більше ніж на одиницю молодшого розряду ЦАП. Результат перетворення знімається із виходу РПП.

Перевагою даної схеми є можливість побудови багаторозрядних (до 12 розрядів і вище) перетворювачів порівняно високої швидкодії (з часом перетворення порядку кілька сотень наносекунд).

В АЦП безпосереднього зчитування (паралельного типу)(рис. 5.15) вхідний сигнал одночасно прикладається до входів усіх КН, число mяких визначається розрядністю АЦП і m = 2 n - 1, де n - число розрядів АЦП. У кожному КН сигнал порівнюється з опорною напругою, що відповідає вазі певного розряду і знімається з вузлів резисторного дільника, що живиться від ІОН.

Вихідні сигнали КН обробляються логічним дешифратором, що виробляє паралельний код, що є цифровим еквівалентом вхідної напруги. Подібні АЦП мають найвищу швидкодію. Недоліком таких АЦП є те, що зі зростанням розрядності кількість необхідних елементів практично подвоюється, що ускладнює побудову багаторозрядних АЦП подібного типу. Точність перетворення обмежується точністю та стабільністю КН та резисторного дільника. Щоб збільшити розрядність при високій швидкодії реалізують двокаскадні АЦП, при цьому з виходів другого ступеня ДШ знімаються молодші розряди вихідного коду, а з виходів ДШ першого ступеня - старші розряди.

АЦП з модуляцією тривалості імпульсу (однотактний інтегруючий)

АЦП характеризується тим, що рівень вхідного аналогового сигналу U вх перетворюється на імпульс, тривалість якого t імп є функцією значення вхідного сигналу і перетворюється на цифрову форму за допомогою підрахунку числа періодів опорної частоти, які укладаються між початком і кінцем імпульсу. Вихідна напруга інтегратора під дією підклю-

ченого до його входу U оп змінюється від нульового рівня зі швидкістю

У момент, коли вихідна напруга інтегратора стає рівним вхідному U вх, КН спрацьовує, у результаті закінчується формування тривалості імпульсу, протягом якого в лічильниках АЦП відбувається підрахунок числа періодів опорної частоти. Тривалість імпульсу визначається часом, протягом якого напруга U вих змінюється від нульового рівня до U вх:

Достоїнство даного перетворювача полягає в його простоті, а недоліки - щодо низької швидкодії і низької точності.

Міністерство освіти Республіки Білорусь

Заклад освіти

"Білоруський державний університет

інформатики та радіоелектроніки"

Кафедра метрології та стандартизації

Параметричні вимірювальні перетворювачі

Методичні вказівки до лабораторної роботи Е.5Б

для студентів спеціальності 54 01 01 ‑ 02

"Метрологія, стандартизація та сертифікація"

всіх форм навчання

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10я73

Укладачі В.Т. Ревін, Л.Є. Батай

Методичні вказівки містять мету роботи, короткі відомості з теорії, опис лабораторної установки, лабораторне завдання та порядок виконання роботи, а також вказівки щодо оформлення звіту та контрольні питання для перевірки знань студентів. Розглянуто основні види параметричних вимірювальних перетворювачів (реостатні, індуктивні та ємнісні), їх основні характеристики та схеми включення до вимірювального ланцюга. Виконання лабораторної роботи передбачає визначення основних метрологічних характеристик (функція перетворення, чутливість, основна похибка, похибка визначення чутливості) розглянутих вимірювальних перетворювачів, а також оволодіння методикою вимірювання неелектричних величин за допомогою вимірювальних перетворювачів та знаходження похибок визначення значень неелектричних.

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10 я 73

1 Мета роботи

1.1 Вивчення принципу дії, конструкції та основних характеристик реостатних, ємнісних та індуктивних вимірювальних перетворювачів неелектричних величин в електричні.

1.2 Вивчення методів вимірювання неелектричних величин за допомогою реостатних, ємнісних та індуктивних вимірювальних перетворювачів.

1.3 Практичне визначення основних характеристик вимірювальних перетворювачів та вимірювання за їх допомогою лінійних та кутових переміщень.

2 Короткі відомості з теорії

Особливістю сучасних вимірів є необхідність визначення значень множини фізичних величин, серед яких більшу частину становлять неелектричні величини. Для виміру неелектричних величин широко використовуються електричні засоби вимірів, що обумовлено рядом їх суттєвих переваг. До них відносяться висока точність вимірювання, висока чутливість та швидкодія засобів вимірювань, можливість проведення дистанційних вимірювань, автоматичного перетворення вимірювальної інформації, автоматичного керування процесом вимірювання тощо. Особливістю електричних засобів вимірювань, призначених для вимірювання неелектричних величин, є обов'язкова наявність первинного перетворювача вимірювального неелектричної величини в електричну.

Первинний вимірювальний перетворювач встановлює однозначний функціональний зв'язок між вихідною електричною величиною Y і неелектричною вхідною величиною Х: Y= f(X).

Залежно від виду вихідного сигналу первинні вимірювальні перетворювачі поділяються на параметричні та генераторні.

У параметричнихвимірювальних перетворювачах вихідною величиною є параметр електричного ланцюга: опір R, індуктивність L, взаємна індуктивність M або ємність C. При використанні параметричних вимірювальних перетворювачів завжди необхідне додаткове джерело живлення, енергія якого використовується для утворення вихідного сигналу перетворювача.

У генераторнихВимірювальні перетворювачі вихідними величинами є ЕРС, струм, напруга, або заряд. При використанні генераторних вимірювальних перетворювачів допоміжні джерела живлення використовуються тільки для посилення отриманого сигналу.

За принципом дії параметричні вимірювальні перетворювачі поділяються на реостатні, тензочутливі (тензорезистори), термочутливі (терморезистори, термістори), ємнісні, індуктивні, іонізаційні.

Залежність вихідної величини вимірювального перетворювача Y від вхідної величини X, що описується виразом Y = f (X), називається функцією перетворення.Часто вихідна величина перетворювача Yзалежить не тільки від вхідної вимірюваної величини X, але і від деякого зовнішнього фактора Z. Тому у загальному вигляді функцію перетворення можна уявити функціональною залежністю: Y = f (X, Z).

Під час розробки вимірювальних перетворювачів неелектричних величин прагнуть отримати лінійну функцію перетворення. Для опису лінійної функції перетворення достатньо задати два параметри: початкове значення вихідної величини Y 0 (нульовий рівень), що відповідає нульовому або іншому початковому значенню вхідної величини X, параметр S, що характеризує нахил функції перетворення.

У цьому випадку функція перетворення може бути представлена ​​в такому вигляді:

Параметр S, що характеризує нахил функції перетворення, називається чутливістю перетворювача. Чутливість перетворювача це відношення зміни вихідної величини вимірювального перетворювача ΔY до зміни вхідної величини ΔX, що викликала його:

. (2)

Чутливість перетворювача є величиною, що має розмірність, причому розмірність залежить від природи вхідний та вихідний величин. Для реостатного перетворювача, наприклад, чутливість має розмірність Ом/мм, для термоелектричного перетворювача мВ/К, для фотоелемента мкА/лм, для двигуна об/(сВ) або Гц/В, для гальванометра мм/мкА і т.д.

Найважливішою проблемою при проектуванні та використанні вимірювального перетворювача є забезпечення сталості чутливості. Чутливість повинна якнайменше залежати від значень вхідної величини Х (у разі функція перетворення лінійна), швидкості зміни X, часу роботи перетворювача, і навіть впливу інших фізичних величин, що характеризують сам об'єкт, яке оточення (такі величини називаються впливають). При нелінійній функції перетворення чутливість залежить від значень вхідної величини: S = S(X) .

Діапазон значень неелектричних величин, перетворюваних з допомогою вимірювального перетворювача, обмежується з одного боку межею перетворення, з другого – порогом чутливості.

Межа перетворенняперетворювача - це максимальне значення вхідної величини, яке може бути сприйнято перетворювачем без його пошкодження чи спотворення функції перетворення.

Поріг чутливості– це мінімальна зміна значення вхідної величини, здатна викликати помітну зміну вихідної величини перетворювача.

Співвідношення Y = f(X)виражає у загальній теоретичній формі фізичні закони, покладені основою роботи перетворювачів. Насправді функція перетворення визначається експериментально у чисельної формі внаслідок градуювання перетворювача. У цьому випадку ряду точно відомих значень X вимірюють відповідні значення Y , що дозволяє побудувати градуювальну криву (рисунок 1, а). Використовуючи побудовану градуювальну криву, за отриманими в результаті вимірювання значенням електричної величини Y можна знайти відповідні значення неелектричної величини X, що шукається (рисунок 1, б).

а- Побудова градуювальної кривої за виміряними значеннями величин Х і Y;

б використання градуювальної кривої для визначення вхідної величини Х

Рисунок 1 – Градуювальна характеристика вимірювального перетворювача

Найважливішою характеристикою будь-якого вимірювального перетворювача є його основна похибка, яка зумовлена ​​принципом дії, недосконалістю конструкції перетворювача або технології його виготовлення та проявляється при нормальних значеннях впливових величин або знаходженні їх у межах області нормальних значень.

Основна похибка вимірювального перетворювача може мати кілька складових, обумовлених:

Неточністю зразкових засобів вимірів, з допомогою яких проводилося визначення функції перетворення;

Відмінністю реальної градуювальної характеристики номінальної функції перетворення; наближеним (табличним, графічним, аналітичним) виразом функції перетворення;

Неповним збігом функції перетворення при зростанні та зменшенні вимірюваної неелектричної величини (гістерезис функції перетворення);

Неповною відтворюваністю показників вимірювального перетворювача (найчастіше чутливості).

При градуювання серії однотипних перетворювачів виявляється, що їх характеристики дещо відрізняються один від одного, займаючи деяку смугу. Тому в паспорті вимірювального перетворювача наводиться деяка середня характеристика, яка називається номінальною. Різниці між номінальною (паспортною) та реальною характеристиками перетворювача розглядаються як його похибки.

Градуювання вимірювального перетворювача (визначення реальної функції перетворення) здійснюється за допомогою засобів вимірювань неелектричних та електричних величин. Як приклад на малюнку 2 представлена ​​структурна схема установки для градуювання реостатного перетворювача. Як засіб вимірювання лінійного переміщення (неелектричної величини) використовується лінійка, а засоби вимірювання електричної величини – активного опору – цифровий вимірювач L, C, R E7-8.

Рисунок 2 – Структурна схема установки для градуювання реостатного перетворювача

Процес градуювання перетворювача ось у чому. За допомогою механізму переміщення рухомий контакт (двигун) реостатного перетворювача послідовно встановлюється на оцифровані позначки шкали лінійки, і на кожній позначці проводиться вимірювання активного опору перетворювача за допомогою Е7-8 приладу. Виміряні значення лінійного переміщення та активного опору заносяться в градуювальну таблицю 1.

Таблиця 1

В цьому випадку отримуємо функцію перетворення вимірювального перетворювача, задану в табличній формі. Для отримання графічного зображення функції перетворення необхідно скористатися рекомендаціями наведеними на малюнку 1, а.

Слід, проте, пам'ятати, що вимірювання лінійного переміщення і активного опору зроблено з похибкою, обумовленої інструментальними похибками використовуваних засобів вимірів. У зв'язку з цим визначення функції перетворення було зроблено також з деякою похибкою (рисунок 3).

Рисунок 3 – Похибки визначення функції перетворення

Оскільки чутливість перетворювача S, задається нахилом функції перетворення, визначається за формулою (2), то розрахунок похибки визначення чутливості перетворювача Δ S повинен проводитись на основі алгоритму розрахунку похибки результату непрямого виміру. У загальному вигляді розрахункова формула для Δ Sвиглядає наступним чином:

де
,

Δ y 1 і Δ y 2 - Похибки визначення вихідних величин y 1 і y 2 ,

Δ x 1 і Δ x 2 - Похибки визначення вхідних величин x 1 і x 2 .

Додаткові похибки вимірювального перетворювача, зумовлені його принципом дії, недосконалістю конструкції та технології виготовлення, виявляються при відхиленні величин, що впливають від нормальних значень.

Крім розглянутих вище характеристик, вимірювальні перетворювачі неелектричних величин електричні характеризуються: варіацією вихідного сигналу, вихідним повним опором, динамічними характеристиками . До найважливіших технічних характеристик також відносяться: габарити, маса, стійкість до механічних, теплових, електричних та інших перевантажень, надійність, зручність монтажу та обслуговування, вибухобезпечність, вартість виготовлення тощо. .

Вимірювальні перетворювачі різняться за принципом перетворення сигналу.

В разі аналогового прямого перетворення(рисунок 4) неелектрична величина X, що вимірюється, подається на вхід первинного вимірювального перетворювача (ПІП). Вихідна електрична величина Y перетворювача вимірюється електричним вимірювальним приладом (ЕІП), до складу якого входять вимірювальний перетворювач та індикаторний пристрій.

Малюнок 4 - Блок-схема приладу з аналоговим прямим перетворенням вимірюваної неелектричної величини

Залежно від роду вихідної величини та вимог, що висуваються до приладу, електричний вимірювальний прилад може бути різного ступеня складності. В одному випадку це – магнітоелектричний мілівольтметр, а в іншому – цифровий вимірювальний прилад. Зазвичай шкалу індикаторного пристрою ЕІП градуюють в одиницях неелектричної величини, що вимірюється. Неелектрична величина, що вимірюється, може неодноразово перетворюватися для узгодження меж її вимірювання з межами перетворення ПІП і отримання більш зручного для ПІП виду вхідного впливу. Для виконання подібних перетворень у прилад вводять попередьтільніперетворювачі неелектричних величин на неелектричні.

При велику кількість проміжних перетворювачів у приладах прямого перетворення істотно зростає сумарна похибка. Для зниження похибки застосовують диференціальні звимірювальні перетворювачі,які мають меншу адитивну похибку, менш нелінійну функцію перетворення та більш високу чутливість порівняно з пристроями прямого перетворення.

На малюнку 5 показано структурну схему приладу з диференціальним вимірювальним перетворювачем (ДІП). Перетворювач включає диференціальну ланку ДЗ з двома виходами, два канали перетворення (П1 і П2) і пристрій, що віднімає ВУ. При зміні вхідної вимірюваної величини від початкового значення x 0 до значення (x 0 + Δx) вихідні величини x 1 і x 2 на виході ДЗ отримують прирости з різними знаками. Після їх перетворення П1 і П2 значення на виході перетворювачів y 1 і y 2 віднімаються. В результаті вихідна величина ДІП (y = y 1 -y 2), що надходить на вимірювальний механізм ІМ, пропорційна тільки збільшенню Δx вимірюваної неелектричної величини.

Малюнок 5 – Блок-схема приладу з диференціальним перетворенням неелектричної величини, що вимірюється.

У приладах з перетворенням, що базується на принципі компенсації (урівноважування)у пристрої порівняння УС перетворювача відбувається зіставлення вимірюваноївеличини та однорідної їй змінюваноївеличини, створюваної вузлом зворотний зв'язок УОС (рисунок 6) Порівняння величин проводиться до повного врівноваження. Як вузли зворотного зв'язку використовуються зворотні перетворювачі, що перетворюють електричну величину на неелектричну (наприклад, лампи розжарювання, електромеханічні перетворювачі та ін.).

Малюнок 6 – Блок-схема приладу з компенсаційним вимірювальним перетворювачем

Прилади компенсаційного порівняння проти приладами прямого перетворення дозволяють отримати більш високу точність, більшу швидкодію, менше споживають енергії від об'єкта дослідження.

Електричні прилади для вимірювання неелектричних величин можуть бути аналоговими, так і цифровими .

Реостатні перетворювачі

Реостатні перетворювачі ґрунтуються на зміні електричного опору провідника під впливом вхідної величини – лінійного чи кутового переміщення. Реостатний перетворювач є реостат (каркас з нанесеною на нього дротяною обмоткою), рухомий контакт якого здійснює лінійне або кутове переміщення під впливом неелектричної величини. Схематичні зображення деяких конструкцій реостатних перетворювачів наведено на малюнку 6, а-в.Габарити перетворювача визначаються граничними значеннями вимірюваного переміщення, опором обмотки та електричною потужністю, що розсіюється в обмотці. Для отримання нелінійної функції перетворення застосовують функціональні реостатні перетворювачі. Потрібний вид функції перетворення досягається профільуванням каркаса перетворювача (рисунок 6, в).

У реостатних перетворювачах статична характеристика перетворення має ступінчастий характер, оскільки опір змінюється стрибками, рівними опору одного витка. Це спричиняє появу відповідної похибки, максимальне значення якої можна представити у вигляді:

, (4)

де R - максимальний опір одного витка;

R  повний опір перетворювача.

У реохорднихперетворювачах, у яких рухливий контакт ковзає вздовж осі дроту, цієї похибки можна уникнути.

Реостатні перетворювачі включають вимірювальні ланцюги у вигляді рівноважних і нерівноважних мостів, дільників напруги і т.д.

Рисунок 7 – Реостатні вимірювальні перетворювачі

Основними недоліками реостатних перетворювачів є наявність ковзного контакту, необхідність щодо великих його переміщень, котрий іноді значного зусилля для переміщення. До переваг відносяться простота конструкції і можливість отримання значних за рівнем вихідних сигналів.

Застосовують реостатні перетворювачі для вимірювання порівняно великих лінійних та кутових переміщень, а також інших неелектричних величин, які можуть бути перетворені на переміщення (зусилля, тиск тощо).

Індуктивні перетворювачі

Принцип дії індуктивних перетворювачів заснований на залежності власної або взаємної індуктивності обмоток на магнітопроводі від взаємного положення, геометричних розмірів та магнітного опору елементів магнітного ланцюга. З електротехніки відомо, що індуктивність L обмотки, розташованої на магнітному сердечнику (магнітопроводі), визначається виразом:

, (5)

де Z M - магнітний опір магнітопроводу;

w кількість витків обмотки.

Взаємна індуктивність M двох обмоток, розташованих на одному магнітопроводі з магнітним опором Z M, визначається як

, (6)

де w 1 і w 2  число витків першої та другої обмоток.

Магнітний опір визначається виразом:

, ` (7)

Наведені співвідношення показують, що індуктивність і взаємну індуктивність можна змінювати, змінюючи довжину або переріз S повітряної ділянки магнітного ланцюга, втрати потужності Р в магнітопроводі і т. д.

На малюнку 8 схематично показано різні типи індуктивних перетворювачів. Зміна взаємної індуктивності може бути досягнута, наприклад, переміщенням рухомого сердечника (якоря) 1 щодо нерухомого сердечника 2, введенням металевої немагнітної пластини 3 в повітряний зазор (рисунок 8 а).

Рисунок 8 – Індуктивні вимірювальні перетворювачі

Індуктивний перетворювач із змінною довжиною повітряного зазору  (рисунок 8, б) характеризується нелінійною залежністю L = f ( ). Такий перетворювач має високу чутливість і зазвичай застосовується при переміщенні якоря магнітопроводу в межах від 0,01 до 5 мм.

Значно меншою чутливістю, але лінійною залежністю функції перетворення L = f(S) відрізняються перетворювачі зі змінним перерізом повітряного зазору (рисунок 8, в). Такі перетворювачі використовують при вимірі переміщень до 10 - 15 мм.

Широкого поширення набули індуктивні диференціальні перетворювачі (рисунок 8, г), в яких рухливий якір поміщений між двома нерухомими сердечниками з обмотками. При переміщенні якоря під впливом вимірюваної величини одночасно з різними знаками змінюються довжини δ 1 і δ 2 повітряних зазорів перетворювача, у своїй індуктивність однієї обмотки зростатиме, іншою – зменшуватися. Диференціальні перетворювачі застосовуються у поєднанні з мостовими вимірювальними схемами. У порівнянні з недиференціальними перетворювачами вони мають більш високу чутливість, меншу нелінійність функції перетворення, відчувають менший вплив зовнішніх факторів.

Для перетворення порівняно великих переміщень (до 50 - 100 мм) застосовують трансформаторні перетворювачі з незамкнутим магнітним ланцюгом (рисунок 8, д).

Якщо феромагнітний осердя перетворювача піддавати механічному впливу силою F, то внаслідок зміни магнітної проникності матеріалу осердя зміниться магнітний опір ланцюга, що також спричинить зміну індуктивності L та взаємної індуктивності М обмоток. На цій залежності заснований принцип дії магнітоупругих перетворювачів (рисунок 8, е).

Індуктивні перетворювачі використовують для вимірювання лінійних та кутових переміщень, а також інших неелектричних величин, які можуть бути перетворені на переміщення (зусилля, тиск, момент сил тощо). Конструкція перетворювача визначається діапазоном вимірюваних переміщень. Габарити перетворювача вибираються, виходячи із необхідної потужності вихідного сигналу.

Для вимірювання вихідного параметра індуктивних перетворювачів найбільше застосування отримали мостові (рівноважні та нерівноважні) та генераторні вимірювальні ланцюги, а також ланцюги з використанням резонансних контурів, які мають найбільшу чутливість внаслідок великої крутості функції перетворення.

У порівнянні з іншими перетворювачами переміщення індуктивні перетворювачі відрізняються значними за потужністю вихідними сигналами, простотою та надійністю в роботі.

Їх основними недоліками є: зворотний вплив на досліджуваний об'єкт (вплив електромагніту на якір) та вплив інерції якоря на частотні характеристики приладу.

Ємнісні перетворювачі

Принцип дії ємнісних вимірювальних перетворювачів ґрунтується на залежності електричної ємності конденсатора від розмірів, взаємного розташування його обкладок та діелектричної проникності середовища між ними.

Електрична ємність плоского конденсатора з двома обкладками описується виразом:

, (8)

З цього виразу видно, що ємнісний перетворювач може бути побудований на основі використання залежностей З =f( ), З =f(S) або C = f( ).

На малюнку 9 схематично показано пристрій різних ємнісних перетворювачів.

Рисунок 9 – Ємнісні вимірювальні перетворювачі

Перетворювач на малюнку 9, аявляє собою конденсатор, одна пластина якого переміщається під дією неелектричної величини X, що вимірюється, відносно нерухомої пластини. Статична характеристика перетворювача, який використовує залежність З =f( ) є нелінійною. Чутливість перетворювача зростає із зменшенням відстані між обкладками . Такі перетворювачі використовують для виміру малих переміщень (менше 1 мм).

Застосовують також диференціальні ємнісні перетворювачі (рисунок 9, б), у яких є одна рухома та дві нерухомі пластини. При вплив вимірюваної величини X у цих перетворювачів одночасно змінюються ємності С1 і С2.

На малюнку 9, впоказаний диференціальний ємнісний перетворювач із змінною активною площею пластин, в якому використовується залежність З =f(S) . Перетворювачі з такою конструкцією використовують для виміру порівняно великих переміщень. У цих перетворювачах необхідна характеристика перетворення легко можна отримати шляхом профілювання пластин.

Перетворювачі з використанням залежності З =f( ) застосовують для вимірювання рівня рідин, вологості речовин, товщини виробів з діелектриків тощо. Як приклад на малюнку 9, гнаведено пристрій перетворювача ємнісного рівнеміра. Місткість між електродами, опущеними в посудину, залежить від рівня рідини.

Для вимірювання вихідного параметра вимірювальних ємнісних перетворювачів застосовують мостові, генераторні вимірювальні ціни і ланцюги з використанням резонансних контурів. Останні дозволяють створювати прилади з високою чутливістю, здатні реагувати на лінійні переміщення близько 10 мкм. Ланцюги з ємнісними перетворювачами зазвичай живлять струмом підвищеної частоти (до десятків МГц).

Вимірювальні перетворювачі неелектричних величин поділяються на параметричні та генераторні. У параметричних перетворювачах вихідною величиною є збільшення параметра електричного ланцюга ( R, L, М, С), тому при їх використанні необхідне додаткове джерело живлення.

У генераторних перетворювачах вихідною величиною є ЕРС, струм або заряд яких функціонально пов'язані з неелектричною величиною, що вимірюється.

Під час створення вимірювальних перетворювачів неелектричних величин прагнуть отримати лінійну функцію перетворення. Відмінність реальної градуювальної характеристики від номінальної лінійної функції перетворення обумовлює похибку нелінійності, що є однією з головних складових результуючої похибки при вимірюваннях неелектричних величин. Одним із способів зниження похибки нелінійності є вибір як вхідні і вихідні величини перетворювача таких величин, взаємозв'язок яких ближче до лінійної функції. Так, наприклад, при вимірюванні лінійних переміщень за допомогою ємнісного перетворювача може змінюватися зазор між пластинами, або площа їх перекриття. У цьому функції перетворення виявляються різними. При зміні зазору залежність ємності від переміщення рухомої пластини суттєво нелінійна, вона описується гіперболічною функцією. Однак, якщо як вихідний величини перетворювача використовувати не його ємність, а опір на деякій частоті, то переміщення, що вимірюється і зазначений ємнісний опір виявляються пов'язаними лінійної залежністю.

Іншим ефективним способом зменшення похибки нелінійності параметричних вимірювальних перетворювачів є їх диференціальна побудова. Будь-який диференціальний вимірювальний перетворювач фактично являє собою два аналогічні вимірювальні перетворювачі, вихідні величини яких віднімаються, а вхідна величина впливає на ці перетворювачі протилежним чином.

Структурну схему приладу з диференціальним вимірювальним перетворювачем наведено на малюнку 16.1.

Вимірювана величина хвпливає на два аналогічні вимірювальні перетворювачі ІП1і ІП2, причому відповідні збільшення значень вихідних величин у 1і у 2мають протилежні знаки. Крім того, є деяке постійне початкове значення x 0величини

на входах цих перетворювачів, що визначається зазвичай конструктивними параметрами перетворювачів. Вихідні величини у 1і у 2віднімаються, а їхня різниця у 3вимірюється електровимірювальним пристроєм ЕІУ (аналоговим чи цифровим).

Припустимо, що перетворювачі ІП1і ІП2ідентичні, які функції перетворення досить точно описуються алгебраїчним поліномом другого порядку. У цьому випадку значення у 1і у 2на виходах перетворювачів можна записати у вигляді (16.1) /14/

Після віднімання отримаємо (16.2) /14/

Малюнок 16.1 - Структурна схема диф- Рисунок 16.2 - Реостатні з- ференціального вимірювального

утворювача

Звідси видно, що результуюча функція перетворення y 3 = f(х)виявилася лінійною. Так як у 3не залежить від а 0, відбувається компенсація систематичних адитивних похибок вимірювальних перетворювачів. З іншого боку, проти одним перетворювачем практично вдвічі зростає чутливість. Усе це визначає широке застосування диференціальних вимірювальних перетворювачів на практиці.

Розглянемо коротко основні типи параметричних перетворювачів неелектричних величин, що використовуються.

Термометри опору.

Термометри опору, як і термопари, призначені для вимірювання температури газоподібних, твердих та рідких тіл, а також температури поверхні. Принцип дії термометрів ґрунтується на використанні властивості металів та напівпровідників змінювати свій електричний опір з температурою. Для провідників із чистих металів ця залежність в області температур від -200°С до 0°С має вигляд:

R t =R 0,

а в області температур від 0 до 630 °С

R t = R 0 [ 1+At+Bt 2 ],

де R t , R 0- Опір провідника при температурі tта 0 °С; А, В,С – коефіцієнти; t- Температура, °С.

У діапазоні температур від 0°С до 180°С залежність опору провідника від температури описується наближеною формулою

R t = R 0 [ 1+αt],

де α - Температурний коефіцієнт опору матеріалу провідника (ТКС).

Для провідників із чистого металу α ≈ 6-10 -3 ...4-10 -3 град-1.

Вимір температури термометром опору зводиться до вимірювання його опору R t, з наступним переходом до температури за формулами або таблицями градуювання.

Розрізняють дротяні та напівпровідникові термометри опору. Дротовий термометр опору є тонким дротом із чистого металу, закріпленим на каркасі з температуростійкого матеріалу (чутливий елемент), поміщеним у захисну арматуру (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – Чутливий елемент термометра опору

Висновки від чутливого елемента підведено до голівки термометра. Вибір для виготовлення термометрів опору дротів із чистих металів, а не сплавів, обумовлений тим, що ТКС чистих металів більше, ніж ТКС сплавів і, отже, термометри на основі чистих металів мають більшу чутливість.

Промисловістю випускаються платинові, нікелеві та мідні термометри опору. Для забезпечення взаємозамінності та єдиного градуювання термометрів стандартизовано величини їх опору R 0та ТКС.

Напівпровідникові термометри опору (термістори) є намистинками, дисками або стрижнями з напівпровідникового матеріалу з висновками для підключення в вимірювальний ланцюг.

Промисловість серійно випускає багато типів термісторів у різному конструктивному оформленні.

Розміри термісторів, як правило, малі – близько кількох міліметрів, а окремі типи десятих часток міліметра. Для запобігання механічним пошкодженням та впливу середовища термістори захищаються покриттями зі скла або емалі, а також металевими чохлами.

Термістори зазвичай мають опір від одиниць до сотень кілоом; їх ТКС у робочому діапазоні температур на порядок більше, ніж у дротяних термометрів. Як матеріали для робочого тіла термісторів використовують суміші оксидів нікелю, марганцю, міді, кобальту, які змішують зі сполучною речовиною, надають йому необхідну форму і спікають при високій температурі. Термінстори застосовують для вимірювання температур в діапазоні від -100 до 300°С. Інерційність термісторів порівняно невелика. До їхніх недоліків слід віднести нелінійність температурної залежності опору, відсутність взаємозамінності через великий розкид номінального опору і ТКС, а також незворотне зміна опору в часі.

Для вимірювання в області температур, близьких до абсолютного нуля, застосовуються напівпровідникові германієві термометри.

Вимірювання електричного опору термометрів здійснюється за допомогою мостів постійного та змінного струму або компенсаторів. Особливістю термометричних вимірювань є обмеження вимірювального струму для того, щоб виключити розігрів робочого тіла термометра. Для дротяних термометрів опору рекомендується вибрати такий вимірювальний струм, щоб потужність, що розсіюється термометром, не перевищувала 20...50мВт. Допустима потужність, що розсіюється, в термісторах значно менше і її рекомендується визначати експериментально для кожного термістора.

Тензочутливі перетворювачі (тензорезистори).

У конструкторській практиці часто необхідні вимірювання механічних напруг та деформацій в елементах конструкцій. Найбільш поширеними перетворювачами цих величин електричний сигнал є тензорезистори. В основі роботи тензорезисторів лежить властивість металів та напівпровідників змінювати свій електричний опір під дією прикладених до них сил. Найпростішим тензорезистором може бути відрізок дроту, жорстко зчеплений з поверхнею деталі, що деформується. Розтягування або стискування деталі викликає пропорційне розтягування або стиснення дроту, внаслідок чого змінюється його електричний опір. У межах пружних деформацій відносна зміна опору дроту пов'язана з її відносним подовженням співвідношенням:

ΔR/R = K T Δl/l,

де l, R- Початкові довжина і опір дроту; Δl, ΔR– збільшення довжини та опору; До T- Коефіцієнт тензочутливості.

Величина коефіцієнта тензочутливості залежить від властивостей матеріалу, з якого виготовлений тензорезистор, а також способу кріплення тензорезистора до виробу. Для металевих дротів із різних металів K T = 1... 3,5.

Розрізняють дротяні та напівпровідникові тензорезистори. Для виготовлення дротяних тензорезисторів застосовуються матеріали, що мають досить високий коефіцієнт тензочутливості та малий температурний коефіцієнт опору. Найбільш уживаним матеріалом для виготовлення дротяних тензорезисторів є константанова дріт діаметром 20...30 мкм.

Конструктивно, дротяні тензорезистори є решітки, що складається з декількох петель дроту, наклеєних на тонку паперову (або іншу) підкладку (рисунок 6.5). Залежно від матеріалу підкладки, тензорезистори можуть працювати при температурах від -40 до +400°С.

Малюнок 6.5 – Тензометр

Існують конструкції тензорезисторів, що прикріплюються до поверхні деталей за допомогою цементів, здатні працювати при температурі до 800°С.

Основними характеристиками тензорезисторів є номінальний опір R, база lта коефіцієнт тензочутливості До TПромисловістю випускається широкий асортимент тензорезисторів з розміром бази від 5 до 30 мм, номінальними опорами від 50 до 2000 Ом, з коефіцієнтом тензочутливості 2±0,2.

Подальшим розвитком дротяних тензорезисторів є фольгові та плівкові тензорезистори, чутливим елементом яких є грати зі смужок фольги або найтонша металева плівка, що наносяться на підкладки на лаковій основі.

Тензорезистори виконуються на основі напівпровідникових матеріалів. Найбільш сильно тензоефект виражений у германію, кремнію та ін Основною відмінністю напівпровідникових тензорезисторів від дротяних є велика (до 50%) зміна опору при деформації завдяки великій величині коефіцієнта тензочутливості.

Індуктивні перетворювачі.

Індуктивні перетворювачі застосовуються для вимірювання переміщень, розмірів, відхилень форми та розташування поверхонь. Перетворювач складається з нерухомої котушки індуктивності з магнітопроводом і якоря, що також є частиною магнітопроводу, що переміщається щодо котушки індуктивності. Для отримання можливо більшої індуктивності магнітопровід котушки та якір виконуються з феромагнітних матеріалів. При переміщенні якоря (пов'язаного, наприклад, зі щупом вимірювального пристрою) змінюється індуктивність котушки і, отже, змінюється струм, що протікає в обмотці. На малюнку 6.6 наведено схеми індуктивних перетворювачів зі змінним повітряним зазором δ (Рисунок 6.6 а) які застосовуються для вимірювання переміщення в межах 0,01...10мм; із змінною площею повітряного зазору S 0(Рисунок 6.6 б), що застосовуються в діапазоні 5...20мм.

Рисунок 6.6 – Індуктивні перетворювачі переміщень

6.2. Операційні підсилювачі

Операційний посилювач(ОУ) - це диференціальний підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом посилення. Для підсилювача напруги передатна функція (коефіцієнт посилення) визначається виразом

Для спрощення конструкторських розрахунків передбачається, що ідеальний ОУ має такі характеристики:

1 Коефіцієнт посилення при розімкнутій петлі зворотного зв'язку дорівнює нескінченності.

2 Вхідний опір R dі нескінченності.

3 Вихідний опір R o = 0.

4 Ширина смуги пропускання дорівнює нескінченності.

5 V o=0 при V 1 = V 2(Відсутня напруга усунення нуля). Остання характеристика є дуже важливою. Так як V1-V2 = Vo/А, то якщо Voмає кінцеве значення, а коефіцієнт А нескінченно великий (типове значення 100000) матимемо

V 1 - V 2= 0 і V 1 = V 2.

Оскільки вхідний опір для диференціального сигналу – ( V 1 - V 2) також дуже велике, то можна знехтувати струмом через R d.Ці два припущення значно спрощують розробку схем на ОУ.

Правило 1. Під час роботи ОУ в лінійній області на двох його входах діють однакові напруги.

Правило 2. Вхідні струми для обох входів ОУ дорівнюють нулю.

Розглянемо базові схемні блоки ОУ. У більшості цих схем ОУ використовується у конфігурації із замкнутою петлею зворотного зв'язку.

6.2.1. Підсилювач з одиничним коефіцієнтом посилення (повторювач напруги)

Якщо в підсилювачі, що не інвертує, покласти Riрівним нескінченності, a Rfрівним нулю, ми прийдемо до схеми, зображеної на малюнок 6.7.

Рисунок 6.7 – Повторювач напруги

Згідно з правилом 1, на вході ОУ, що інвертує, теж діє вхідна напруга V i, Яке безпосередньо передається на вихід схеми. Отже, V o = V i, та вихідна напруга відстежує (повторює) вхідну напругу. Багато аналого-цифрових перетворювачів вхідний опір залежить від значення аналогічного вхідного сигналу. За допомогою повторювача напруги забезпечується сталість вхідного опору.

6.2.2. Суматори

Підсилювач, що інвертує, може підсумовувати кілька вхідних напруг. Кожен вхід суматора з'єднується з входом, що інвертує ОУ через зважуючий резистор. Інвертуючий вхід називається підсумовуючим вузлом, оскільки тут підсумовуються всі вхідні струми та струм зворотного зв'язку. Базова принципова схема підсумовувача, що підсумовує, представлена ​​на малюнку 6.8.

Як і в звичайному інвертуючому підсилювачі, напруга на вході, що інвертує, повинна дорівнювати нулю, отже, дорівнює нулю і струм, що втікає в ОУ. Таким чином,

Рисунок 6.8 – Базова принципова схема підсилювача підсумовування

Так як на вході, що інвертує, діє нульова напруга, то після відповідних підстановок, отримуємо:

Резистор R fвизначає загальне посилення схеми. Опір R 1 , R 2 ,...R nзадають значення вагових коефіцієнтів та вхідних опорів відповідних каналів.

6.2.3. Інтегратори

Інтегратор - це електронна схема, яка виробляє вихідний сигнал, пропорційний інтегралу (за часом) від вхідного сигналу.

Рисунок 6.9 – Принципова схема аналогового інтегратора

На малюнку 6.9 показано принципову схему простого аналогового інтегратора. Один висновок інтегратора приєднаний до підсумовуючого вузла, а інший – до виходу інтегратора. Отже, напруга на конденсаторі одночасно є вихідною напругою. Вихідний сигнал інтегратора не вдається описати простою залежністю алгебри, оскільки при фіксованій вхідній напругі вихідна напруга змінюється зі швидкістю, що визначається параметрами V i, Rі З. Таким чином, щоб знайти вихідну напругу, потрібно знати тривалість дії вхідного сигналу. Напруга на спочатку розрядженому конденсаторі:

де i f- через конденсатор та t i- Час інтегрування. Для позитивного V iмаємо i f = V i /R. Оскільки i f = i iто з урахуванням інверсії сигналу отримуємо:

З цього співвідношення випливає, що V oвизначається інтегралом (зі зворотним знаком) від вхідної напруги в інтервалі від 0 до t i, помноженим на масштабний коефіцієнт 1/ RС. Напруга V ic– це напруга на конденсаторі у початковий час ( t = 0).

6.2.4. Диференціатори

Диференціатор виробляє вихідний сигнал, пропорційний швидкості зміни часу вхідного сигналу. На малюнку 6.10 показано принципову схему простого диференціатора.

Рисунок 6.10 – Принципова схема диференціатора

Струм через конденсатор дорівнює:

Якщо похідна dV i /dtпозитивна, струм i iтече в такому напрямку, що формується негативна вихідна напруга V o. Таким чином,

Цей метод диференціювання сигналу здається простим, але за його практичної реалізації виникають проблеми із забезпеченням стійкості схеми на високих частотах. Не всякий ОУ придатний для використання у диференціаторі. Критерієм вибору є швидкодія ОУ: потрібно вибирати ОУ з високою максимальною швидкістю наростання вихідної напруги та високим значенням добутку коефіцієнта посилення на ширину смуги. Добре працюють у диференціаторах швидкодіючі ОУ на польових транзисторах.

6.2.5. Компаратори

Компаратор - це електронна схема, яка порівнює дві вхідні напруги та виробляє вихідний сигнал, що залежить від стану входів. Базова принципова схема компаратора показано малюнку 6.11.

Малюнок 6.11 – Принципова схема компаратора

Як бачимо, тут ОУ працює із розімкнутою петлею зворотного зв'язку. На один із його входів подається опорна напруга, на інший – невідома (порівнювана) напруга. Вихідний сигнал компаратора вказує: вище або нижче за рівень опорної напруги знаходиться рівень невідомого вхідного сигналу. У схемі малюнку 6.11 опорна напруга V rподається на вхід, що не інвертує, а на вхід, що інвертує, надходить невідомий сигнал V i.

При V i > V rна виході компаратора встановлюється напруга V 0=-V r(Негативна напруга насичення). У протилежному випадку отримуємо V 0 = +V r. Можна змінити місцями входи – це призведе до інверсії вихідного сигналу.

6.3. Комутація вимірювальних сигналів

В інформаційно-вимірювальній техніці при реалізації аналогових вимірювальних перетворень часто доводиться здійснювати електричні з'єднання між двома і точками вимірювальної схеми з метою викликати необхідний перехідний процес, розсіяти запасну реактивним елементом енергію (наприклад, розрядити конденсатор), підключити джерело живлення вимірювального ланцюга, включити комірку пам'яті, взяти вибірку безперервного процесу під час дискретизації тощо. Крім того, багато вимірювальних засобів здійснюють вимірювальні перетворення послідовно над великим числом електричних величин, розподілених у просторі. Для реалізації сказаного використовуються вимірювальні комутатори та вимірювальні ключі.

Вимірювальним комутаторомназивається пристрій, який перетворює просторово рознесені аналогові сигнали сигнали, розділені в часі, і навпаки.

Вимірювальні комутатори аналогових сигналів характеризуються такими параметрами:

- динамічним діапазоном комутованих величин; похибкою коефіцієнта передачі;

Швидкодія (частотою перемикання або часом, необхідним для виконання однієї комутаційної операції); числом комутованих сигналів;

Граничним числом перемикань (для комутаторів із контактними вимірювальними ключами) .

Залежно від типу вимірювальних ключів, що використовуються в комутаторі, різняться контактніі безконтактнікомутатори. Вимірювальний ключ є двополюсником з явно вираженою нелінійністю вольт-амперної характеристики. Перехід ключа з одного стану (закритого) в інший (відкритий) виконується за допомогою елемента, що управляє.

6.4. Аналого-цифрове перетворення

Аналого-цифрове перетворення становить невід'ємну частину вимірювальної процедури. У приладах, що показують, ця операція відповідає зчитуванню числового результату експериментатором. У цифрових та процесорних вимірювальних засобах аналого-цифрове перетворення виконується автоматично, а результат або надходить безпосередньо на індикацію, або вводиться в процесор для виконання наступних вимірювальних перетворень у числовій формі.

Методи аналого-цифрового перетворення у вимірах розроблені глибоко та ґрунтовно та зводяться до подання миттєвих значень вхідного впливу у фіксовані моменти часу відповідною кодовою комбінацією (числом). Фізичну основу аналого-цифрового перетворення становить стробування та порівняння з фіксованими опорними рівнями. Найбільшого поширення набули АЦП порозрядного кодування, послідовного рахунку, стежить урівноваження та інших. До питань методології аналого-цифрового перетворення, які пов'язані з тенденціями розвитку АЦП та цифрових вимірів на найближчі роки відносяться, зокрема:

Усунення неоднозначності зчитування в найбільш швидкодіючих АЦП зіставлення, що набувають все більшого поширення з розвитком інтегральної технології;

Досягнення стійкості до збоїв та покращення метрологічних характеристик АЦП на основі надлишкової системи числення Фібоначчі;

Застосування аналого-цифрового перетворення методу статистичних випробувань.

6.4.1 Цифрові, аналогові та аналого-цифрові перетворювачі

Цифроаналогові (ЦАП) та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) є невід'ємною частиною автоматичних систем контролю керування та регулювання. Крім того, оскільки переважна більшість вимірюваних фізичних величин є аналоговими, а їхня обробка індикація та реєстрація, як правило, здійснюються цифровими методами, ЦАП та АЦП знайшли широке застосування в автоматичних засобах вимірювань. Так, ЦАП та АЦП входять до складу цифрових вимірювальних приладів (вольтметрів, осцилографів, аналізаторів спектру, кореляторів тощо), програмованих джерел живлення, дисплеїв на електроннопроменеві трубки, графопобудівників, радіолокаційних систем установок для контролю елементів та мікросхем, є важливими компонентами різних перетворювачів та генераторів, пристроїв введення-виведення інформації ЕОМ. Широкі перспективи застосування ЦАП та АЦП відкриваються у телеметрії та телебаченні. Серійний випуск малогабаритних та відносно дешевих ЦАП та АЦП дасть можливість ще ширшого використання методів дискретно безперервного перетворення в науці та техніці.

Існує трирізновиди конструктивно-технологічного виконання ЦАП та АЦП: модульне, гібриднеі інтегральне.

При цьому частка виробництва інтегральних схем (ПС) ЦАП та АЦП у загальному обсязі їх випуску безперервно зростає, чому значною мірою сприяє широке поширення мікропроцесорів та методів цифрової обробки даних.

ЦАП– пристрій, який створює на виході аналоговий сигнал (напруга чи струм), пропорційний вхідному цифровому сигналу. При цьому значення вихідного сигналу залежить від значення опорної напруги U on, Що визначає повну шкалу вихідного сигналу Якщо в якості опорної напруги використовувати будь-який аналоговий сигнал, вихідний сигнал ЦАП буде пропорційний добутку вхідних цифрового та аналогового сигналів. В АЦП цифровий код на виході визначається ставленням вхідного аналогового сигналу, що перетворюється, до опорного сигналу, що відповідає повній шкалі. Це співвідношення виконується і в тому випадку, якщо опорний сигнал змінюється за законом. АЦП можна як вимірювач відносин чи дільник напруг із цифровим виходом.

6.4.2. Принципи дії, основні елементи та структурні схеми АЦП

В даний час розроблено велику кількість типів АЦП, що задовольняє різноманітні вимоги. В одних випадках переважною вимогою є висока точність, в інших – швидкість перетворення.

За принципом дії всі типи АЦП можна розділити на дві групи:

ü АЦП з порівнянням вхідного перетворюваного сигналу з дискретними рівнями напруги;

ü АЦП інтегруючого типу.

В АЦП з порівнянням вхідного перетворюваного сигналу з дискретними рівнями напруги використовується процес перетворення, сутність якого полягає у формуванні напруги з рівнями, еквівалентними відповідним цифровим кодам, і порівняння цих рівнів напруги з вхідною напругою з метою визначення цифрового еквівалента вхідного сигналу. У цьому рівні напруги можуть формуватися одночасно, послідовно чи комбінованим способом.

АЦП послідовного рахунку зі ступінчастою пилкоподібною напругою є одним із найпростіших перетворювачів (рисунок 6.12).

Малюнок 6.12 – Структурна схема АЦП послідовного рахунку

СС – схема порівняння; Сч - лічильник імпульсів; РП - регістр пам'яті; ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач.

За сигналом "Пуск" лічильник встановлюється в нульовий стан, після чого в міру надходження на його вхід тактових імпульсів із частотою f Tлінійно-ступінчасто зростає вихідна напруга ЦАП. При досягненні напругою Uвих значення Uвх схема порівняння припиняє підрахунок імпульсів у лічильнику Згод, а код із виходів останнього заноситься в регістр пам'яті. Розрядність і роздільна здатність таких АЦП визначається розрядністю і роздільною здатністю використовуваного в його складі ЦАП. Час перетворення залежить від рівня вхідної напруги, що перетворюється. Для вхідної напруги, що відповідає значенню повної шкали, Згод має бути заповнений і при цьому він повинен сформувати на вході ЦАП код повної шкали. Це вимагає для 11-розрядного ЦАП часу перетворення (2 n-1) разів більше періоду тактових імпульсів. Для швидкого аналого-цифрового перетворення використання таких АЦП недоцільно.

У слідчому АЦП (рисунок 6.13) підсумовуючий Згод замінено на реверсивний лічильник РСгод, щоб відстежувати змінну вхідну напругу. Вихідний сигнал КН визначає напрямок рахунку залежно від того, що перевищує чи ні вхідна напруга АЦП вихідна напруга ЦАП.

Малюнок 6.13 – Структурна схема АЦП типу, що слідкує

Перед початком вимірювань РСгод встановлюється у стан, що відповідає середині шкали (01...1). Перший цикл перетворення АЦП, що слідкує, аналогічний циклу перетворення в АЦП послідовного рахунку. Надалі цикли перетворення істотно скорочуються, оскільки даний АЦП встигає відстежити малі відхилення вхідного сигналу за кілька тактових періодів, збільшуючи чи зменшуючи кількість імпульсів, записане в РСгод, залежно від знака неузгодженості поточного значення напруги, що перетворюється Uвх та вихідної напруги ЦАП.

АЦП послідовного наближення (порозрядного врівноваження) знайшли найбільш широке поширення в силу досить простої їх реалізації при одночасному забезпеченні високої роздільної здатності, точності та швидкодії, мають дещо меншу швидкодію, але істотно більшу роздільну здатність у порівнянні з АЦП, що реалізують метод паралельного перетворення1 (рисунок 6). ).

Для підвищення швидкодії керуючого пристрою використовується розподільник імпульсів РІ і регістр послідовного наближення. Порівняння вхідної напруги з опорним (напругою зворотного зв'язку ЦАП) ведеться, починаючи з величини, що відповідає старшому розряду двійкового коду, що формується.

При пуску АЦП за допомогою РІ встановлюється вихідний стан РПП: 1000...0. При цьому на виході ЦАП формується напруга, що відповідає половині діапазону перетворення, що забезпечується включенням старшого розряду.

Малюнок 6.14 – Структурна схема АЦП порозрядного врівноважування

СС – схема порівняння: Т – тригер, РПП – регістр послідовного наближення; РІ – розподільник імпульсів.

Якщо вхідний сигнал менше, ніж сигнал від ЦАП, у наступному такті за допомогою РПП на цифрових входах ЦАП формується код 0100...0, що відповідає включенню 2-го старшинства розряду. В результаті вихідний сигнал ЦАП зменшується вдвічі.

Якщо вхідний сигнал перевищує сигнал від ЦАП, черговий такт забезпечує формування коду 0110...0 на цифрових входах ЦАП і включення додаткового 3-го розряду. При цьому вихідна напруга ЦАП, що зросла у півтора рази, знову порівнюється з вхідною напругою тощо. Описана процедура повторюється nраз (де n- Число розрядів АЦП).

В результаті на виході ЦАП сформується напруга, що відрізняється від вхідного не більше ніж на одиницю молодшого розряду ЦАП. Результат перетворення знімається із виходу РПП.

Перевагою даної схеми є можливість побудови багаторозрядних (до 12 розрядів і вище) перетворювачів порівняно високої швидкодії (з часом перетворення порядку кілька сотень наносекунд).

В АЦП безпосереднього зчитування (паралельного типу) (рисунку 6.15) вхідний сигнал одночасно прикладається до входів всіх КН, число тяких визначається розрядністю АЦП і так само m = 2n-1, де n-Кількість розрядів АЦП. У кожному КН сигнал порівнюється з опорною напругою, що відповідає вазі певного розряду і знімається з вузлів резисторного дільника, що живиться від ІОН.

Вихідні сигнали КН обробляються логічним дешифратором, що виробляє паралельний код, що є цифровим еквівалентом вхідної напруги. Подібні АЦП мають найвищу швидкодію. Недоліком таких АЦП є те, що зі зростанням розрядності кількість необхідних елементів практично подвоюється, що ускладнює побудову багаторозрядних АЦП подібного типу. Точність перетворення обмежується точністю та стабільністю КН та резисторного дільника. Щоб збільшити розрядність при високій швидкодії реалізують двокаскадні АЦП, при цьому з виходів другого ступеня Дш знімаються молодші розряди вихідного коду, а з виходів Дш першого ступеня - старші розряди.

Малюнок 6.15 – Структурна схема паралельного АЦП

АЦП з модуляцією тривалості імпульсу(однотактний інтегруючий)

АЦП характеризується тим, що рівень вхідного аналогового сигналу Uвх перетворюється на імпульс, тривалість якого tімп є функцією значення вхідного сигналу і перетворюється на цифрову форму за допомогою підрахунку числа періодів опорної частоти, які укладаються між початком та кінцем імпульсу. Вихідна напруга інтегратора під дією підключеного до його входу U onзмінюється від нульового рівня зі швидкістю:

У момент, коли вихідна напруга інтегратора стає рівним вхідному Uвх, КН спрацьовує, у результаті закінчується формування тривалості імпульсу, протягом якого у лічильниках АЦП відбувається підрахунок числа періодів опорної частоти.

Тривалість імпульсу визначається часом, за який напруга Uвх змінюється від нульового рівня до Uвх:

Достоїнство даного перетворювача полягає в його простоті, а недоліки – щодо низької швидкодії і низької точності.

Малюнок 6.15 – Структурна схема однотактного інтегруючого АЦП

Питання контролю засвоєння знань:

1 Які фізичні принципи використовують у первинних перетворювачах?

2 Як класифікують ІП за видом вимірюваної величини?

3 Основні критерії узгодження первинних перетворювачів з об'єктом виміру.

4 Структура ІП, принципи дії, функція перетворення та особливості застосування.

5 Поясніть базові схемні блоки на операційних підсилювачах (підсилювачі, що інвертують і не інвертують, повторювачі напруги і т.д.).

6 Якими є метрологічні характеристики аналогових обчислювачів (суматорів, інтеграторів, диференціаторів)?

7 Вимірювальні комутатори, їх характеристики, еквівалентні схеми, позначення на важливих схемах.

8 Реалізація аналого-цифрового перетворення на АЦП послідовного рахунку.

9 Принципи дії. Основні елементи, структурні схеми та характеристики АЦП та ЦАП.