Преобразователи неэлектрических величин в электрические

Федеральное агентство  по образованию

Федеральное государственное  образовательное учреждение

Среднего профессионального  образования

Тульский государственный  технический колледж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Электрорадиоизмерения»

 

 

«Преобразователи неэлектрических величин в электрические»

выполнил:

студент группы 3-090108   Кондрашов Е.Б.

 

 

проверил:                                                                                                                 Прокудин С.Б.

 

 

 

 

 

 

Тула 2009

 

Оглавление

 

 

1. Основные понятия. Классификация преобразователей неэлектрических величин……………………………………...…………………………………...3
1. Резистивные преобразователи…………………………….……...………...5
2. Индуктивные и индукционные преобразователи……………………….8
3. Емкостные преобразователи………………………………...………..……13
4. Терморезисторы……………………………………………...……….....…15
5. Термометры электрического сопротивления ……………….……….….19
6. Термоэлектрические преобразователи ……………...………………...…22
7. Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………..25

Литература……………………………………………………...………….……29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

 

 

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерение неэлектрических  величин сводится к тому, что они преобразуются в зависимую от них величину, при измерении которой определяется и неэлектрическая величина.

Электрические приборы для измерения неэлектрических  величин состоят из трех узлов: преобразователя (датчика), измерительного устройства и указателя.

Преобразователь (датчик) устройство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для ее передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения.

Основной  характеристикой преобразователя a=f(x) называется функциональная зависимость выходной величины, выведенная аналитическим или графическим путем.

Чувствительность - S=Aα/Ax есть отношение приращения показания Аα указателя к приращению Аx измеряемой величины x.

Под порогом чувствительности понимается минимальное измерение значения входной величины, которое может быть зарегистрировано преобразователем.

Предел  преобразования - это максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без его повреждения.

Погрешностью  преобразователя называется отклонение его реальной характеристики от номинальной, полученной при первоначальной градуировке.

В зависимости  от того явления, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую, преобразователи делятся на три группы:

электромеханические (контактные, реостатные, тензометрические, электростатические, электромагнитные);

тепловые  и электрохимические (термоэлектрические, термосопротивления, электрохимические);

электронные и ионизационные (электронные, ионные, ионизационные).

По виду получаемой на выходе преобразователя выходной величины все типы преобразователей можно разделить на две группы: параметрические и генераторные.

Если входная  неэлектрическая величина преобразуется в один из параметров электрической цепи (R - сопротивление, L - индуктивность, М - взаимная индуктивность, С - емкость), для измерения которой

необходимо применение источника питания, то преобразователь называется параметрическим, если неэлектрическая величина преобразуется в элктродвижущую силу (ЭДС), то преобразователь называется генераторным.

К параметрическим измерительным преобразователям относятся: резистивные, индуктивные и взаимоиндуктивные, магнитоупругие, емкостные, электролитические, фотоэлектрические преобразователи и терморезисторы.

К генераторным измерительным преобразователям можно отнести: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических преобразователей.

К преобразователям как основным элементам приборов для измерения неэлектрических величин предъявляется ряд специфических требований: постоянство во времени функции преобразования (обычно линейной); высокая чувствительность; малая погрешность; высокие динамические свойства (возможность измерения переходных процессов).

Измерительные устройства служат для преобразования полученного на выходе преобразователя электрического параметра в удобную для измерения электрическую величину. Они выполняются в виде отдельного самостоятельного конструктивного узла и содержат измерительные цепи, усилители, источники питания, стабилизаторы и другие элементы.

Указатель исполняет роль регистрирующего прибора, проградуированного в единицах измерения неэлектрической величины. В качестве указателя используются различные электрические приборы, измеряющие тот или иной электрический параметр, связанный с измеряемой неэлектрической величиной.

По способу  снятия отсчета указатели делятся  на:

визуальные, в качестве которых используются магнитно-электрические механизмы, электроннолучевые трубки, автоматические показывающие мосты и потенциометры, а также цифровые приборы;

регистраторы, назначение которых состоит в записи измеряемой величины в том или другом виде (самопишущие приборы, светолучевые осциллографы и тому подобное).

Основные  требования к указателям такие же, как и к приборам для измерения электрических величин.

 

 

 

 

 

2.1. Реостатные преобразователи

Реостатный преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины X, создавая зависимость:

R=f(x),

где R — сопротивление преобразователя.

На рис. 1 представлено устройство реостатного преобразователя, выполненного в виде изогнутой пластины 1 из изоляционного материала (текстолит, пластмасса, алюминий, покрытый лаком), на которую намотана проволока с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления, изготовленная из манганина, платиноиридиевых сплавов. Для более плавного изменения сопротивления и уменьшения

момента трения щетки  о контактную поверхность число  витков обмотки должно быть возможно большим. Контактная щетка 2, выполняемая из платиноиридиевого сплава или серебра, перемещается по очищенной от изоляции обмотке посредством поводка 5, укрепленного на оси 4, связанной с объектом измерения. Напряжение со щетки снимается через токоподвод к щетке (спиральную пружину) 3.

Для получения надежного  контакта щетки с проволокой необходимо обеспечить контактное усилие порядка 5... 10 г. В настоящее время имеются  преобразователи с контактным усилием  от 0,5 до 2,0 г.

Реостатные преобразователи  применяются в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, а также для измерения ряда других величин, которые могут быть механически преобразованы в линейные или угловые перемещения.       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Устройство реостатного преобразователя:

1 — изогнутая пластина из изоляционного материала; 2 — контактная щетка; 3 — токоподвод к щетке; 4 — ось; 5 -поводок

 

 

 

 

Рис. 2   Устройство реостатного преобразователя:

На корпус 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса защищается, и по металлу перемещается щетка 3. Добавочная щетка 4 скользит по токосъемному кольцу 5. Обе щетки изолированы от приводного валика 6. В качестве материала провода для реостатных преобразователей применяют манганин, константан или фехраль. В ответственных случаях используют платиноиридиевую проволоку (90% Pt + 10% Ir). Диаметр проволоки равен 0,03 мм. Это позволяет изготавливать малогабаритные высокоомные преобразователи (весом 10-12 г при размерах 1×2 см)

 

Данные  о материалах проволоки, употребляемой для намотки реостатных преобразователей

 

Название материала	Состав, %	Удельное сопротивле-ние, Ом	Температурный коэффициент сопротивления 1/Cх10-6	Максим. рабочая темпер., °С	Температур-ный  коэффициент линейного расширения 1/°Сх106
Константан Нихром Манганин     Фехраль     Никель	60 Cu; 40 Ni; 60 Ni; 15 Cr 85 Cu; 12 Ma; 2-4 Ni   80 Fe, 12-150 Cr 3-4,5 Al   99,5 Ni	0,480 1,1-1,2 0,42-2,08     1,38 1,38   0,0703-0790	5 130 29-40     при 20°C-15°C при 400°С-50°C   6,000	500 1050 300     1200 1200   –	15,2 14 23     17 17   13,1

 

Электрический бензинометр применяется для  измерения уровня горючего в баках  автомобиля, самолета и тому подобное. Устройство прибора изображено на рис. 3, а.

От поплавка 1, погруженного в бак с бензином, идут тяги и рычаги 6 и 7 к движку 2 реостатного преобразователя 3. Для того чтобы пары горючего не могли проникнуть в камеру реостатного преобразователя, рычаг, передающий перемещение поплавка к движку, проходит через гибкую металлическую гофрированную трубку (сильфон) 4; эластичный сильфон, герметизируя камеру, не препятствует качанию рычага. Преобразователь крепится к баку при помощи фланца 5. Измерительная цепь уровнемера показана на рис. 3, (б). Здесь указателем является магнитоэлектрический логометр, обе рамки которого включены последовательно.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Индуктивные и индукционные преобразователи

Индуктивный преобразователь.

 Принципиальные схемы индуктивных преобразователей показаны на рис. 6 Индуктивный преобразователь (см. рис. 6, а — схема для измерения малых перемещений) представляет собой электромагнит 1 с воздушным зазором, величина (длина) 5 которого изменяется в 
функции от измеряемой механической величины F. Особенно 
широко применяются дифференциальные преобразователи (см. 
рис. 6, б), в которых одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов, что увеличивает чувствительность и улучшает другие характеристики преобразователя. 

При изменении зазора 8 изменяется магнитное сопротивление R_M магнитопровода электромагнита, связанное с его размерами известной зависимостью:

где l_i, s_i, μ_i— длина, площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость j-го участка стальной части магнитной цепи; \х₀ — магнитная проницаемость воздуха; δ и s — длина и площадь поперечного сечения воздушного зазора.

Изменение магнитного сопротивления R_м оценивается по величине полного сопротивления Z катушки 2 (см. рис. 6, а), так как при перемещении якоря 3 изменяются как активное, так и реактивное сопротивления катушки. Первое изменяется в результате изменения потерь на гистерезис и вихревые токи, а второе — из-за изменения индуктивности катушки.

Индуктивность катушки  связана с магнитным сопротивлением R_м следующей зависимостью: L=Фω/l=Iω/R_mI*ω/I=ω²/R_m , где l_i, s_i, μ_i— длина, площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость j-го участка стальной части магнитной цепи; \х₀ — магнитная проницаемость воздуха; δ и s — длина и площадь поперечного сечения воздушного зазора.

Изменение магнитного сопротивления R_м оценивается по величине полного сопротивления Z катушки 2 (см. рис. 6, а), так как при перемещении якоря 3 изменяются как активное, так и реактивное сопротивления катушки. Первое изменяется в результате изменения потерь на гистерезис и вихревые токи, а второе — из-за изменения индуктивности катушки.

Индуктивность катушки связана с магнитным сопротивлением R_м следующей зависимостью: L=Фω/l=Iω/R_mI*ω/I=ω²/R_m , где Ф — магнитный поток; ω — число витков катушки; I— ток в катушке.

Сопротивление R_Fe, эквивалентное потерям P_Fe, можно записать следующей формулой: R_Fe=P_Fe/I²

Однако потери P_Fe в первом приближении пропорциональны квадрату потока Ф, поэтому: R_Fe=KФ²/I²=K ω²/R_m , где К — коэффициент, зависящий от конструкции преобразователя. При изменении воздушного зазора 8 меняются как активное, так и реактивное сопротивления катушки, а следовательно, и полное ее сопротивление Z.

 

 

 

 

Таким образом, в индуктивных  преобразователях имеет место 
последовательное преобразование F→∆δ→R_M→Z. 
Преобразователи описанных типов применяются при сравнительно небольших перемещениях якоря относительно сердечника. Для измерения больших перемещений якоря используются дифференциальные индуктивные преобразователи с разомкнутой магнитной цепью (см. рис. 6, в), в которых якорь 3 
перемещается внутри катушек 2, изменяя их полные сопротивления.

Приборы с индуктивными преобразователями могут быть использованы для измерения, как перемещения, так и любых механических величин, функционально связанных с перемещением якоря, например сил, давлений, крутящих моментов и т.д.

 

 

Индукционный  преобразователь.

Он представляет собой  преобразователь, в котором измеряемая неэлектрическая (механическая) величина преобразуется в индуктированную ЭДС. Согласно закону электромагнитной индукции индуктированная электродвижущая сила Е определяется скоростью изменения магнитного потока Ф, сцепленного с катушкой из w витков:                         

                                                                                          

 

Индукционные преобразователи непосредственно могут применяться только в приборах для измерения скорости линейных или угловых перемещений.

На практике индукционные преобразователи применяются в  приборах для измерения скорости вращения (в тахометрах), а также  в приборах для измерения параметров вибраций, т.е. для измерений переменных во времени линейных и угловых перемещений и ускорений (в виброметрах и акселерометрах).

Индукционные преобразователи  для тахометров представляют собой  небольшие генераторы постоянного  или переменного тока, вал которых  механически связан с валом испытуемого  двигателя. Чаще всего применяют генераторы переменного тока. Электродвижущая сила генератора Е, как известно, выражается уравнением:

 

 

 

где с - конструктивная постоянная, определяемая числом витков

и числом пар параллельных ветвей; Ф - поток возбуждения, создаваемый обычно постоянными магнитами; р - число пар полюсов; n - число оборотов в минуту (скорость вращения).

 

   Величина pn/60 = f является частотой переменной ЭДС, индуктируемой в генераторе.

Таким образом, критерием  измеряемой скорости вращения может служить либо ЭДС генератора Е, либо частота f. Принцип устройства индукционных преобразователей приборов для измерения параметров вибраций и ускорений показан на рис. 7.

На рис. 7, а представлен принцип устройства индукционных преобразователей приборов для измерения линейных вибраций. Цилиндрическая катушка 1, связанная с объектом измерения посредством вала 2 и расположенная в кольцевом зазоре магнитопровода 3, совершает линейные перемещения (колебания) в направлении, указанном стрелками. Цилиндрические постоянные магниты 4 намагничены вдоль образующей и создают в зазоре радиальное поле. При своем перемещении витки катушки под прямым углом пересекают линии магнитного поля и в них индуктируются ЭДС.

Если линейное перемещение  ∆х является некоторой функцией времени ∆х = =f(t),  то мгновенное значение ЭДС E=ωBl_a, где число витков катушки; В — индукция в зазоре; l_а - активная длина витка.

Точно так же индуктируется  ЭДС в цилиндрической катушке 1 (см. рис. 7, б), помещенной на ферромагнитный сердечник 5, когда он вместе с катушкой совершает угловые перемещения в направлении, указанном стрелкой.

 

 

Схема устройства простейшего тахометра с индукционным преобразователем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 На валу укреплен стальной зуб М. При вращении вала этот зуб проходит мимо зазора неподвижно установленной магнитной системы с постоянным магнитом, уменьшая сопротивление зазора так, как показано на кривой R_М. При этом в катушке, надетой на магнит, наводятся импульсы ЭДС, форма которых показана на кривой е. Частота импульсов, выраженная в герцах, всегда будет в точности равна скорости вращения вала, выраженной в числе оборотов в секунду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6 Принципиальные схемы индуктивных преобразователей:

а - для измерения малых перемещений; 6 — дифференциальный преобразователь; в — для измерения больших перемещений; 1 — электромагниты; 2 — катушки; 3 — якорь

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7 Принцип устройства индукционных преобразователей приборов

для измерения  параметров вибраций и ускорений:

а - Для измерения линейных вибраций; б - для измерения угловых   вибраций;

1 - цилиндрическая катушка; 2- вал, связывающий катушку с  объектом

измерения; 3 - зазор магнитопровода; 4- постоянные магниты;

5 - ферромагнитный сердечник

 

Индукционный  преобразователь для измерения  параметров вибрации применяется для измерений: амплитуды колебаний, скорости и ускорения перемещения колеблющегося тела.

Индукционный преобразователь  схематически изображен на рис. 4 и представляет собой цилиндрическую катушку 1, внутри которой на плоских пружинах подвешен постоянный магнит 3.

        Вся конструкция помещена в  корпус, жестко скрепленный с  объектом измерения. При колебании  корпус с катушкой перемещается  относительно неподвижного в  пространстве магнита, при этом витки катушки пересекают магнитные силовые линии, и в катушке наводится электродвижущая сила e_k, пропорциональная скорости колебания объекта измерения.

Приборы, с  помощью которых измеряется скорость колебаний, называются волосиметрами.

Чтобы с помощью  индукционного преобразователя  измерить амплитуду колебаний, необходимо от скорости колебаний перейти к амплитуде перемещения путем интегрирования выражения для e_k. Физическое интегрирование e_k осуществляется с помощью специальной интегрирующей электрической цепи, составленной из емкости и сопротивления (рис. 5).

Для этой схемы  уравнение мгновенных значений ЭДС  будет иметь вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Емкостные преобразователи

Емкостным преобразователем является плоский или цилиндрический конденсатор, емкость которого изменяется с изменением измеряемой неэлектрической величины.

Как известно, емкость  плоского конденсатора выражается формулой:

 

 

где ε — диэлектрическая  проницаемость; s — площадь обкладки; δ — расстояние между обкладками.

Измеряемая неэлектрическая  величина может быть функционально  связана либо с диэлектриком, либо с площадью, либо с расстоянием  между обкладками.

На рис. 8, а иллюстрируется принцип действия емкостного преобразователя прибора для измерения уровня жидкости. Он представляет собой коаксиальный конденсатор.

Для каждого значения уровня емкость преобразователя  может быть определена как емкость  двух параллельно соединенных конденсаторов. Один конденсатор образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется, а второй образован остальной частью электродов и диэлектриком Я воздухом.

Если трубка преобразователя была бы заполнена воздухом, то емкость  конденсатора можно было бы выразить с достаточной точностью следующей формулой:

 

 

 

где а — конструктивный параметр преобразователя, зависящий от поверхности внутреннего стержня, внутренней поверхности трубки и расстояния между электродами; l₀ - полная длина преобразователя (трубки); е₀ - диэлектрическая проницаемость воздуха.

 

 

 

Если часть трубки длиной l заполнена жидкостью с диэлектрической проницаемостью ε то емкость этой части преобразователя составит:

  С₁= alε                          а полная емкость преобразователя:  

С= alε+ a(l₀ - l)ε₀

 

Таким образом, С = f(l).

На рис. 8, б демонстрируется принцип использования емкостного преобразователя для измерения малых перемещений Х или других механических величин (силы, давления и др.), вызывающих перемещение подвижной обкладки 1 относительно неподвижной обкладки 2.

При использовании емкостных преобразователей необходимо обратить особое внимание на влияние паразитных емкостей, главным образом емкости соединительных проводов (линии) относительно земли. Во многих случаях паразитные емкости сравнимы с емкостью преобразователя. Поэтому вопросом экранирования соединительных проводов и правильного выбора точки заземления измерительной цепи следует уделять большое внимание.

Экранирование самого преобразователя от влияния электрических полей также весьма важно, обычно экраном служит металлический корпус преобразователя.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 Принципиальные схемы емкостных преобразователей:

а — для измерения уровня жидкости; б - для измерения малых перемещений; 1 -  подвижная обкладка конденсатора; 2 - неподвижная обкладка  конденсатора

 

 

 

 

2.4. Тензорезисторы

Тензорезисторы предназначены  для измерения деформаций и механических напряжений, обусловленных этими деформациями. Они представляют собой тонкую (диаметром 0,02...0,04 мм) зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги 1 проволоку А (рис. 9, а), изготовленную из материала высокого удельного сопротивления. Бумага с проволокой прочно приклеивается к поверхности испытуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с длинной стороной петель проволоки. Для приклейки тензорезисторов к исследуемым деталям применяют специальные клеи. Разработаны клеи для работы в нормальных условиях (БФ-2; БФ-4, ацетоноцеллулоидные), в условиях повышенных и высоких температур—до 600-700° С (Б-56, ВН-15), а также при работе во влажной среде или в воде. Тогда при деформациях детали, например при ее растяжении или сжатии, проволока будет воспринимать эти деформации, вследствие этого ее длина l и диаметр будут изменяться. Кроме того, как показывает опыт, при этом может измениться и ее удельное сопротивление. В результате произойдет изменение сопротивления R проволоки, являющееся функцией деформации детали и, следовательно, функцией механических напряжений в ней.

Относительное изменение сопротивления может быть выражено следующим образом:

 

 

 

 

где ∆l/l - относительная деформация; σ — напряжение в детали.

Опыт показывает, что  функция /(5) при небольших деформациях  является линейной:

                                              

Для изготовления тензорезисторов  целесообразнее использовать такую проволоку, которая обладала    бы возможно большей чувствительностью, т. е. возможно большим значением коэффициента К. Чаще всего для ее изготовления используется проволока из константана, для которого К = 1,9...2,1.

Так как относительные  деформации ∆l/l, например, стальных деталей в пределах упругих деформаций не превосходят 2,5 • 10^-3, то ∆R/R = К∆l/l не превосходят 5 • 10^-3, т.е. 0,5 %. При столь малых рабочих изменениях сопротивления преобразователя весьма важно, чтобы изменение его сопротивления из-за возможных колебаний температуры испытуемой детали, к которой он приклеен, не вызывало изменения показаний прибора. Поэтому проволока должна обладать возможно меньшим температурным коэффициентом сопротивления. Константановая проволока имеет достаточно малый температурный коэффициент сопротивления от 0,02 до 0,05 % на 10 °С. Однако при изменении температуры, например на 20 °С, относительное изменение сопротивления такой проволоки может достигать 0,1 %, что соизмеримо с рабочим изменением сопротивления, обусловленным измеряемой деформацией.

С точки зрения малого температурного коэффициента лучше всего использовать манганин, однако относительная чувствительность коэффициента манганиновой проволоки в три-четыре раза меньше, чем чувствительность проволоки, изготовленной из константана.

При использовании тензорезистора необходимо принимать меры для компенсации температурной погрешности.

Длина петли преобразователя l называется базой преобразователя. Размеры тензорезисторов колеблются от 2,5 до 150 мм по длине и от 3 до 60 мм по ширине. Сопротивление преобразователя чаще всего составляет 100...200 Ом. К концам проволоки, уложенной зигзагообразно на бумагу, привариваются или припаиваются выводы 3 (см. рис. 9, а). Увеличение числа витков тензометра будет повышать его чувствительность.

В настоящее время  тензорезисторы также изготовляются из тонкой фольги. Для этого на ленте из фольги путем травления выбирается часть металла таким образом, что оставшаяся часть материала образует форму тензорезистора.

Проволочные преобразователи  применяются непосредственно для  измерения деформаций. Однако они также используются и для измерения других механических величин, которые могут быть преобразованы в деформацию вспомогательной детали (называемой обычно упругим элементом), воспринимающей измеряемую механическую величину. Например, балку с наклеенными тензорезисторами R₁ и R₂ (рис. 9, б) можно использовать для измерения силы F или перемещений, если объект измерения при своем перемещении будет воздействовать на свободный конец балки, т.е. вызывать ее прогиб. Тогда деформация балки будет функционально связана с измеряемой величиной.