Измерительные приборы Тема занятия Индуктивные преобразователи Учебные вопросы

Измерительные приборы Тема занятия: «Индуктивные преобразователи» Учебные вопросы занятия: 1. Назначение и область применения ИП. 2. Устройство и принцип работы ИП. преподаватель Нестеренко Александр Владимирович

Индуктивный преобразователь, (индуктивный датчик перемещения) преобразователь механического перемещения в изменение индуктивности.

Принцип действия Основан на изменении индуктивности обмотки электромагнитного дросселя в зависимости от перемещения одной из подвижных частей: якоря, сердечника и других. Простейшим индуктивным преобразователем является катушка с изменяющимся воздушным зазором, его работа основана на изменении магнитного сопротивления магнитопровода путём изменения длины воздушного зазора.

ØДостоинства: üпростота üнадёжность; ØНедостаток: üмалая чувствительность, üзависимость индуктивного сопротивления от частоты тока.

Дифференциальные индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для дифференциальных индуктивных датчиков необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется разделительный трансформатор 5.

Измерительные приборы Тема занятия: «Реостатные преобразователи» Учебные вопросы занятия: 1. Назначение и область применения РП. 2. Устройство и принцип работы РП. преподаватель Нестеренко Александр Владимирович

Реостатный датчик потенциометрический датчик, преобразователь измеряемых перемещений, геометрических размеров, углов поворота и т. п. в изменение электрического сопротивления реостата

Виды реостатных датчиков Øлинейные Ø функциональные Ø с поступательным перемещением движка Øвращательным перемещением движка

Устройство реостатного датчика 1. Подвижный контакт 2. Спираль возврата 3. Вал 4. Контакт реостата

Точность измерения (преобразования) физических величин реостатным датчиком зависит от однородности и диаметра провода реостата, плотности и равномерности намотки провода на каркас, отношения внутреннего сопротивления rвн РД к сопротивлению нагрузки rн и других факторов. Для достижения малой погрешности преобразования необходимо, чтобы отношение — rвн/rн было минимальным. С этой целью на выходе РД включают электронный усилитель сигналов с достаточно большим входным сопротивлением.

Реостат (от греч. rhéos — течение, поток и statós — стоящий, неподвижный) электрический аппарат (устройство) для регулирования и ограничения тока или напряжения в электрической цепи, основная часть которого — проводящий элемент (ПЭ) с переменным электрическим сопротивлением.

Виды реостатов ØПо назначению ü пусковые, ü пускорегулировочные ü нагрузочные ü возбуждения ØПо способу теплоотвода ü воздушным охлаждением ü масляным охлаждением ü водяным охлаждением

ØПо материалу изготовления üметаллические Ползунковые реостаты, у которых сопротивление изменяется перемещением контактного ползунка непосредственно по виткам проволоки из материала с высоким удельным сопротивлением (манганин, константан, нихром, фехраль, сталь), намотанной на цилиндр из электроизоляционного материала

üжидкостные Состоит из сосуда, наполненного электролитом (10— 15%-ный раствор Na 2 CO 3 или K 2 CO 3 в воде), с опущенными в него электродами. Регулирование осуществляется изменением расстояния между электродами или глубины их погружения в жидкость. üугольные Выполнен в виде столбиков, набранных из тонких угольных шайб. Его сопротивление регулируется изменением давления, приложенного к столбикам

Измерительные приборы Тема занятия: «Термоэлектрический измерительные преобразователи» (измерительные механизмы) Вопросы занятия: 1. Назначение и классификация термоэлектрических измерительных преобразователей. 2. Основы построения и принцип работы термоэлектрических измерительных преобразователей (ТИП). 3. Достоинства и недостатки ТИП.

Термоэлектрический прибор (преобразователь) измерительный, прибор для измерения силы переменного тока, реже электрического напряжения или мощности. Представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерителя с одним или несколькими термопреобразователями.

Термопреобразователь состоит из: Øтермопары (или нескольких термопар) Ø нагревателя (по которому протекает измеряемый ток) Под действием тепла, выделяемого нагревателем, между свободными концами термопары возникает термоэдс, измеряемая магнитоэлектрическим измерителем. Для расширения пределов измерения термопреобразоватслей (по току от 1 А и выше) используют высокочастотные измерительные трансформаторы тока.

Схемы термоэлектрических приборов для измерения тока а -контактная, с одной термопарой; б, в -бесконтактные, с одной и с несколькими включенными последовательно термопарами; г -с включением через высокочастотный трансформатор тока ТТ; Ix — измеряемый ток; rн — нагреватель; rt — термопара; ИМ — магнитоэлектрический измеритель.

Термоэлектрический прибор обеспечивают сравнительно большую точность измерений в широком диапазоне частот и независимость показаний от формы кривой тока, протекающего через нагреватель.

Недостатки: Øзависимость показаний от температуры окружающей среды, Ø значительное собственное потребление мощности Øнедопустимость больших перегрузок (не более чем в 1, 5 раза).

Применение Øдля измерения действующего значения силы переменного тока (от единиц мк. А до нескольких десятков А) в диапазоне частот от нескольких десятков Гц до нескольких сотен МГц с погрешностью 1— 5%.

Термопара датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Действие термопары основано термоэлектрических явлениях

Термоэлектрические явления совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Термоэлектрическими явлениями являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает эдс (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах

Принцип действия термопары Если контакты (обычно спаи металлов) проводящих элементов, образующих термопару (их часто называют термоэлектродами), находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает эдс (термоэдс), величина которой однозначно определяется температурой «горячего» и «холодного» контактов и природой материалов, примененных в качестве термоэлектродов.

Схемы включения термопары в измерительную цепь: а — измерительный прибор 1 подключен соединительными проводами 2 к концам термоэлектродов 3 и 4; б — в разрыв термоэлектрода 4; T 1, Т 2 — температура «горячего» и «холодного» контактов (спаев) термопары.

Диапазонах температур использования термопары Ø золото (легированное железом) (2 -й термоэлектрод — медь или хромель) диапазон 4— 270 К Øмедь — константан 70— 800 К Øхромель — копель 220— 900 К Øхромель — алюмель 220— 1400 К Ø платинородий — платина 250— 1900 К Øвольфрам — рений 300— 2800 К

ЭДС термопар из металлических проводников обычно лежит в пределах 5— 60 мв. Точность определения температуры составляет, как правило, несколько К (у некоторых термопар достигает ~0, 01 К) ЭДС термопар из полупроводников может быть на порядок выше, но такие термопары отличаются существенной нестабильностью

Виды термопар Øпогруженные и поверхностные Ø с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой оболочкой (герметичной или негерметичной) Øбез оболочки Ø обыкновенные Ø вибротряскоустойчивые и ударопрочные Øстационарные Ø переносные

Измерительные приборы Тема занятия: «Пьезоэлектрические преобразователи» Учебные вопросы занятия: 1. Назначение и область применения Пэ. П. 2. Устройство и принцип работы Пэ. П. преподаватель Нестеренко Александр Владимирович

Пьезоэлектрические преобразователи это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или плёнках и преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот. Пьезоэлектрические датчики изгибающего момента

Пьезоэлектрический эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) Обратный пьезоэлектрический эффект возникновение механических деформаций под действием электрического поля

Пьезоэлектрики диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности.

Материалы для изготовления пьезоэлектриков Øкристаллический кварц Øполяризованная пьезокерамика изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков (цирконат-титаната свинца)

Классификация и применение пьезодатчиков v Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов.

v Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики.

Преобразователи параметрического типа использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты - пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.

Измерительные приборы Тема занятия: «Индукционные датчики» Учебные вопросы занятия: 1. Назначение и область применения ИД. 2. Устройство и принцип работы ИД. преподаватель Нестеренко Александр Владимирович

Датчики магнитного поля обеспечивают на выходе электрическое напряжение (разность потенциалов), пропорциональное величине магнитной индукции. Индукционный датчик состоит из катушки индуктивности и предназначен для измерения переменного магнитного поля. Напряжение, индуцируемое на катушке, помещенной в переменное магнитное поле, пропорционально величине измеряемой магнитной индукции.

Эффект Холла Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота. Если через полупроводник в одном направлении пропускать постоянный ток I плотностью j, а в другом направлении воздействовать магнитным полем B, то в третьем направлении можно измерить напряжение V, меняющееся пропорционально силе магнитного поля: V = R · B · b · j где R – постоянная Холла, b – расстояние между гранями, на которых возникает измеряемое напряжение.

V = R · B · b · j

Датчик Холла элемент автоматики, радиоэлектроники и измерительной техники, используемый в качестве измерительного преобразователя, действие которого основано на эффекте Холла. Представляет собой топкую прямоугольную пластину (площадью несколько мм 2) или плёнку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, In. Sb, In. As), имеет 4 электрода для подвода тока и съёма эдс Холла. Для получения наибольшего эффекта толщина пластины (плёнки) делается возможно меньшей. Х. э. д. применяют для бесконтактного измерения магнитных полей (от 10 -6 до 105 э).

Применение датчиков Холла Ø Линейные датчики Холла: ü датчики тока; ü приводы переменной частоты вращения; ü схемы управления и защиты электродвигателей; ü датчики положения; ü бесколлекторные двигатели постоянного тока; ü бесконтактные потенциометры; ü датчики угла поворота; ü детекторы ферромагнитных тел; ü датчики вибрации; ü тахометры.

Ø Логические датчики Холла: ü датчики частоты вращения; ü устройства синхронизации; ü датчики систем зажигания автомобилей; ü датчики положения (обнаруживают перемещение менее 0, 5 мм); ü счётчики импульсов (принтеры, электроприводы); ü датчики положения клапанов; ü блокировка дверей; ü бесколлекторные двигатели постоянного тока; ü измерители расхода; ü бесконтактные реле; ü детекторы приближения; ü считыватели магнитных карточек или ключей; ü датчики бумаги (в принтерах).

Работа индукционного датчика (датчика Холла)

Основные характеристики датчиков Холла ØЛинейные датчики. üПолная шкала выхода соответствует диапазону выходных напряжений, в котором нелинейность не выходит из заданных пределов. Определяется как часть напряжения питания. üДиапазон измеряемой индукции, устанавливаемый изготовителем в гауссах или миллитеслах. üЧувствительность, определяемая как крутизна характеристики преобразования в м. В/Гс или м. В/м. Тл.

ü Погрешность линейности характеристики преобразования – отклонение статической характеристики преобразования датчика от идеальной прямой линии в заданном диапазоне давлений. Один из способов определения погрешности линейности состоит в использовании метода наименьших квадратов, который математически обеспечивает получение прямой линии наилучшего приближения к точкам данных. Указывается в процентах от полной шкалы. ü Напряжение нуля магнитного поля – значение выходного напряжения, соответствующее отсутствию магнитного поля. ü Температурный дрейф нуля – изменение напряжения нуля, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения нуля, соответствующего 25°С.

üТемпературный дрейф чувствительности – изменение чувствительности, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения полной шкалы, соответствующего 25°С. üВремя отклика, определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% установившегося значения его приращения при скачкообразном изменении магнитного поля. üПолоса пропускания f. S определяется по уровню снижения чувствительности на 3 д. Б в режиме малого сигнала.

ØЛогические датчики üИндукция включения – значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от низкого к высокому уровню. üИндукция выключения – значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от высокого к низкому уровню. üГистерезис – разность между индукциями включения и выключения.

üВремя переключения – определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% его установившегося значения при скачкообразном изменении индукции. Сертифицируется отдельно для нарастания и спада магнитного поля. Для двухвыводных датчиков сертифицируется ток потребления при низкой индукции (Н) и при высокой (В).