Электростатические преобразователи. Затверджено на засіданні навчально-методичної комісії кафедри КСАУЕП

ЧастинаII

 

Затверджено на засіданні навчально-методичної комісії кафедри КСАУЕП

 

Протокол №

«» 2008р.

 

 

Кривий Ріг

 

1. Платина-Платинородий (ПП), 90% Pt+10% Rh – Pt, E_t=0,64 мВ/^оС, t_max=1700 ^oC.

2. Хромель-Алюмель (ХА), 89% Ni

 

3. Хромель-Копель(ХК)

 

4. Железо-Копель(ЖК)

 

5. Медь-константан

При использовании термоэлектрических преобразователей на низких температурах используются специальные термопары: серебро-золото (до 800 ^оК), сплавы Кондо (твердые растворы редкоземельных металлов в обычных металлах) (до 20 ^оК), медь-константан(2 – 273 ^оК). На очень высоких температурах (до 2200 – 2500 ^оК) используются специальные термопары иридий-рений, вольфрам-рений.

 

Литература.

 

1. Попов В.С. Электрические измерения. – М.: Энергия, 1974 год.

 

2. Электрические измерения. Под ред. А.Фремке и Е.М.Душина. – Л.: Энергия, 1980 год.

 

3. Электрические измерения. Под ред. Е.Г.Шрамкова. – М.: Высшая школа, 1972 год.

 

4. Основы электроизмерительной техники. Под ред. М.И.Левина.: - М.: Энергия, 1972 год.

 

5. Электрические измерения. Под ред. В.Н.Малиновского. – М.: Энергоиздат, 1982 год.

 

Содержание (часть 2)

8. Аналоговые электронные измерительные приборы……………………. 4

8.1. Электронные вольтметры……………………………………………….. 4

8.1.1. Усилители напряжения………………………………………………… 4

8.1.2. Преобразователи амплитудного значения……………………………. 8

8.1.3. Преобразователи средневыпрямленного значения……………………9

8.1.4. Преобразователи действующего значения………………………… 10

8.1.5. Вольтметры постоянного напряжения………………………… ….. 11

8.1.6. Вольтметры переменного напряжения…………………………..... 11

8.2. Электронные омметры………………………………………………… 13

8.3. Электронно-лучевые осциллографы………………………………… 14

8.4. Измерительные генераторы………………………………………….. 17

 

9.Цифровые электронные измерительные приборы…………………….. 18

9.1. Аналого-цифровые преобразователи………………………………… 20

9.2. Цифровые вольтметры………………………………………………… 21

9.3. Цифровые мосты………………………………………………………. 24

9.4. Измерители частоты и интервалов времени…………………………. 25

9.5. Измерение угловых и линейных перемещений………………………. 26

9.6. Системы счисления, коды……………………………………………… 29

 

10. Измерение электрических величин……………………………………. 31

10.1. Измерение токов и напряжений………………………………… 31 10.1.1. Измерение постоянных токов и напряжений…………………….. 31

10.1.2. Измерение переменных токов и напряжений …………………… 34

10.1.3. Измерение токов и напряжений в трехфазных цепях…………….. 35

10.2. Измерение сопротивлений………………………………………….. 36

10.3. Измерение емкостей и индуктивностей……………………………. 40

10.4. Измерение мощности………………………………………………… 41

10.4.1. Измерение мощности в цепях постоянного тока………………… 41

10.4.2. Измерение активной мощности в однофазных цепях переменного тока…42

10.4.3. Измерение реактивной мощности в однофазных цепях переменного тока...43

10.4.4. Измерение активной мощности в трехфазных цепях переменного тока…44

10.4.5. Измерение реактивной мощности в трехфазных цепях переменного тока..46

10.5. Измерение энергии…………………………………………………….. 48

10.5.1. Одноэлементный индукционный счетчик………………………….. 49

10.5.2. Многоэлементные индукционные счетчики……………………….. 51

10.6. Измерение фазового сдвига……………………………………………. 52

10.7. Измерение частоты…………………………………………………….. 55

10.8. Измерение магнитных величин……………………………………….. 57

 

11.Электрическое измерение неэлектрических величин…………………. 61

11.1. Классификация измерительных преобразователей…………………. 61

11.2. Резистивные преобразователи………………………………………… 63

11.3. Электромагнитные преобразователи…………………………………. 64

11.4. Электростатические преобразователи……………………………….. 66

11.5. Тепловые преобразователи…………………………………………… 66

 

Литература………………………………………………………….. 70

 

Номинальные значения сопротивлений при 0 ^оС терморезисторов стандартизированы в пределах от 1 до 500 Ом. Инерционность терморезисторов составляет oт нескольких секунд до нескольких минут.

Терморезистор совместно с измерительным устройством, обычно мостовой схемой, представляет собой термометр сопротивления. Простейшая двухпроводная мостовая схема для измерения температуры с помощью терморезистора показана на рис.11.7. В этой схеме существует погрешность, обусловленная изменением сопротивления подводящих проводов при колебаниях температуры окружающей среды.

Для уменьшения этой погрешности применяется трехпроводная линия – рис.11.8. В этой схеме два соединительных провода включены в соседние плечи моста, а третий – в диагональ питания. При равновесии моста и при выполнении условий R₁=R₃, R_n1=R_n2 погрешность от подводящих проводов отсутствует.

 

R_Л1 R₁

R_Л2 mV

 

R_t R₂ R₃

 

 

Un

 

Рис.11.7. Схема включения терморезистора в двухпроводную

мостовую измерительную цепь.

 

R_Л1 R₁

R_Л2 mV

R_Л3

Rt R₂ R₃

 

 

Un

 

Рис.11.8. Схема включения терморезистора в трехпроводную

мостовую измерительную цепь.

 

2 3

 

 

Рис. 11.10. Термопара: 1 – горячий (рабочий) конец; 2,3 – холод-

ные (свободные) концы.

 

Существуют и другие измерительные схемы термометров сопротивления. Широко применяются автоматические регистрирующие мосты.

В качестве генераторных тепловых преобразователей

Частотные возможности усилителей характеризуются полосой пропускания, ограниченной нижней f_н и верхней f_в граничными частотами, при которых уменьшение коэффициента усиления по сравнению с номинальным значением не превышает заданного значения ΔК, например, ΔК/К_н=5%. Завал амплитудно-частотной характеристики на нижних (для усилителей переменного напряжения) и верхних частотах определяется схемой усилителя и свойствами используемых активных элементов – ламп или транзисторов.

 

Второй важной характеристикой усилителя является амплитуднаяхарактеристика, показывающая связь между входным и выходным напряжением. При достаточно больших входных сигналах амплитудная характеристика реальных усилителей может отличаться от линейной – рис. 8.2.

U_вых, В

 

 

0 U_вх, В

Рис. 8.2. Амплитудная характеристика усилителя.

 

Все усилители постоянного и переменного напряжения характеризуются определённым уровнем собственных шумов. Шумомусилителя называется быстрое произвольное изменение выходного сигнала, вызванное внутренними причинами - рис.8.3.

U_вых

 

 

 

0 t

Рис. 8.3. Шум выходного сопротивления усилителя.

 

Шум усилителя ограничивает его максимальную чувствительность. Уменьшить шум можно за счёт использования активных специальных малошумящих и пассивных элементов схемы. Как правило, амплитуда шума значительно меньше цены деления вольтметра на самой чувствительной шкале.

Для усилителей постоянного напряжения характерна нестабильность, проявляющаяся в медленном самопроизвольном изменении нулевого уровня выходного напряжения – так называемый дрейф нуля – рис. 8.4.

U_вых

 

 

0 t

Рис. 8.4. Дрейф нуля усилителя.

дифференцированию, то можно получить сигнал пропорциональный со­ответственно самому перемещению пли ускорению. Индукционный пре­образователь используется в виброметрах, акселераторах и тахометрах.

 

 

Х

 

 

Рис.11.6. Индукционный датчик перемещения.

 

Электростатические преобразователи.

 

Электростатический емкостной преобразователь представляет собой кон­денсатор, параметры которого зависят от измеряемой величины. Извест­но, что емкость плоского конденсатора определяется выражением:

S

С ═ ε₀ ε ——.

d

где ε₀ – диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S - площадь обкладок конденсатора; d - рас­стояние между обкладками, т. е. толщина слоя диэлектрика. В емкостных преобразователях меняться может один из трех параметров: ε, S, d.

Изменение толщины d используется в тех случаях, когда необходи­мо измерять малые перемещения (доли мм). Зависимость C=f(d) нелиней­на.

Изменение эффективной площади S используется при измерениях больших перемещений (сантиметры). Зависимость C=f(S) линейна.

Изменение ε используется в тех случаях, когда измеряют уровень жидкости, влажность вещества, гомогенность материалов. Зависимость C=f(e) также линейна.

В одинарных емкостных датчиках между пластинами конденсатора возникает нежелательное притяжение.

Дифференциальные емкостные преобразователи обладают более высокой чувствительностью, меньшей зависимостью от условий среды и почти не подвержены влиянию притяжения подвижной пластины (усилия направлены в разные стороны). В качестве измерительной схемы исполь­зуется мостовая схема. Для питания мостовой схемы применяют напряже­ние повышенной частоты (до 1 МГц) с тем, чтобы повысить полезную мощность S=U²ωС при тех же габаритах датчика. Достоинствами элек-тростатических емкостных датчиков являются: простота конструкции, вы-сокая чувствительность, малая инерционность. К недостаткам можно от­нести малую мощность и влияние паразитных емкостей.

В данной схеме модулятором М является прерыватель, управляемый генератором Г. Усилитель переменного напряжения усиливает сигнал определённой частоты, заданной генератором Г, амплитуда которого определяется величиной входного сигнала U_вх. Демодулятор АМ осуществляет детектирование переменного напряжения, а фильтр Ф устраняет пульсации несущей частоты. Все усиление приходится на усилитель переменного напряжения УН.

В модуляторах и демодуляторах могут быть использованы электромеханические и электронные прерыватели. Электромеханические прерыватели (вибропреобразователи) работают на частотах до 1 кГц, а электронные до 1 МГц. Дрейф нуля в усилителях типа МДМ составляет до 0,01 мкВ/час и 0,01 мкВ/⁰С. Выпускаются готовые усилители типа МДМ в виде интегральных микросхем, например К 140УД13.

В усилителях на основе магнитоэлектрических гальванометров с фото преобразователями (фотогальванометрические усилители ФГУ) луч света, отражённый от зеркал гальванометра, попадает на дифференциальный фоторезистор, засвечивается симметрично и поэтому выходное напряжение в измерительной диагонали мостовой схемы отсутствует. При повороте рамки гальванометра появляется напряжение разбаланса, являющиеся выходом всего усилителя. Дрейф нуля ФГУ не превышает 1 мкВ(суммарный).

Для того чтобы коэффициент усиления усилителей, входящий в состав вольтметра, был стабилен независимо от влияния различных факторов, используют усилители с отрицательной обратной связью. Обратной связью называется передача части выходного сигнала усилителя на его вход- рис.8.6. Если сигнал обратной связи суммируется с входным усиливаемым сигналом – то обратная связь называется положительной. В противоположном случае – отрицательной. Положительная обратная связь приводит к неустойчивости и возбуждению усилителя и специально не создается. Отрицательная обратная связь, наоборот, стабилизирует работу усилителя, уменьшая влияние всех внутренних и внешних нестабильностей, действующих в цепи, охваченной обратной связью. Коэффициент усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, вычисляется по формуле:

К

К_ос = ^__________ ,

К

где К – коэффициент усилителя без обратной связи, Β – коэффициент передачи цепи обратной связи.

 

U_вх U_вых

β

Рис. 8.6. Усилитель с обратной связью.

Тензорезисторы и пьезорезисторы (тензо - растягивать, пьезо - сжи­мать) могут быть металлические и полупроводниковые.

Металлические тензорезисторы изготавливаются проволочные и фольговые. Проволочные выполняются в виде зигзагообразно уложенной проволоки (называемой решеткой) на гибкой основе из бумаги пли пленки. В рабочем состоянии наклеиваются на деталь, деформацию которой необходимо измерить. Фольговые тензорезисторы получают травлением фольги и могут быть изготовлены любой сложной формы. Обозначение тензорезисторов: первая буква обозначения указывает на тип резистора (П - проволочный, Ф - фольговый); вторая - на материал (обычно К - константан); третья - на тип основы (Б - бумага, П - пленка).

Полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются из германия, кремния и арсенида галлия. По сравнению с проволочными они обладают более высокой чувствительностью, но обладают большим

разбросом характеристик. В качестве измерительной схемы с тензодатчиками чаще всего используется неуравновешенный мост.

В качестве примера на рис. 11.2 показана схема измерения деформации строительной балки с помощью двух тензорезисторов RT׳, RT׳׳

При этом один резистор работает на растяжение, а другой - на сжатие.

 

U

RT׳

 

 

RT׳׳ RT׳ RT׳׳

 

а) б)

 

Рис. 11.2. Измерение деформации балки тензопреобразователем:

а) – размещение датчиков; б) – измерительная схема.