1-14 вопрос. Измерительные преобразователи. Классификация измерительных преобразователей

• Название: Измерительные преобразователи. Классификация измерительных преобразователей
• Дата: 12.05.2023
• Размер: 61.88 Kb.
• Имя файла: 1-14 вопрос.docx
• Тип: Документы; #1125443

Измерительные преобразователи. Классификация измерительных преобразователей. Измерительный преобразователь можно поделить на целый перечень устройств: Квантовые, Ионизирующего излучения, Оптоэлектронные, Адсорбционные, Электрохимические, Индук­ционные, Тепловые, Электромагнитные, Гальваномагнитные, Емкостные, Механиче­ские упругие, Пьезоэлектрические, Резистивные. Преобразователи обычно классифицируются по принципу их работы и практическому применению. 1. По характеру преобразования различают следующие виды измерительных преобразователей: - преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы и пр.); - магнитных величин в электрические (измерительные катушки, феррозонды, преобразователи, основанные на эффектах Холла, Гаусса, сверхпроводимости и т.д.); - неэлектрических величин в электрические (термо- и тензопреобразователи, реостатные, индуктивные, ёмкостные и т.д.). По характеру преобразования измерительные преобразователи подразделяются также на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые. 2. По месту в измерительной цепи и функциям измерительные преобразователи делят на первичные преобразователи (датчики), унифицированные, промежуточные и масштабные. Первичный преобразователь является первым в измерительной цепи и включает в себя чувствительный элемент и другие необходимые элементы для преобразования входной электрической или неэлектрической величины в выходную электрическую величину.

Генераторные датчики. Термопара: устройство и принцип работы. К группе генераторных датчиков можно отнести преобразователи различных видов энергии в электрическую. Наибольшее примене­ние в качестве датчиков находят индукционные, термоэлектриче­ские и пьезоэлектрические преобразователи. Виды: фотоэлектрические, термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, гальванические, датчики Холла. Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Безъякорные реле на герконах. В общем случае безъякорные реле представляют собой стеклянную ампулу, пространство которой заполнено инертным газом для улучшения условий коммутации (инертный газ не поддерживает горения дуги). Внутри ампулы помещают электроды из пружинящего материала с большой магнитной проницаемостью. Концы электродов покрыты тонким слоем золота или родия. Поверх ампулы размещается обмотка, по которой пропускается необходимый ток для создания магнитного поля вдоль герметизированных контактов. При достижении магнитным полем достаточной величины надежности Н контакты замыкаются. Магнитное поле может быть образовано и с помощью постоянных магнитов, а также с помощью близлежащих токопроводящих шин (обычно с большими значениями токов). Частота переключений герконов.

Устройство и принцип работы терморезисторов. Терморезисторы активно применяются в разных сферах, тесно связанных с электроникой. Они особенно важных при реализации процессов, зависящих от правильности настройки температурного режима. Такой подход актуален для компьютерных технологий, устройств передачи информации, высокоточного промышленного оборудования и т. д. Распространенный способ применения терморезисторов — ограничение токов, возникающих в процессе пуска аппаратов. Терморезисторы различаются по принципу действия. Выделяется два типа: КОНТАКТНЫЕ. К этой категории относятся термопары, термодатчики, заполненные термометры и термометры биметаллического типа. БЕСКОНТАКТНЫЕ. В эту группу входят терморезисторы, построенные на инфракрасном принципе действия. Они активно применяются в оборонной сфере, благодаря способности выявлять тепловое излучение ИК и оптических лучей (выделяются газами и жидкостями). терморезисторы делаются максимально чувствительными к изменению температурного режима, ведь на этом принципе они и работают. При отсутствии нагрева атомы, входящие в состав детали, находятся в правильном порядке и формируют длинные ряды. В случае нагрева количество активных «переносчиков» заряда растет. Чем больше таких единиц, тем выше проводимость материала. При изучении кривой зависимости сопротивления от температуры можно увидеть характеристику нелинейного типа. При этом лучшие характеристики терморезистор показывает в диапазоне от -90 до +130 градусов. Важно учесть, что принцип действия таких деталей строится на корреляции между температурным режимом и металлами в составе детали. Сам терморезистор изготавливается с применением полупроводниковых составов (оксидов, марганца, меди, никеля, силикатов, железа и других). Такие компоненты способны реагировать на малейшее изменение в температуре. Создаваемое электрическое поле подталкивает электрон, который перемещается до момента удара об атом. По этой причине движение электрона затормаживается.

Назначение сравнивающих устройств. Принцип работы СУ. Сравнивающие устройства или элементы сравнения являются неотъемлемой частью любой системы автоматического управления. К одному из входов сравнивающего устройства, как правило, подключается датчик, к другому — задающее устройство (задатчик). В качестве задающих устройств в электрических схемах сравнения обычно используют переменные резисторы, а в отдельных случаях — многоцепные переключатели с набором резисторов, потенциометры с профильными каркасами, кулачковые механизмы и другие устройства. С развитием вычислительной техники в качестве задающего устройства стали использоваться специальные программы. К электрическим сравнивающим устройствам относятся мостовые, потенциометрические, трансформаторные, дифференциально трансформаторные схемы, электромеханические устройства, нуль-органы и др.
Базовые логические элементы. Базовые логические элементы – это схемы, содержащие электронные ключи и выполняющие основные логические операции. Базовые логические элементы составляют основу для проектирования сложных цифровых устройств, выполняющих различные логические функции. Из алгебры логики известно, что сложные логические функции можно выразить через совокупность конечного числа базисных логических функций. На чипах с логической функцией выполняют основные операции: конъюнкция — умножение; дизъюнкция — сложение; инверсия — отрицание; сложение по модулю 2. Логический элемент «И» .Микросхема «И» выполняет конъюнкцию над входной информацией. Элемент «И» имеет 2-8 входов и один выход. Для микросхемы с двумя входами логическая единица на выходе возможна только при подаче на оба входа истинного значения. В иных случаях на выходе получится ноль. Логический элемент «ИЛИ». Действие сложения над входными данными выполняет элемент «ИЛИ». У этого устройства может быть 2 и более входов и лишь один выход.. У элемента «ИЛИ» с двумя входами высокий потенциал на выходе появится при подаче такой же величины на первый или второй вход, а также на оба входа одновременно. . Логический элемент «НЕ». Операцию отрицания осуществляет элемент «НЕ». Поскольку он имеет по одному входу и выходу, его называют инвертором.. Для элемента «НЕ» характерно обращение входной информации. При подаче на вход логической единицы выйдет логический ноль, и наоборот, при подаче нуля выйдет единица. .Логический элемент «И-НЕ» . «И-НЕ» выполняет функцию отрицания результата конъюнкции. Название следует из принципа работы элемента: «И-НЕ» представляет собой элемент «И», который дополнен элементом «НЕ». Следовательно, «И-НЕ» осуществляет операцию, обратную для элемента «И». .Логический элемент «ИЛИ-НЕ». Комбинация «ИЛИ-НЕ» выполняет операцию отрицания дизъюнкции. Данный элемент является противоположным элементу «ИЛИ», соответственно, значения входа и выхода для этих элементов тоже будут обратными друг другу.. Логический элемент «исключающий ИЛИ». Элемент с функцией сложения по модулю 2 называется «исключающем ИЛИ», другое его название — «неравнозначность». Данная микросхема имеет два входа и один выход.. Истинное значение будет в случае разных сигналов на входах. Если на обоих входах будет высокий потенциал, на выходе получится низкий. При одновременной подаче низкого уровня сигнала на каждый вход на выходе также будет низкий уровень.

Бесконтактные переключающие устройства. Свойства тиристоров. Бесконтактные переключатели (пускатели, выключатели) пред­назначены для выполнения операций включения, выключения, а также переключения электрических цепей. Переключатели выполняются на базе различных электриче­ских аппаратов, таких, как магнитные усилители, герметизиро­ванные магнитоуправляемые контакты, тиристоры и т. д. В дан­ной главе рассматриваются бесконтактные переключатели, выпол­ненные на тиристорах, так как они широко распространены в схемах автоматического управления. Тиристорный пускатель. Бесконтактный тиристорный пускатель — наиболее широко распространенное устройство, обеспечивающее бездуговое включение и отключение силовых электрических цепей.Тиристор-регулятор. Широкое применение получили устройства с использованием ти­ристоров в качестве регуляторов. Если использовать для управ­ления тиристором магнитный усилитель, то, изменяя ток управ­ления усилителя, можно изменять угол насыщения магнитопровода и момент появления напряжения на нагрузке, которое открывает тиристор. Таким образом, можно получать широтно-импульсное ре­гулирование тока в на­грузке.

Классификация систем автоматики. Автоматические системы, используемые в строительных :мащинах. и оборудовании для контроля, регулирования и управления, можно классифицировать по ряду признаков. По характеру алгоритма управления различают системы по разомкнутому и замкнутому (с обратной связью) циклам, а также комбинированные системы. В первом случае в системе отсутствует обратная связь и управление является жестким. В такой системе задающий сигнал Х поступает в управляющее устройство УУ, из которого сигнал управляющего воздействия УВ направляется к объекту управления ОУ для получения выходных координат У с учетом возможного воздействия сторонних помех F. При управлении по замкнутому циклу в случае отклонения выходного параметра от заданного значения сигнал возвращается объектом управления на управляющее устройство для корректировки, Такие системы работают с изменяемыми структурой и законом управления. Комбинированное управление характеризуется начием в системе обратной связи и резервного управляющего устройства, подключаемого параллельно первому через элемент сравнения (анализатор). Установленные на схемах знаки «плюс» и «минус» характеризуют положительные или отрицательные значения задающего воздействия. Устройства обратной связи объединяют под понятием «регуляторы», которые различают как регуляторы прямого (использующие энергию объекта) и непрямого (требующие дополнительного электроснабжения— усилителя) действия. В зависимости от числа каналов обратной связи различают одноконтурные и многоконтурные системы, и последних всегда более одной замкнутой цепи воздействия. По характеру применяемых сигналов различают непрерывные и дискретные (импульсные, релейные) системы. По характеру изменения сигналов задатчика системы делят на стабилизирующие, программного управления и следящие. В стабилизирующих системах по поступающим постоянным сигналам выходные параметры поддерживаются практически с постоянными значениями (например, стабилизация температуры двигателя). В системах программного управления сигналы из задающего устройства меняются по заранее установленным законам и выходные параметры также изменяются во времени и пространстве. В следящих системах значения заранее неизвестны и из блока задающего устройства поступают случайно изменяющиеся сигналы, измеряемые соответствующими датчиками. Эти системы, в свою очередь, делятся на автономные, копирные и комбинированные. По количеству выходных параметров различают одномерные и многомерные системы. По расположению измерительных и сигнальных устройств относительно управляемого объекта и по его расположению относительно пульта автоматические контроль и управление разделяют на местные и дистанционные. Местный контроль и управление наибольшее распространение получили в передвижных, в том числе в строительных машинах. Дистанционный контроль и управление используют при одновременной работе с несколькими машинами или для приближения его к месту выполнения технологических операций рабочим органом машины. При этом значительно увеличивается роль каналов связи, осуществляющих передачу сигналов на расстояние. В качестве каналов связи используются механические, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (смешанные) передачи.

Назначение систем автоматического регулирования. Системы автоматического регулирования (САР) предназначаются для автоматического поддержания заданного режима технологического процесса или изменения его во времени по заранее заданному или задаваемому в зависимости от каких-то условий закону. При этом имеется в виду, что внешние условия нарушают заданный закон протекания процесса, а система автоматического регулирования стремится его выполнить, преодолевая влияние внешних факторов. В такой системе непрерывно идет обмен информацией между объектом и регулятором, воздействие передается от одного эле­мента регулятора к другому, последовательно меняя при этом свою физическую природу и уровень. Сформированное в результате регулирующее воздействие по своей природе может быть различно. Если, например, объект — электродвигатель привода подачи электродной проволоки, то регулирующее воздействие должно быть напряжением, подаваемым на его якорь; для сварочного источника питания регулирующее воздействие — это ток или напряжение, изменяемые в цепи управления. Именно САР противодействует возмущениям, компенсирует, нейтрализует или ослабляет их вырабатываемыми встречными регулирующими воздействиями, обеспечивая заданное на каждый момент времени состояние объекта. Регулирование продолжается до тех пор, пока ошибка не становится меньше порога чувствительности системы.

Системы управления с обратной связью. любая система управления должна проектироваться так, чтобы по возможности уменьшить влияние нежелательных входных сигналов, называемых возмущениями, на выходной сигнал. Система управления – соединение отдельных элементов в определенную конфигурацию, обеспечивающую получение заданных характеристик. Если известна желаемая реакция системы, то можно сформулировать сигнал, пропорциональный ошибке между желаемой и действительной реакциями системы. Целью # управления является сведение ошибки к нулю. Использование этого сигнала для управления обхектом приводит к появлению замкнутой последовательности операций, как показано на рисунке. В результате образуется обратная связь. В ведение обратной связи часто вызывается необходимостью улучшения функционирования системы управления. Интересно, что обратная связь объективно присутствует в таких системах, как биол., физиол., созданных природой. Чтобы проиллюстрировать преимущества введения обратной связи, рассмотрим простую одноконтурную систему. Эта система в виде сигнального графа выглядит след. образом: Система без обратной связи – система с прямой цепью передачи воздействия, называется разомкнутой.

Мост Уистона. Подключение терморезистора. Сигнал рассогласования.

На рисунке приняты следующие обозначения: G – измерительный прибор, R_Th – сопротивление датчика температуры, R_V - сопротивление уравновешивающего резистора, R_1M, R_2M – сопротивления резистивного делителя, I_S – ток питания моста, I_Th – ток, протекающий через датчик. Измерительный прибор должен быть высокоомным, чтобы ток I_G, протекающий между точками 1 и 2, был незначительным по сравнению с током I_Th, протекающим через температурный датчик. Действие датчиков температуры основано на изменении сопротивления датчика от температуры. В зависимости от того, возрастает или понижается сопротивление датчика при повышении температуры окружающей среды, различают датчики с положительным или отрицательным коэффициентами сопротивления (ТКС). Согласование сигналов – одна из наиболее важных технологий в системе измерений и автоматизации. Она обеспечивает интерфейс между сигналами/датчиками и измерительной системой. Используя внешний интерфейс согласования сигналов компании National Instruments, можно объединить многочисленные технологии в одной платформе, увеличивая тем самым число и типы доступных измерений. В зависимости от скорости сбора данных, типов сигналов/датчиков и числа каналов измерительной системы можно выбрать системы согласования сигналов SCXI или SCC компании National Instruments. Для приложений с большим числом каналов или систем, требующих больших скоростей сбора данных, можно выбрать модули согласования сигналов для контрольно-измерительной аппаратуры (Signal Conditioning extensions for Instrumentation – SCXI). SCXI - проверенная временем платформа, используемая инженерами и учеными с 1991 года и насчитывающая в своем составе более 25 модулей. Система Signal Conditioning Components (SCC) – идеальное решение для мобильных измерительных комплексов, требующих небольшого или среднего количества каналов. Можно выбрать подходящее решение из более чем 30 одно- и двухканальных модулей. Для работы большинства измерительных преобразователей необходим некоторый класс дополнительного внешнего оборудования. Например, терморезисторам необходим ток возбуждений, тензодатчикам необходима мостовая схема, состоящая из резисторов и называемая мостом Уитстона. Согласование сигналов – это процесс измерения и управления сигналами с целью улучшения точности, создания развязки, фильтрации и т.д. Для измерения сигналов, поступающих от датчиков, необходимо преобразовать их в форму, наиболее подходящую для устройств сбора данных. Например, выходное напряжение большинства термопар очень мало и чувствительно к шуму. Поэтому в этом случае понадобится предварительное усиление сигнала перед его оцифровкой. Усиление сигнала – одна из форм согласования сигналов. Самыми распространенными типами согласования сигналов являются усиление, линеаризация, возбуждение (запитка) преобразователя и гальваническая развязка (изоляция).

Задающие устройства: назначение, обозначение на схемах. Задающие устройства предназначены для задания требуемого значения регулируемого (управляемого) параметра. По виду вырабатываемых сигналов задающие устройства подразделяют на два основных класса: аналоговые и цифровые. Аналоговые в свою очередь делят на непрерывные и дискретные, при этом дискретность может осуществляться как во времени, так и по значению вырабатываемого сигнала. Цифровые задающие устройства формируют только сигналы дискретных уровней. Существенным признаком классификации является род энергии вырабатываемых сигналов. В соответствии с этим признаком различают задающие устройства с электрическими, пневматическими, гидравлическими и механическими (в виде перемещений и усилий) сигналами. Для своей работы задающие устройства потребляют энергию от внешнего источника, вид которой может не совпадать с видом энергии сигнала. Так, например, в регуляторах прямого действия задающие устройства обычно вырабатывают механические сигналы, а для своей работы потребляют электрическую энергию. Одним из важнейших признаков задающих устройств является вид носителя программы. В задающих устройствах непрерывного действия наиболее часто для этих целей используют кулачковые и рычажные механизмы, функциональные потенциометры и бумажную диаграмму. В задающих устройствах дискретного действия находят применение многоцепные переключатели, перфокарты и перфоленты, магнитная пленка и кинопленка. Исполнительное устройство является промежуточным преобразователем, состоящим из двух самостоятельных узлов: исполнительного механизма и регулирующего (управляющего) органа.



Бесконтактные переключающие устройства на транзисторах. Бесконтактные переключающие устройства. Эти устройства (на основе фотоэлементов или индуктивных элементов) надежнее контактных, особенно при большой частоте переключений. Бесконтактные переключающие устройства типа фотореле, работающего с двумя уровнями освещения, создают на основе простых схем усиления. В качестве бесконтактных переключающих устройств индуктивного типа широкое распространение получили параметрические и генераторные датчики положения. Это транзисторный генератор колебаний, амплитуда колебаний которого управляется при помощи металлической заслонки 2 между катушкой колебательного контура 1 и катушкой обратной связи 3. При отсутствии заслонки в зазоре между катушками схема генерирует колебания, вызывающие увеличение среднего значения тока через транзистор-генератор T1. Этот ток усиливается выходным транзистором. Когда заслонка проходит между катушками, коэффициент обратной связи уменьшается, амплитуда колебаний падает и колебания прекращаются, что в свою очередь вызывает закрытие выходного транзистора Т2. На таком принципе построены бесконтактные выключающие устройства типа КВД и БК. Принципиальная схема бесконтактного выключателя КВД состоит из генератора и усилителя на транзисторах. При введении металлической пластинки в щель между базовой и коллекторной обмотками происходит уменьшение коэффициента обратной связи, вызывающее срыв генерации. Нормально закрытый выходной транзистор Т3 открывается, что вызывает срабатывание реле или логического элемента, включенного в цепь коллектора Т3. Выключатели типа КВД, БК предназначены для коммутации электрических цепей управления и сигнализации.

Бесконтактные переключающие устройства на лампах. Бесконтактное переключающее устройство, содержащее газоразрядные лампы, соединенные по кольцевой пересчетной схеме с общим анодным резистором, конденсаторы, диоды и источник питания, отличающееся тем, что, с целью расширения области регулирования рабочих частот и повышения помехозащищенности устройства, управляющая сетка каждой лампы подключена к катоду диода, анод которого соединен через конденсатор с источником питания и через резистор со средней точкой делителя напряжения, включенного между анодом и катодом предыдущей лампы.