Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Тема 3 Измерительные преобразователи План лекции 1. Общие сведения 2. Датчики общепромышленного назначения параметрические 3. Датчики общепромышленного назначения генераторные 1. Комплексная автоматизация технологических процессов предполагает контроль и измерение различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (регулирования) – механических, тепловых, оптических и других неэлектрических. Преимущества же электроизмерительных приборов и преобразователей очевидны. Этим обстоятельством объясняется широкое распространение первичных измерительных преобразователей (датчиков), предназначенных для измерений неэлектрических величин и преобразования их в электрические. Первичные измерительные преобразователи чрезвычайно разнообразны по принципу действия, устройству, видам входного и выходного сигналов, функциональному назначению, метрологическим и эксплуатационным характеристикам. В зависимости от выходного параметра первичные измерительные преобразователи разделяют на параметрические и генераторные. Их классифицируют также по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, по принципу действия и др. 2. Выходной величиной в параметрических преобразователях является параметр электрической цепи – электрическое сопротивление или его со- ставляющие (R, L, C). Для использования параметрического преобразователя необходим дополнительный источник питания, обеспечивающий образование выходного сигнала преобразователя. К наиболее часто применяемым параметрическим преобразователям относятся реостатные, тензочувствительные ( тензорезисторы), термочувствительные (терморезисторы или термометры сопротивления), индуктивные, емкостные, оптоэлектронные (фоторезисторы, фотодиоды и др.), ионизационные и др. Принцип действия реостатных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – механического перемещения. Реостатный преобразователь (рис.1) представляет собой реостат, подвижный контакт которого перемешается под действием измеряемой неэлектрической величины. Обмотку преобразователя изготавливают из сплавов (платина с иридием, константан, нихром, фехраль и др.). Подобные преобразователи обладают статической характеристикой преобразования со ступенчатым характером, поскольку сопротивление измеряется скачками, равными сопротивлению одного витка, что вызывает погрешность , R R ∆ = γ где ∆R – сопротивление одного витка; R – полное сопротивление преобразователя. Эта погрешность отсутствует в реохордных преобразователях, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер преобразования часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис.1, в). Достоинства реостатного преобразователя: относительная простота конструкции, возможность получения высокой точности преобразования и значительных по уровню выходных сигналов. Основной недостаток – наличие скользящего контакта. Тензоэффект, положенный в основу работы тензорезисторов, заклю- чается в измерении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации. Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например, растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки ∆R/R = S ·∆l/l , где S – коэффициент тензочувствительности; ∆l/l – относительная деформация проволоки. Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала. Тензочувствительные проволочные преобразователи представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к подложке проволоку. Преобразователь устанавливают таким образом, чтобы направление Рисунок 1 − Реостатные преобразователи для угловых и линейных перемещений ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки. В качестве материала для преобразователя обычно используют константановую проволоку (у константана – малый температурный коэффициент сопротивления) и для подложки – тонкую бумагу (0,03…0,05 мм) и плёнку лака либо клея (БФ-2, БФ-4, бакелитовый и др.). Распространение также получили фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга, и пленочные тензорезисторы, получаемые путем возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на подложку. Достоинства тензорезисторов: линейность статической характеристики преобразования, простота конструкции и малые габариты. Основной недостаток – низкая чувствительность. В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение полупроводниковые тензочувствительные преобразователи (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензочувствительные преобразователи. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n-переходами – технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для тензочувствительных преобразователей, особенно полупроводниковых, существенно влияние температуры на их упругие и электрические характеристики, что требует применения специальных схем температурной компенсации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении измерительных преобразователей давления в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС – «кремний на сапфире». Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов создало возможность изготавливать тензорезисторы непосредственно на кристаллическом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие элементы кристаллических материалов обладают упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление тензорезистора с мембраной за счет молекулярных сил позволяет Рисунок 2 отказаться от использования клеющих материалов, улучшить метрологические характеристики преобразователей. На рис. 2, а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами p-типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение R R ∆ > 0, если же R R ∆ <0 – чувствительность отрицательна. Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис.3.2, б. Здесь: 1 – тензорезистор; 2 – защитное покрытие; 3 – металлизированные токоведущие дорожки; 4 – упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого вклю- чаются тензорезисторы с соответствующим значением R R ∆ и даже термоком- пенсационные элементы. Тензорезисторы применяют для измерения деформаций и других неэлектрических величин – усилий, давлений, моментов и т.п. Принцип действия терморезистора основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.По режиму работы терморезисторы различают перегревные и без преднамеренного перегрева. Перегревные используют для измерения скорости, плотности, состава среды и др. В перегревных преобразователях электрический ток вызывает перегрев, зависящий от свойств среды. Последние применяются для измерения температуры окружающей среды. Распространение получили терморезисторы, выполненные из медной или платиновой проволоки. Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от –260 до +1100 °С, медные – в диапазоне от –200 до +200 °С (ГОСТ 6651–78). Низкотемпературные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877–76) применяют для измерения температуры в пределах от –261 до –183°С. На рис. 3, а показано устройство платинового терморезистора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью 1. Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изолятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру (рис.3.3, б) из нержавеющей стали. Для медных терморезисторов зависимость сопротивления от температуры выражается уравнением R=R 0 · (1+ α t) при –50 0 С ≤ t ≤ +180 0 С, где R 0 – сопротивление при t=0 0 С; α = 4,26·10 –3 К –1 Для платиновых – R=R 0 ·[1+ А t+В t 2 ] при 0 0 С ≤ t ≤ +650 0 С, где А=3,968·10 –3 К –1 ; В=5,847·10 –7 К –2 ; С=–4,22·10 –12 К –4 Помимо платины и меди, для изготовления терморезисторов используют никель (в странах дальнего зарубежья). Рисунок 3 − Устройство и внешний вид арматуры платинового термометра сопротивления Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы и позисторы) различных типов, которые характеризуются большой чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления ТКС термисторов отрицательный и при 20°С в 10– 15 раз превышает ТКС меди и платины, ТКС позисторов положительный и несколько хуже) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования. Термисторы используются в диапазоне температур от –60 до +120°C. , − ⋅ ⋅ = 0 0 t 1 t 1 B exp R R где R и R 0 – сопротивления терморезистора при температурах соответственно t и t 0 ; t 0 – начальная температура рабочего диапазона; В – коэффициент преобразования. К термочувствительным преобразователям относят также термодиоды и термотранзисторы, у которых при изменении температуры изменяется величина сопротивления р-n перехода. Эти приборы обычно применяются в диапазоне от –80° до +150° С. Чаще всего термодиоды и терморезисторы включают в мостовые цепи и измерительные схемы в виде делителей напряжения. К достоинствам таких преобразователей относят высокие чувствительность и надежность, малые габариты, невысокую стоимость и малую инерционность. Основные недостатки: узкий диапазон рабочей температуры и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразователя. Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависи- мости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного сос- тояния элементов их магнитной цепи (рис. 4). На рис. 4 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис. 4, а) с переменной длиной воздушного зазора δ характеризуется нелинейной зависимостью L = f ( δ). Такой преобразователь обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01— 5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f (s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 4, б). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10…15 мм. Рисунок 4 − Различные конструкции индуктивных преобразователей Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 4, в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи. На рис. 4,г показана схема включения дифференциального индуктивного преобразователя, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразователи называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС. Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50…100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рис. 4, д). В горной промышленности получили распространение магнитоупругие преобразователи (рис. 4, е), действие которых основано на использовании эффекта зависимости магнитной проницаемости (магнитного сопротивления цепи) от величины механического воздействия (сжатия или растяжения) на ферромагнитный сердечник преобразователя. Различают магнитоупругие датчики дроссельного и трансформаторного типов. Последние могут контролировать только усилие сжатия, однако обладают большей чувствительностью. Достоинствами индуктивных и магнитоупругих преобразователей являются простота и надежность в работе, значительная мощность выходных сигналов. Основными недостатками – обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора. Принцип действия емкостных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от значения диэлектрической проницаемости среды между ними. Они представляют собой конденсаторы различных конструкций, преобразующие механические линейные или угловые перемещения, а также давление, влажность или уровень среды в изменение электрической емкости. Из курса физики известно, что емкость плоского конденсатора , S С 0 δ ⋅ ξ ⋅ ξ = где 0 ξ – диэлектрическая постоянная; ξ – относительная диэлектрическая проницаемость между об- кладками; S – активная площадь обкладок; δ – расстояние между обкладками. Таким образом, преобразователь может быть построен с использованием зависимостей C = f 1 ( ξ), C =f 2 (S), C = f 3 (δ). Преобразователь на рис. 5, апредставляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины x относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразования С=f(δ) нелинейна. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния δ. Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм). в) Рисунок 5 − Различные конструкции емкостных преобразователей Применяют также дифференциальные преобразователи (рис. 5, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С 1 и С 2 . Такие преобразователи используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразования путем профилирования пластин. Преобразователи с использованием зависимости C = f 1 ( ξ) применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис. 5, в) приведем устройство емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости. Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10 –7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции. Достоинства емкостных датчиков: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность и малая инерционность. Основные недостатки – необходимость в источниках питания повышенной частоты и вредное влияние паразитных емкостей, температуры, влажности и внешних электрических полей. Полупроводниковые фоточувствительные преобразователи в качестве чувствительного элемента имеют светочувствительный слой, нанесенный на подложку (стеклянную пластинку). Сопротивление этого слоя обратно пропорционально интенсивности светового потока или мощности источника освещения. Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы обладают сравнительно высокой стабильностью, хорошей чувствительностью, но их применение ограничивается при наличии пыли, например угольной, препятствующей нормальной работе. Действие ионизационных преобразователей основано на явлении ио- низации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения. В качестве ионизирующих агентов применяют α –, β – и γ – лучи радиоактивных веществ, иногда рентгеновские лучи и нейтронное излучение. Выбор типа ионизационного преобразователя зависит во многом от ионизирующего излучения. Гамма–лучи (электромагнитные колебания малой длины волны – 10 –8 …10 –11 см)обладают большой проникающей способностью. Проходя через вещество лучи ослабляются J = J 0 · ⋅ exp (– µ d), где J – интенсивность γ–лучей, прошедших через вещество (тело); J 0 – интенсивность поступающих в вещество (тело) γ–лучей; µ – коэффициент ослабления; d – толщина слоя вещества (тела). Таким образом, с помощью γ–лучей либо другого ионизирующего излучения можно измерять толщину слоя изделий, плотность жидкостей и газов и др. Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения. В качестве источников ионизирующего излучения обычно используют кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др. Преимущества ионизационных преобразователей – в возможности бес- контактных измерений в агрессивных или взрывоопасных средах, средах, имеющих высокою температуру или находящихся под большим давлением. Основной недостаток: необходимость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения. 3. В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной. Рассмотрим наиболее распространенные виды генераторных преобразователей. Термоэлектрические преобразователи работают на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары: при разности температур в точках 1 и 2 (рис. 6) соединения двух разнородных проводников в цепи термопары возникает термоЭДС. Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2' – свободными концами. Чтобы термоЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной. Градуировку термоэлектрических термометров производят обычно при температуре свободных концов 0°С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°С. При практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары обычно не равна 0°С и поэтому необходимо вводить поправку. 2 1 2 ′ Рисунок 6 Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используют в основном специальные сплавы. В табл. 1 приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616–74. Таблица 1 Характеристики стандартных термопар Для измерения высоких температур используют термопары типов ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют при измерениях с повышенной точностью. Для стандартных термопар существует ГОСТ, нормирующий допускаемые отклонения статических характеристик преобразования. Для удобства стабилизации температуры свободных концов иногда термопару удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных температур свободных концов (обычно от Тип термо- пары Материалы электродов термопар ТермоЭДС (при t р.к. =100 0 С, t с.к. =0 0 С), мВ Верхний предел измеряемой температуры, 0 С длительно кратковре менно ТПП Платинородий (10% родия) - платина 0,64 1300 1600 ТПР Платинородий (30% родия) – платинородий (6% родия) 13,81 (при t р.к =1800 0 С) 1600 1800 ТХА Хромель (90% Ni+10% Cr) – алюмель (94,83% Ni + 2% Al + 2% Mn + 1% Si+ 0.17 Fe) 4,10 1000 1300 ТХК Хромель – копель (56% Cu + 44% Ni) 6,90 600 800 ТВР Вольфрамрений (5% рения) – вольфрамрений (20% рения) 1,33 2200 2500 mV 0 до 100 °С). Иначе говоря, удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термоЭДС от температуры, как и у основной термопары. Основной недостаток термопар – значительная инерционность (в обычной арматуре показатель тепловой инерции составляет несколько минут). В настоящее время известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет не более 5 с. В фотоимпульсных датчиках импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения – приемник излучения (светодиод – фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару. Импульсы индукционных датчиков создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин. В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений. Рисунок 7 Устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения переменного давления газа показано на рис. 7. Давление Р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3. Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала. При воздействии давления Р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов U = 2Q /(C n + C 0 ) =2 k·S·P/(C n + C 0 ), где Q – заряд, возникающий на пластинке кварца; C n – емкость преобразователя; C 0 – емкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов; k – пьезоэлектрический модуль кварца; S – площадь поверхности мембраны, подверженная давлению. Поразности потенциалов U судят о значении давления Р. В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца. Пьезоэлектрические датчики обычно применяют для измерений быстропротекающих динамических процессов при ударных нагрузках, вибрациях, переменных усилиях и т.д. Рекомендуемая литература 1. Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления: Учеб.пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. С.29-109. 2. Эм Г.А. Элементы систем автоматики: Учеб.пособие. Караганда, Изд- во КарГТУ, 2007. С.34-106. 3. Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога / Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002. с.192-205, 293-306, 321-331. 4. Справочник по средствам автоматики / [Б.И.Филиппович, А.П.Шорыгин, В.А.Царьков и др.]; Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. – М.: Энергоатомиздат, 1983. с.28, 50-54, 60, 63, 69-73, 84-90, 133, 136-138, 156, 339-363. 5. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Технологические измерения и приборы: Учеб. для ВУЗов. – М.: Высш. школа, 1989. с. 95-120, 143-204. 6. Жданкин В.К. Измерительные преобразователи давления // Современные технологии автоматизации. – 2001. – № 4. – С.79-86. 7. Жданкин В.К. Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенности применения // Современные технологии автоматизации. – 2001. – № 2. – С.68-79. 8. Тун А.Я. Системы контроля скорости электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 168 с. Контрольные задания для СРС [3-8] 1. Проанализировать существующие типы параметрических датчиков, применяемые в промышленности 2. Проанализировать существующие типы генераторных датчиков, применяемые в промышленности |