Последовательное соединение преобразователей

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Приборы для измерения неэлектрических величин или от­дельные их преобразователи в рабочих условиях подвергаются воздей­ствию различных неблагоприятных условий, ухудшающих их точность. Одним из методов уменьшения погрешности является структурный метод. По этому методу прибор строится из преобразователей, подвер­женных действию влияющих величин, но его структурная схема выби­рается такой, чтобы частные погрешности отдельных преобразователей взаимно компенсировались. Структурный метод позволяет построить "хороший" прибор, используя "плохие" преобразователи. Структурная схема прибора во многом определяет его свойства. Приборы, построен­ные по простым схемам, обычно дешевле и надежнее приборов, пост­роенных по сложным схемам. Однако усложнение схемы приводит к прибору с лучшими метрологическими характеристиками: меньшей погрешности, меньшей инерционности и т.д.

Последовательной схемой соединения преобразователей назы­вается такая, при которой входной величиной каждого последующего преобразователя служит выходная величина предыдущего. Входной величиной первого преобразователя является измеряемая величина. Отдельные преобразователи могут иметь более сложную структуру. Примером схемы с последовательным соединением преобразовате­лей является структурная схема термоанемометра (прибора для изме­рения скорости газов). Датчик (рис. 4.1, а) представляет собой пла­тиновую проволоку 1 с сопротивлением R, припаянную к манганино­вым стержням 2, которые смонтированы на ручке 3. Проволока с по­мощью проводов 4 включена в электрическую цепь, показанную на рис. 4.1, б, и нагревается током /, идущим от источника Е. При про­текании тока / по рамке измерительного механизма его стрелка откло­няется. Символом R_c обозначено суммарное сопротивление проводов, измерительного механизма и источника питания.

В рассмотренном термоанемометре можно выделить следующие эле­ментарные преобразователи, включенные последовательно (рис. 4.1, в): 1 — нагретая проволока, преобразующая скорость v воздуха в измене­ние температуры t; 2 - та же проволока, выполняющая функцию термо­метра сопротивления и преобразующая изменение температуры в изме­нение сопротивления R; 3 — электрическая цепь, преобразующая измене­ние сопротивления R в изменение тока I; 4 - измерительный механизм, преобразующий изменение тока I в изменение отклонения стрелки или отсчета прибора f.

Определим функцию преобразования прибора с последовательным соединением преобразователей. При этом будем считать заданными функции преобразования отдельных преобразователей. Функция преоб­разования первого преобразователя представляет собой зависимость температуры проволоки термоанемометра t от скорости воздуха v и выражается сложной аналитической зависимостью, которую обо­значим

t = f (v). (4.1)

Функция преобразования второго преобразователя является зави­симостью сопротивления платиновой проволоки R от температуры t и выражается уравнением

R = R ₀(1 +  t), (4.2)

где r ₀ - ее сопротивление при 0 °С;  — температурный коэффициент сопротивления.

Функция преобразования третьего преобразователя — зависимость тока / в цепи от значения сопротивления R:

I = E/ (R + R _с). (4.3)

Функция преобразования четвертого преобразователя — зависимость отклонения стрелки магнитоэлектрического механизма  от проходяще­го через него тока I, причем

f = S _M I, (4.4)

где S — чувствительность механизма.

Функция преобразования прибора получается путем последователь­ной подстановки функций преобразования элементарных преобразова­телей (4.3), (4.2), (4.1) в (4.4):

f = S _M I = S_ME/ (R + R _C) = S_ME/ [ R_C + R₀ (1 + a t)]= S_ME/ (R_C + R ₀[1 +  f (v)]). (4.5)

Выражение (4.5) определяет зависимость отклонения стрелки при­бора от измеряемой скорости воздушного потока. Оно показывает так­же влияние конструктивных параметров (S, Е, R R₀,  ) на функцию преобразования и может быть использовано при проектировании.

Определим зависимость чувствительности прибора от чувствитель­ностей отдельных преобразователей S ₁, S ₂, S ₃ и S ₄. Согласно определе­нию чувствительности

S ₁, = dt/dv, S ₂ =dR/dt, S ₃ = dl/dR, S₄ = d  /dl. (4.6)

Перемножив значения чувствительностей, получим

S ₁ S₂S₃S₄ = d  /dv. (4.7)

Правая часть равенства представляет собой чувствительность при­бора

S = d  /dv. (4.8)

Таким образом, при последовательном соединении преобразователей чувствительность прибора равна произведению чувствительностей входя­щих в него преобразователей:

S = S ₁ S ₂S₃ S ₄. (4.9)

Дифференциальные схемы соединения преобразователей

Дифференциальной схемой называется схема, содержащая два канала с последовательным соединением преобразователей, причем выходные величины каждого из каналов подаются на два входа вычи­тающего преобразователя. Вычитающий преобразователь — это преоб­разователь с двумя входами, выходная величина которого представ­ляет собой нечетную функцию разности двух входных:

У = F (y ₁ - y ₂). (4.20)

В частности, выходная величина может быть равной

y = y ₁ - y ₂. (4.21)

На рис. 4.3 показана структурная схема дифференциального преоб­разователя. Согласно принятым обозначениям величина, подаваемая на сектор, обозначенным знаком «-», вычитается из величины, подво­димой к другому сектору. Оба канала дифференциальной схемы делаются одинаковыми и находятся в одинаковых рабочих условиях.

Дифференциальные схемы бывают двух типов. В схеме первого типа измеряемая величина воздействует на вход одного канала, на вход другого воздействует физическая величина той же природы, но имею­щая постоянное значение, в частности, равное нулю. Второй канал служит для компенсации погрешностей, вызванных изменением усло­вий работы прибора. В схеме второго типа измеряемая величина после некоторого преобразования воздействует на оба канала, причем таким образом, что когда на входе одного канала входная величина возрастает, на входе другого – уменьшается.

Логометрические схемы соединения преобразователей

Логометрическая схема включения преобразователей (рис. 4.4) содержит два канала с последовательным соединением преоб­разователей, выходные величины которых подаются на логометричес­кий преобразователь. Логометрический преобразователь — это преоб­разователь с двумя входами, выходная величина которого является функцией частного от деления входных величин:

y=F (y₁ /y ₂). (4.33)

Оба канала логометрической схемы, как и в дифференциальной схе­ме, выполняются одинаковыми и находятся в одних и тех же условиях.

Логометрическая схема позволяет компенсировать мультипликатив­ную погрешность.

Компенсационные схемы включения преобразователей

Приборы, построенные по компенсационной схеме (схеме с обратной связью), имеют малую как аддитивную, так и мультиплика­тивную погрешности. Применение обратной связи позволяет создать приборы, обладающие малой статической и динамической погрешно­стью. Эти приборы имеют большую выходную мощность, и их показа­ния мало зависят от нагрузки.

Структурная схема компенсационного преобразователя приведена на рис. 4.5.

Датчики Холла

Датчики магнитного поля, использующие эффект Холла, относятся к активным датчикам, так как они сами вырабатывают измерительное напряжение, свя­занное с магнитным полем. На рис. 7.2.1 схемати­чески показаны устройство и принцип действия дат ­дика Холла.

Под действием тока I и магнитной индукции В, векторы которых взаимно перпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряже­ние U _H. Величина этого напряжения зависит от гео­метрии (длины l и толщины d)датчика, тока I, коэффициента Холла R _Hи магнитной индукции В:

Материалом для изготовления датчика Холла чаще всего служат кремний, арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb). Датчик Холла из арсенида индия, например, при магнитной индукции В = 1 Т и токе 0,1 А имеет выходное напряжение около 0,5 В.

ГЛАВА 8. ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Бесконтактное измерение ряда физических величин, как, например, перемещений, вибраций, температуры и т. д., оказывается возможным лишь с помощью оптических датчиков. При этом информация пере­дается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению в пространстве и благодаря этому оказываются пригодными для полу­чения и передачи информации. Чрезвычайно простым оптическим датчиком является, например, известная фотоячейка.

Фотоячейка состоит из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приемника (фото­диода или фоторезистора). Нарушение передачи све­та от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число им­пульсов отнести к единице времени, то, например, при конвейерном производстве можно получить ин­формацию о количестве деталей, изготовленных за 1 час или за день.

Дата добавления: 2015-05-09