ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И СХЕМЫ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ

August 21, 2015 by admin Комментировать »

Рассматриваемые преобразователи делятся на параметрические и генераторные. Первые — преобразователи неэлектрических величии в изменения параметров компонент электрических цепей: сопротивлений, емкостей, индуктивностей, взаимоиидуктивностей н т. д., а вторые— преобразователи неэлектрических величии в э. д. с. с использованием в них термоэлектрического, пьезоэлектрического, фотоэлектрического, электрохимического и других эффектов и явления индукции.

Общие требования, предъявляемые к преобразователям, следующие: они должны быть чувствительны к преобразуемой (входной) величине и осуществлять непрерывное преобразование ее в электри-

ческую величину, сохраняя постоянство своих характеристик во вре- ‘ мени независимо от влияния внешних факторов (температура, влажность н др.), причем обратное воздействие преобразователя на исследуемый процесс должно быть минимальным.

Рнс. 2-1.

Проектируя системы измерения н регулирования неэлектрнческих величин, следует зиать статические и динамические характеристики преобразователей. Статическая характеристика (рис. 2-1)—зависимость выходной величины у от входной х при ее медленных изменениях. Чувствительность преобразователя может быть определена по его статической характеристике согласно соотношению Κ=Δ#/Δχ, где К—чувствительность преобразователя. Динамическая характеристика — зависимость выходной величины от входной при ее быстрых изменениях.

Рассмотрим наиболее распространенные типы преобразователей и схемы нх включения.

Резистивные преобразователи

Терморезисторырезисторы, сопротивления которых изменяются в зависимости от нх температуры и теплообмена с окружающей средой. На интенсивность теплообмена оказывают влияние геометрические размеры, форма, материал и характер армировки преобразователя, состав, плотность, теплопроводность, скорость перемещения, температура и агрегатное состояние исследуемой среды. Источником тепла при этом может быть ток, пропускаемый через терморезистор. Большое число факторов, оказывающих влияние на теплообмен, делает практически неограниченной область применения терморезнсторов. Измерение температуры, анализ состава газовых и жидких сред, измерение вакуума, концентрации, скорости потока — вот далеко не полный перечень применения терморезисторов.

Различают два основных типа терморезисторов: полупроводниковые н проволочные. Независимо от типа терморезистор должен иметь большой н постоянный температурный коэффициент сопротивления, обладать устойчивостью физических и химических свойств при’ высоких температурах.

В качестве основных материалов для изготовления проволочных терморезнсторов, как правило, используют чистые металлы (платину, медь, никель, вольфрам). Химически наиболее стойким материалом является платина, однако она имеет низкое удельное сопротивление и большой коэффициент температурного расширения при значительной остаточной деформации. Это препятствует использованию платины в режимах работы, когда важно получить большую чувствительность. Кроме того, технология изготовления платиновых термометров усложнена тем, что для получения высокой чувствительности приходится использовать довольно тонкую платиновую проволоку. В табл. 2-1 приведены данные по основным материалам, которые используются для изготовления проволочных резисторов и тензометров (подробнее о тензометрах будет рассказано далее).

Платиновые резисторы работают в интервале температур от —183 до +660° С. Их изготавливают из проволоки диаметром 0,02 мм, которую наматывают на стеклянный илн фарфоровый стер-

Таблица 2-1

Материалы для проволочных резисторов и тензометров

жень, а снаружи оплавляют тонким слоем стекла. Таким способом удается получать платиновые резисторы сопротивлением 100— 120 Ом, диаметром 2—3 мм, длиной 10—15 мм. Стеклянная армировка повышает инерционность резистора и снижает его температурный коэффициент сопротивления.

Более подходящим материалом для изготовления чувствительных проволочных терморезисторов является вольфрам. До недавнего времени широкому использоваиню вольфрамовых терморезисторов мешала их значительная химическая активность при высоких температурах. Сейчас разработана технология получения золоченой вольфрамовой проволоки, химически стойкой в широком интервале температур. Вольфрам обладает высокой упругостью н малым коэффициентом объемного и линейного расширения. Поэтому вольфрамовые резисторы можно изготавливать в виде спиралей без дополнительной армировки стеклом и другими защитными покрытиями. Поскольку вольфрамовые резисторы обладают малой инерционностью, а следовательно, высокой чувствительностью, их широко используют в качестве чувствительных элементов детекторов газоанализаторов и хромотографов.

Проволочные резисторы имеют высокую стабильность параметров во времени. Выпускаемые промышленностью платиновые терморезисторы (ТСП) и медные терморезнсторы (ТСМ) в металлических защитных кожухах имеют близкие к линейным статические характеристики и градуировочные кривые, постоянные для каждого типа с соответствующим номером градуировки по ГОСТ. Оии полностью взаимозаменяемы и предназначены для работы в стандартных промышленных установках.

3—               Полупроводниковые терморезисторы типов ММТ и КМТ имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, равный 6% на ГС и в десятки раз превышающий температурный коэффициент сопротивления проволочных терморезисторов. Они отличаются малыми размерами, высокими сопротивлениями (до 3000 кОм), работают в интервале температур от —70 до +180° С. Их недостатком является нестабильность характеристик во времени при хранении и эксплуатации, так что разброс их номиналов достигает 20%, вследствие чего отсутствует взаимозаменяемость. Для повышения стабильности терморезисторы перед установкой в схемы предварительно тренируют.

В качестве термодатчиков можно применять полупроводниковые диоды и транзисторы, у которых сопротивления переходов зависят от температуры.

Прибор для измерения температуры внутри массы силоса или сеиа (авторы конструкции Н. И. Лобацевич, В. И. Колот). В качестве датчика температуры (рис. 2-2, а) в нем используется полупро

водниковый резистор Rt. На рис. 2-2, б показана конструкция головки щупа прибора с вмонтированным терморезистором. Головка состоит из наконечника /, изготовленного из хорошо проводящего тепло материала, теплоизоляционной втулки 2 и металлической трубки 3, используемой в качестве жесткого удлинителя. Внутри наконечника размещен терморезистор 4.

Терморегулятор (автор конструкции А. Манзюк). В нем в качестве датчика использован транзистор. Чувствительным элементом терморегулятора (рис. 2-3) является уравновешенный мост, в одно

нз плеч которого включен транзистор Τι (датчик) по схеме с общим эмиттером. Питание моста осуществляется от гальванического элемента Е напряжением 1,5 В. С измерительной диагонали сигнал разбаланса подается через усилитель (транзистор Г4) на вход пускового устройства. Пусковое устройство выполнено по схеме триггера на транзисторах Тг и Гз. Нагрузкой одного из плеч триггера служит электромагнитное реле Pi типа РКН или РЭС, контакты которого включают или выключают силовое реле Рг> Контактная группа реле Ра коммутирует питание нагревательных приборов. Терморегулятор реагирует на изменение температуры в пределах 0,3° С. Его инерционность зависит от типа нагревательного элемента и не превышает 5 с.

Пров олочиые тензорезисторы предназначены для измерения различных деформаций н механических напряжений в конструкциях и материалах. Их принцип работы основан на изменении электрического сопротивления проволоки под действием упругих деформаций сжатия и растяжения.

Тензорезисторы представляют собой тонкую проволоку или фольгу диаметром или толщиной 0,02—0,05 мм, уложенную петлями и приклеенную к тонкой полоске бумаги специальными клеями, наиболее распространенными из которых являются БФ-2, БФ-4, Р-88 (ЦАГИ), карбииольный и др. Бумагу приклеивают к поверхности испытуемого материала так, чтобы направление ожидаемой деформации совпало с длинной стороной петель проволоки или полос фольги. Под действием воспринимаемых деформаций длина н диаметр проволоки, а соответственио й ее сопротивление изменяются. Между относительным удлинением проволоки Δ/// и относительным приращением ее омического сопротивления ARJR существует известная зависимость:

где К — коэффициент теизочувствительности преобразователя (см. табл. 2-1).

На результаты измерения деформаций с тензометрами сопротивления могут оказать искажающее влияние’изменение сопротивления теизорезистора за счет неравенства коэффициентов температурного расширения материала проволоки, клея и исследуемой среды, а также паразитная термо-э. д. с., образующаяся в местах спая концов обмотки тензометра с подводящими проводами. Влияние этих факторов можно ослабить соответствующей подборкой материалов и включением тензодатчиков по дифференциальной компенсационной схеме. При этом погрешность измерения деформаций с помощью тензорезисторов может быть снижена до zt 1-т-2%* Этого вполне достаточно для большинства практических целей. Применяя специальную обработку проволоки н измерительные схемы повышенной чувствительности, можно дополнительно повысить точность.

Тензорезисторы широко используют для измерения перемещений, вибраций, ускорений, деформаций, давлений, распределения нагрузок по элементам конструкций. Практически область их применения трудно ограничить — от испытания металлических конструкций как неподвижных (мосты, опоры, кронштейны, балки), так и находящихся в движении (автомобили, тракторы, подъемные механизмы), до испытания разного рода покрытий (дорожных, аэродромных идр.). Для повышения чувствительности тензометрических измерений тензорезисторы наклеивают на специальные консольные балочки, изгибающие усилия на которые передаются от измеряемых объектов через систему жестких рычагов. Консольные балочки выполняют обычно в виде упругих стальных пластин, одним концом заделанных в опору. Усилия через жесткие рычаги передаются на свободный конец, а тензорезисторы укрепляют с двух сторон, ближе к месту заделки. Использование двух теизорезисторов позволяет вдвое повысить чувствительность измерений. В том случае, когда теизорезистор используется в виброметрах либо для измерения ускорений, на свободный конец балочки помещается инерционная масса. Тензорезисторы в этом случае приклеивают с обеих сторон рядом с местом заделки консольной балки.

Консольную балку иногда заделывают двумя концами в опоры. В этом случае тензорезисторы наклеивают в середине балки. При любой форме консольной балки тензорезисторы размещают в месте максимальных ожидаемых деформаций. При прогибах балки, не превышающих 0,15 ее длины, с помощью теизорезисторов удается осуществлять линейное преобразование измеряемых величии.

Наиболее распространенной схемой включения теизорезисторов, так же как и терморезисторов, является мостовая. Однако в отличие от схем включения терморезисторов тензорезисторы обычно включают во все четыре плеча моста. При этом и измерительные, и компенсационные плечи моста составляют из одинаковых по конструкции и сопротивлению теизорезисторов, благодаря чему удается обеспечить максимальную чувствительность и полную температурную компенсацию, что особенно важно, так как сопротивление тензорезисторов резко зависит от изменения температуры. Тензометрические мосты питаются от источников переменного тока, так как для обеспечения необходимой чувствительности сигнал разбаланса, поступающий с измерительной диагонали моста, приходится усиливать, что проще осуществить на переменном токе. Кроме того, применение селективных усилителей позволяет легко избавиться от наводок и помех. При выборе частоты питающего мост напряжения руководствуются эмпирическим правилом: частота питающего мост напряжения должна быть в 10 раз и более выше ожидаемой частоты изменения деформаций во времени.

Цилиндрический датчик для измерения переменного давления изображен на рис. 2-4, а. На рис, 2-4,6 показана электрическая схе-

Рис. 2-4.

ма соедниеиия тензосопротивлений. Датчик устроен следующим образом. Упругим элементом, воспринимающим давление, служит тонкостенный цилиндр 12, помещенный внутри вставки 3.

К стенкам цилиндрического упругого элемента 12 приклеены рабочие теизорезисторы 10 На глухую массивную часть вставки 3 наклеены термокомпенсационные теизорезисторы 9. Ветерка 3 зажимается в корпусе датчика опорной гайкой 2 через прокладку 8. Прокладка 7 обеспечивает необходимую герметизацию внутренней полости датчика. В изоляционную втулку 11 запрессованы выводные контакты 5 и б. По полости, ограниченной с одной стороны цилиндрической оболочкой 13, а с другой внутренней поверхностью корпуса /, протекает охлаждающая жидкость, поступающая через штуцер 4.

Ожидаемая максимальная деформация ε поверхности цилиндра может быть найдена по формуле:

где Р — давление; R — радиус цилиндра; Е — модуль упругости; И — толщина стенок.

Цилиндрический датчик давления малочувствителен и используется обычно для измерения больших быстроизменяющихся давлений, например при испытании двигателей внутреннего сгорания.

Тензометрическая установка изображена на рис. 2-5. Тензометрический датчик подсоединяется к установке двухжильиым экранированным кабелем. Генератор типа RC на частоту 1—5 кГц выполнен на «правой» половине лампы Ль. Напряжение усиливается двухкаскадным усилителем, выполненным на лампах Л$ и Лб с трансформаторным выходом. Для стабилизации выходного напряжения часть сигнала со вторичной обмотки трансформатора Tpt выпрямляется левой половиной лампы Л4 н через П-образный фильтр с большой постоянной времени подается на управляющую сетку лампы Ль. Прн такой схеме автоматической стабилизации колебания напряжения литания не сказываются на амплитуде напряжения, питающего измерительный мост. Измерительный мост состоит из резисторов Ri— Rs и сопротивлений тензорезисторов датчика. С помощью резистора Rz производится начальная балансировка моста. Сигнал разбаланса моста, снимаемый с резистора /?4, подается и а сетку левой половины лампы Л i трехкаскадного усилителя С лампы Л± через двойной Т-образиый фильтр, настроенный на частоту питающего мост напряжения, сигнал разбаланса поступает на следующие каскады и после усиления и выпрямления на вход светолучевого осциллографа.

Обычно тензометрический метод применяют для контроля деформаций в нескольких точках и соответственно используют многоканальные регистрирующие приборы. При этом в отдельных каналах используют идентичные усилители и общий генератор для питания нескольких мостов. Число каналов ограничивается либо условиями задачи, либо количеством действующих каналов в используемом светолучевом (шлейфовом) осциллографе.

Двухканальная тензостанция (автор конструкции К. В. Качурии). Каждый канал тензостанции выполнен по идентичным схемам и представляет собой трехкаскадный балансный усилитель (рис. 2-6). Первый каскад выполнен по схеме усилителя напряжения на транзисторах Тз и 7+ Он усиливает сигнал, поступающий на базу со входных зажимов /, 2. Второй и третий каскады (транзисторы 7+ Тз, Га, Т$) выполнены по схемам эмиттериых повторителей. При этом нагрузкой третьего каскада служат рамка миллиамперметра и «шлейфы» осциллографа.

К зажимам 1-~4 подключается измерительный мост, причем диагональ моста, на которую подается питание, соединяется с зажимами 3, 4, а измерительная диагональ — с зажимами ί, 2. Сопротивление Rz предназначено для регулировки чувствительности, а с помощью резистора R$ производится начальная балансировка моста.

Тензометрический мост питается постоянным током от внешней батареи, подключаемой к зажимам 5 и 6. Питание усилителя осуществляется от батареи для карманного фонаря (+4,5 В), установленной в корпусе прибора. Батарея питания усилителя рассчитана на 30—40 ч работы. Выключатели Вк± и Вк2 позволяют раздельно включать питание усилителя и моста. Каждый из двух усилителей тензостанции питается от отдельной батареи. Питание обоих тензометрических мостов осуществляется от одной батареи.

Балансировка усилителей производится с помощью резисторов Rio, Ris и кнопок Rhi и Кн2 следующим образом. При нажатни нормально замкнутой кнопки Кнι (разомкнутый вход) с помощью резистора Rio устанавливают на нуль стрелку миллиамперметра. Затем

при нажатой нормально разомкнутой кнопке /Ск3 (замкнутый вход) устанавливают на нуль стрелку миллиамперметра потенциометром Я is- После этого, нажимая на кнопку Кни корректируют положение стрелки резистором Rto, а затем, нажимая на кнопку /С«2, — резистором Я is. В такой последовательности продолжают регулировку до тех пор, пока стрелка миллиамперметра не будет оставаться на нуле как при замкнутом, так и при разомкнутом входе усилителя.

Для уменьшения дрейфа нуля желательно подобрать транзисторы первого каскада с одинаковым и возможно меньшим обратиым током коллектора, с одинаковыми зависимостями тока коллектора от тока базы и напряжения базы, с одинаковыми температурными, изменениями обратного тока коллектора. В качестве миллиамперметров в приборе могут использоваться миллиамперметры любого типа с током полного отклонения не больше 200 мкА и нулем посередине шкалы (М-24 и др.). При проведении измерений осциллограф подключают к зажимам 7 и 8. Напряжение питания, получаемое от отдельной батареи, выбирают таким, чтобы ток, протекающий через тензорезисторы, не превышал 50 мА.

Тензостанция предназначена для работы со шлейфовыми осциллографами типа МПО-2, входные сопротивления которых 13 Ом. Она имеет следующие параметры: усиление 60 дБ, входное сопротивление 600 Ом, максимальный выходной ток 4 мА, частотная характеристика линейна от 0 до 20 кГц, дрейф нуля по выходному току в течение 1 ч не превышает 0,1 мА.

Станция может работать в широком интервале температур. Для предотвращения влияния резких изменений температур прн работе на открытом воздухе, вызывающих повышенный дрейф нуля, корпус станции изготовлен из дерева и окрашен белой краской. Значение дрейфа также зависит от тщательности подбора пары транзисторов первого усилительного каскада.

Источник: Смирнов А. Д., Радиолюбители — народному хозяйству. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Энергия, 1978. — 320 с., ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 957).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты