Робота вимірювальних перетворювачів протікає у складних умовах, оскільки об'єкт виміру - це, зазвичай, складний, багатогранний процес, характеризується безліччю параметрів, кожен із яких діє вимірювальний перетворювач разом із іншими параметрами. Нас же цікавить лише один параметр, який називається вимірюваною величиною,а всі інші параметри процесу вважаються перешкодами.Тому у кожного вимірювального перетворювача встановлюється його природна вхідна величина,яка найкраще сприймається ним на тлі перешкод. Подібним чином можна виділити природну вихідну величинувимірювального перетворювача.
Перетворювачі неелектричних величин в електричні з точки зору виду сигналу на його виході можуть бути поділені на генераторні, що видають заряд, напругу або струм (вихідна величина Е = F (X) або I = F(X) і внутрішній опір ZBH = const), і параметричні з вихідним опором, індуктивністю або ємністю, що змінюються відповідно до зміни вхідної величини (ЕРС Е = 0 і вихідна величина у вигляді зміни R, L або З функції X).
Відмінність між генераторними та параметричними перетворювачами обумовлена їх еквівалентними електричними схемами, що відображають фундаментальні відмінності у природі використовуваних у перетворювачах фізичних явищ. Генераторний перетворювач є джерелом електричного сигналу, що безпосередньо видається, а вимірювання змін параметрів параметричного перетворювача проводиться побічно, по зміні струму або напруги в результаті його обов'язкового включення в схему із зовнішнім джерелом живлення. Електрична схема безпосередньо пов'язана з параметричним перетворювачем, формує його сигнал. Таким чином, сукупність параметричного перетворювача та електричної схеми є джерелом електричного сигналу.
За фізичним явищем, покладеним в основу роботи, та типом вхідної фізичної величини генераторні та параметричні перетворювачі діляться на ряд різновидів (рисунок 2.3):
Генераторні - на п'єзоелектричні,
Термоелектричні тощо;
резистивні - на контактні,
Реостатні і т. д.;
Електромагнітні – на індуктивні,
Трансформаторні та ін.
По виду модуляції всі ІП діляться на великі групи: амплітудні і частотні, тимчасові, фазові. Останні три різновиди мають багато спільного і тому об'єднані в одну групу.
Рис. 2.3. Класифікація вимірювальних перетворювачів неелектричних величин електричні.
2. За характером перетворення вхідні величини:
Лінійні;
Нелінійні.
3. За принципом дії первинного вимірювального перетворювача (ПІП) поділяються на:
Генераторні;
Параметричні.
Вихідним сигналом генераторних ПІП є ЕРС, напруга, струм та електричний заряд, функціонально пов'язані з вимірюваною величиною, наприклад, ЕРС термопари.
У параметричних ПІП вимірювана величина викликає пропорційну зміну параметрів електричної ланцюга: R, L, C.
До генераторних відносяться:
індукційні;
П'єзоелектричні;
Деякі різновиди електрохімічні.
резистивні ІП - Перетворять вимірювану величину в опір.
Електромагнітні ІП – перетворять на зміну індуктивності або взаємоіндукцію.
Ємнісні ІП - Перетворять на зміну ємності.
П'єзоелектричні ІП – перетворюють динамічне зусилля на електричний заряд.
Гальваномагнітні ІП - засновані на ефекті Холла перетворять діюче магнітне поле в ЕРС.
Теплові ІП - вимірювану температуру перетворюють на величину термоопору або ЕРС.
Оптоелектронні ІП - Перетворюють оптичні сигнали в електричні.
Для датчиків основними характеристиками є:
Діапазон робочих температур та похибка в цьому діапазоні;
Узагальнені вхідні та вихідні опори;
Частотна характеристика.
У промисловому застосуванні похибка датчиків, що використовуються у процесах регулювання, має бути не більше ніж 1–2%. Для завдань контролю – 2 – 3%.
2.1.3. Схеми включення первинних вимірювальних перетворювачів
Первинні вимірювальні перетворювачі бувають:
Параметричні;
Генераторні.
Схеми включення параметричних первинних вимірювальних перетворювачів поділяють на:
Послідовне включення:
Диференціальне включення:
З одним первинним вимірювальним перетворювачем;
З двома первинними вимірювальними перетворювачем;
Мостові схеми включення:
Симетричний неврівноважений міст із одним активним плечем;
Симетричний неврівноважений міст із двома активними плечима;
Симетричний неврівноважений міст із чотирма активними плечима.
Схеми включення генераторних вимірювальних перетворювачів поділяються на:
Послідовні;
Диференціальні;
Компенсаційні.
Генераторні не потребують джерела енергії, а параметричні потребують. Дуже часто генераторні можна як джерело ЕРС, а параметричні можна як активний чи реактивний резистор, опір якого змінюється зі зміною вимірюваної величини.
Послідовне та диференціальне включення може застосовуватися як до параметричних, так і до генераторних ІП. Компенсаційна схема – до генераторних. Мостова – до параметричних.
2.1.3.1. Схеми послідовного включення параметричних вимірювальних перетворювачів
Послідовне включення одного параметричного вимірювального перетворювача (рис.2.4):
Рис. 2.4. Послідовне включення одного параметричного ІП.
https://pandia.ru/text/80/219/images/image012_106.gif" width="137" height="45 src=">;
https://pandia.ru/text/80/219/images/image014_89.gif" width="247" height="65 src=">;
https://pandia.ru/text/80/219/images/image016_83.gif "width="116) - чутливість по струму;
- чутливість до напруги;
Чутливість за потужністю;
Рис. 2.5. Вихідні характеристики послідовно включеного ІП:
а – реальна; б – ідеальна.
Послідовне включення двох параметричних вимірювальних перетворювачів (рис.2.6).
Рис.2.6. Послідовне включення двох параметричних ІП.
https://pandia.ru/text/80/219/images/image022_71.gif" width="88" height="24 src=">;
У параметричних перетворювачах вихідною величиною є параметр електричного кола (R, L, М, С). При використанні параметричних перетворювачів необхідно додаткове джерело живлення, енергія якого використовується для утворення вихідного сигналу перетворювача.
Реостатні перетворювачі. Реостатні перетворювачі ґрунтуються на зміні електричного опору провідника під впливом вхідної величини – переміщення. Реостатний перетворювач є реостат, щітка (рухливий контакт) якого переміщується під впливом неелектричної величини, що вимірювається.
До переваг перетворювачів відноситься можливість отримання високої точності перетворення, значних за рівнем вихідних сигналів і відносна простота конструкції. Недоліки - наявність ковзного контакту, необхідність щодо великих його переміщень, котрий іноді значного зусилля для переміщення.
Застосовують реостатні перетворювачі для перетворення порівняно великих переміщень та інших неелектричних величин (зусилля, тиску тощо), які можуть бути перетворені на переміщення.
Тензочутливі перетворювачі(тензорезистори). В основу роботи перетворювачів покладено тензоефект, що полягає в зміні активного опору провідника (напівпровідника) під дією механічної напруги і деформації, що викликається в ньому.
Рис. 11-6. Тензочутливий дротяний перетворювач
Якщо дріт піддати механічному впливу, наприклад, розтягуванню, то опір його зміниться. Відносна зміна опору дроту 
де S - коефіцієнт тензочутливості; - відносна деформація дроту.
Зміна опору дроту при механічному впливі на нього пояснюється зміною геометричних розмірів (довжини, діаметра) та питомого опору матеріалу.
У тих випадках, коли потрібна висока чутливість, знаходять застосування тензочутливі перетворювачі, виконані у вигляді смужок з напівпровідникового матеріалу. Коефіцієнт S у таких перетворювачів досягає кількох сотень. Однак відтворюваність параметрів напівпровідникових перетворювачів погана. В даний час серійно випускають інтегральні напівпровідникові тензорезистори, що утворюють міст або напівміст з елементами термокомпенсації.
Як вимірювальні ланцюги для тензорезисторів використовують рівноважні і нерівноважні мости. Тензорезистори застосовують для вимірювання деформацій та інших неелектричних величин: зусиль, тиску, моментів.
Термочутливі перетворювачі(Терморезистори). Принцип дії перетворювачів ґрунтується на залежності електричного опору провідників або напівпровідників від температури.
Для вимірювання температури найбільш поширені терморезистори, виконані з платинового або мідного дроту. Стандартні платинові терморезистори застосовують для вимірювання температури в діапазоні від -260 до +1100°С, мідні - в діапазоні від -200 до +200 "С.
Для вимірювання температури застосовують також напівпровідникові терморезистори (термістори) різних типів, які характеризуються більшою чутливістю (ТКС термісторів негативний і при 20°С у 10-15 разів перевищує ТКС міді та платини) і мають більш високі опори (до 1 МОм) при дуже малих Нестача термісторів - погана відтворюваність і нелінійність характеристики перетворення:
де R T і Ro - опору термістора при температурах Т і То, Початкова температура робочого діапазону; В – коефіцієнт.
Термістори використовують у діапазоні температур від -60 до +120°С.
Для вимірювання температури від -80 до +150 °С застосовують термодіоди та термотранзистори, у яких під дією температури змінюється опір р-n переходу та падіння напруги на цьому переході. Ці перетворювачі зазвичай включають у мостові ланцюги та ланцюги у вигляді дільників напруги.
Достоїнствами термодіодів та термотранзисторів є висока чутливість, малі розміри та мала інерційність, висока надійність та дешевизна; недоліками - вузький температурний діапазон та погана відтворюваність статичної характеристики перетворення.
Електролітичні перетворювачі. Електролітичні перетворювачі ґрунтуються на залежності електричного опору розчину електроліту від його концентрації. Здебільшого їх застосовують для вимірювання концентрацій розчинів.
Індуктивні перетворювачі. Принцип дії перетворювачів ґрунтується на залежності індуктивності або взаємної індуктивності обмоток на магнітопроводі від положення, геометричних розмірів та магнітного стану елементів їх магнітного ланцюга.
рис 11-12 Магнітопровід із зазорами та двома обмотками
Індуктивність обмотки, розташованої на магнітопроводі, де Zm - магнітний опір магнітопроводу; - число витків обмотки.
Взаємна індуктивність двох обмоток, розташованих на тому ж магнітопроводі, 
, де і - число витків першої та другої обмоток. Магнітний опір визначається виразом
де 
- активна складова магнітного опору (розсіюванням магнітного потоку нехтуємо); - відповідно довжина, площа поперечного перерізу та відносна магнітна проникність i-ї ділянки магнітопроводу; mо - магнітна стала; d – довжина повітряного зазору; s - площа поперечного перерізу повітряної ділянки магнітопроводу, 
- реактивна складова магнітного опору; Р - втрати потужності в магнітопроводі, зумовлені вихровими струмами та гістерезисом; w-кутова частота; Ф - магнітний потік у магнітопроводі.
Наведені співвідношення показують, що індуктивність та взаємну індуктивність можна змінювати, впливаючи на довжину d, перетин повітряної ділянки магнітопроводу s, на втрати потужності в магнітопроводі та іншими шляхами.
Порівняно з іншими перетворювачами переміщення індуктивні перетворювачі відрізняються значними за потужністю вихідними сигналами, простотою та надійністю у роботі.
Недолік їх - зворотний вплив перетворювача на об'єкт, що досліджується (вплив електромагніту на якір) і вплив інерції якоря на частотні характеристики приладу.
Ємнісні перетворювачі. Ємнісні перетворювачі засновані на залежності електричної ємності конденсатора від розмірів, взаємного розташування обкладок і від діелектричної проникності середовища між ними.
Для двообкладного плоского конденсатора електрична ємність , де - Постійна електрична; - Відносна діелектрична проникність середовища між обкладками; s – активна площа обкладок; d – відстань між обкладками. Чутливість перетворювача зростає із зменшенням відстані d. Такі перетворювачі використовують для виміру малих переміщень (менше 1 мм).
Мале робоче переміщення пластин призводить до похибки зміни відстані між пластинами при коливаннях температури. Вибором розмірів деталей перетворювача та матеріалів домагаються зниження цієї похибки.
Перетворювачі застосовують для вимірювання рівня рідини, вологості речовин, товщини виробів з діелектриків.
Рис. 11-16. Схема іонізаційного перетворювача
Іонізаційні перетворювачі. Перетворювачі ґрунтуються на явищі іонізації газу або люмінесценції деяких речовин під дією іонізуючого випромінювання.
Якщо камеру, що містить газ, піддати опроміненню, наприклад, b-променями, між електродами, включеними в електричний ланцюг (рис. 11-16), потече струм. Цей струм залежить від прикладеного до електродів напруги, від щільності та складу газового середовища, розміру камери та електродів, властивостей та інтенсивності іонізуючого випромінювання. Ці залежності використовують для вимірювання різних неелектричних величин: щільності та складу газового середовища, геометричних розмірів деталей.
Як іонізуючі агенти застосовують a-, b- і g-промені радіоактивних речовин, значно рідше - рентгенівські промені та нейтронне випромінювання.
Основна перевага приладів, що використовують іонізуючі випромінювання, полягає у можливості безконтактних вимірювань, що має велике значення, наприклад, при вимірюваннях в агресивних або вибухонебезпечних середовищах, а також в середовищах, що знаходяться під великим тиском або мають високу температуру. Основний недолік цих приладів - необхідність застосування біологічного захисту при високій активності джерела випромінювання.
Перетворювачі фізичних величин на електричний сигнал- один з основних елементів автоматичних систем контролю та управління вимірювальних та регулюючих приладів, що багато в чому визначає їх експлуатаційні характеристики, наприклад ступінь автоматизації, точність, швидкодія. Розробка багатофункціональних перетворювачів (МФП) ґрунтується на досягненнях у галузі автоматики, обчислювальної техніки, радіоелектроніки, інформаційно-вимірювальної техніки, метрології.
Канал передачі інформації про фізичну величину складається з послідовно включених ланок, здійснюють перетворення її в електричний сигнал, функціональне перетворення електричного сигналу, масштабне перетворення, перетворення до виду, придатного для подальшого використання (індикації, вимірювання, реєстрації, документування, формування керуючого впливу). Сукупність послідовно включених ланок, здійснюють перераховані операції, - перетворювач фізичної величини. Відповідно до цього визначення узагальнена структурна схема перетворювача може бути представлена (рис. 1), що складається з чутливого елемента ЧЕ, первинного перетворювача ПП, функціонального перетворювача ФП, масштабного перетворювача МП, вторинного (вихідного) перетворювача ВП.
Рис. 1. Узагальнена структурна схема перетворювача
Функціональний та масштабний перетворювачі часто називають проміжними. Залежно від конкретного призначення перетворювача в цілому та виду перетворюваної фізичної величини ФП та МП у структурі можуть бути відсутніми. У ряді випадків їх функції виконують ланки ПП та ВП.
Основне рівняння перетворення- залежність між вхідною величиною x(t), що перетворюється, і вихідний yo(t). Ця залежність іноді називається функцією перетворення. Для ідеалізованого випадку - відсутності будь-яких зовнішніх обурювальних та дестабілізуючих впливів, що впливають на перетворювач, залежність має вигляд:
yo(t)=Fo.
Вимірювальні перетворювачі
Вимірювальний перетворювач- технічний засіб з нормованими метрологічними характеристиками, що служить для перетворення вимірюваної величини в іншу величину або вимірювальний сигнал, зручний для обробки, зберігання, подальших перетворень, індикації та передачі, але не сприймається оператором. ІП або входить до складу якого-небудь вимірювального приладу (вимірювальної установки, вимірювальної системи та ін.) або застосовується разом із засобом вимірювань.
За характером перетворення:
-Аналоговий вимірювальний перетворювач- вимірювальний перетворювач, що перетворює одну аналогову величину (аналоговий вимірювальний сигнал) на іншу аналогову величину (вимірювальний сигнал);
-Аналого-цифровий вимірювальний перетворювач- вимірювальний перетворювач, призначений для перетворення аналогового вимірювального сигналу на цифровий код;
-Цифро-аналоговий вимірювальний перетворювач- Вимірювальний перетворювач, призначений для перетворення числового коду в аналогову величину.
За місцем у вимірювальному ланцюгу :
-Первинний вимірювальний перетворювач- вимірювальний перетворювач, який безпосередньо впливає вимірювана фізична величина. Первинний вимірювальний перетворювач є першим перетворювачем вимірювального ланцюга вимірювального приладу;
-Датчик- конструктивно відокремлений первинний вимірювальний перетворювач;
-Детектор- датчик у галузі вимірювань іонізуючих випромінювань;
-Проміжний вимірювальний перетворювач- вимірювальний перетворювач, що займає місце у вимірювальному ланцюзі після первинного перетворювача.
За іншими ознаками:
-Передавальний вимірювальний перетворювач- Вимірювальний перетворювач, призначений для дистанційної передачі сигналу вимірювальної інформації;
-Масштабний вимірювальний перетворювач- вимірювальний перетворювач, призначений для зміни розміру величини або вимірювального сигналу задане число разів.
за принципом дії ІП діляться на генераторні та параметричні.
Параметричні перетворювачі
Пристрої, що містять не менше двох поверхонь, між якими діє електричне поле, називаються електростатичними перетворювачами(ЕСП). Електричне поле створюється ззовні доданою напругою або виникає при дії на вхід перетворювача вимірювального сигналу.
1. Перетворювачі, в яких електричне поле створюється доданою напругою, складають групу ємнісних перетворювачів . Основним елементом цих перетворювачах є конденсатор змінної ємності, змінюваної вхідним вимірювальним сигналом.
Електростатичний перетворювач
Основною характеристикою конденсатора є його ємність, що характеризує здатність конденсатора накопичувати електричний заряд. У позначенні конденсатора фігурує значення номінальної ємності, тоді як реальна ємність може змінюватися залежно від багатьох чинників. Реальна ємність конденсатора визначає його електричні властивості. Так, за визначенням ємності, заряд на обкладинці пропорційний напрузі між обкладинками ( q = CU ). Типові значення ємності конденсаторів становлять від одиниць пикофарад до сотень мікрофарад. Однак існують конденсатори (іоністори) з ємністю до десятків фарад.
Ємність плоского конденсатора, що складається з двох паралельних металевих пластин площею Sкожна, розташованих на відстані dодин від одного, у системі СІ виражається формулою:
Де - відносна діелектрична проникність середовища, що заповнює простір між пластинами (у вакуумі дорівнює одиниці), - електрична постійна, чисельно рівна Ф/м (ця формула справедлива, лише коли dнабагато менше лінійних розмірів пластин).
Зміна будь-якого з цих параметрів змінює ємність конденсатора.
Конструкція ємнісного датчика проста, він має малі масу та розміри. Його рухливі електроди можуть бути досить жорсткими, з високою частотою, що дає можливість вимірювати швидкозмінні величини. Ємнісні перетворювачі можна виконувати із заданою (лінійною або нелінійною) функцією перетворення. Для отримання необхідної функції перетворення часто достатньо змінити форму електродів. Відмінною особливістю є мінімальна сила тяжіння електродів.
Основним недоліком ємнісних перетворювачів є мала їх ємність і високий опір. Для зменшення останнього перетворювачі живляться напругою високої частоти. Однак це зумовлює інший недолік – складність вторинних перетворювачів. Недоліком є те, що результат вимірювання залежить від зміни параметрів кабелю. Для зменшення похибки вимірювальний ланцюг і вторинний прилад мають поблизу датчика.
Приклад застосування:Ємнісний сенсорний екран у загальному випадку є скляною панеллю, на яку нанесений шар прозорого резистивного матеріалу. По кутах панелі встановлені електроди, що подають на провідний шар низьковольтну змінну напругу. Оскільки тіло людини здатне проводити електричний струм і має деяку ємність, при торканні екрана в системі з'являється витік. Місце цього витоку, тобто точку торкання, визначає найпростіший контролер на основі даних електродів по кутах панелі.
2. резистивними називають перетворювачі, у яких переносником вимірювальної інформації є електричний опір. Резистивні перетворювачі становлять дві великі групи: електричні та механоелектричні. В основу принципу перетворення електричних резистивних перетворювачів (шунтів, додаткових резисторів, резистивних дільників тощо) покладено залежність між напругою, струмом та електричним опором, що визначається законом Ома, та залежність електричного опору провідника від його довжини, питомого опору.
Принцип роботи механоелектричних резистивних перетворювачів (наприклад, реостатних) заснований на зміні електричного опору під дією вхідної механічної величини, що перетворюється. До резистивних перетворювачів часто відносять і тензорезистори, принцип дії яких ґрунтується на зміні електричного опору різних матеріалів під дією механічної деформації. Тензорезистори можуть вимірювати і перетворити різноманітні фізичні величини в електричні сигнали і широко застосовуються в датчиках сили, тиску, переміщення, прискорення або моменту, що обертає. Як матеріали таких перетворювачів використовуються провідники з дротяними та фольговими чутливими елементами або напівпровідники. Останнім часом для побудови тензоперетворювачів стали застосовувати ефекти зміни характеристик р-п переходів під тиском механічного впливу (тензодіоди та тензотранзистори).
3. Електромагнітні перетворювачі становлять дуже велику та різноманітну за принципом дії та за призначенням групу перетворювачів, об'єднаних спільністю теорії, принципу перетворення, заснованого на використанні електромагнітних явищ.
Це масштабні електромагнітні перетворювачі (вимірювальні трансформатори, індуктивні дільники напруги та струму), індуктивні трансформаторні та автотрансформаторні перетворювачі неелектричних величин, а також індуктивні та індукційні перетворювачі.
4. Генераторні перетворювачі (датчики) видають на вихід вимірювальний сигнал за рахунок власної внутрішньої енергії і не потребують будь-яких зовнішніх джерел. Характерним прикладом такого роду датчика може бути датчик швидкості обертання типу тахогенератора. Розвивається тахогенератором ЕРС може бути пропорційною швидкості обертання його ротора.
До генераторних датчиків відносяться:
- термоелектричні;
- індукційні;
- п'єзоелектричні;
- фотоелектричні.
Основні параметри датчиків
Статична характеристикадатчика є залежністю зміни вихідної величини від вхідної величини
y=f(x)
Чутливість датчика- відношення збільшення вихідної величини до збільшення вхідної величини
S = Ay/Ax
Поріг чутливості датчика- Найменше значення вхідної величини, що спричиняє появу сигналу на виході.
Інерційність датчика- час, протягом якого вихідна величина набуває значення, що відповідає вхідній величині.
IV. Класифікація перетворювачів.
(повернутись до змісту)
Вимірювальна інформація, що отримується від контрольованого об'єкта, передається у вимірювальну систему у вигляді сигналів будь-якого виду енергії та перетворюється з одного виду енергії на інший. Необхідність такого перетворення викликана тим, що первинні сигнали не завжди зручні для передачі, переробки, подальшого перетворення та відтворення. Тому при вимірі неелектричних величин сприймаються чутливим елементом сигнали перетворюються на електричні сигнали, що є універсальними.
Та частина приладу, в якій неелектричний сигнал, що вимірюється, перетворюється на електричний, називається перетворювачем.
Відомо багато електричних методів виміру неелектричних величин. Для зручності вивчення введемо класифікацію цих методів за видом зв'язку між електричними та неелектричними величинами:
Параметричні перетворювачі, в яких вимірювана неелектрична величина перетворюється на відповідне зміна параметрів електричного ланцюга, що живляться зовнішніми джерелами ЕРС. При цьому сигнали, отримані від об'єкта, що вимірювається, служать тільки для управління енергією стороннього джерела, включеного в ланцюг.
Генераторні перетворювачі, У яких сигнали, одержувані від вимірюваного об'єкта, безпосередньо перетворюються на електричні сигнали. При цьому бажаний ефект перетворення можна отримати без використання сторонніх джерел ЕРС.
До параметричних відносять методи, що ґрунтуються на зміні опору, ємності та індуктивності електричних ланцюгів.
До генераторних відносяться електромагнітний, термоелектричний, п'єзоелектричний та інші методи.
Входом є якась величена X, але в виході електричний сигнал(Y).
(*)
x => ΔF => Δх => ΔR
Перетворення фізичної величини х електричний сигнал. Для візуалізації параметрів R, L, C, M до них слід підвести генератор електричної потужності
(*) До таких ланцюгів застосовуються закони розрахунку електроланцюгів.
1.1 Метод опору.
У цьому вся методі використовується залежність електричного опору резисторів від різних неелектричних величин.
Наприклад, зміна омічного опору дротяного реостата при переміщенні ковзного контакту під дією механічних сил.
Вихідною величиною параметричних перетворювачах є параметр електричної ланцюга – електричний опір або його складові (R, L, C). Для використання параметричного перетворювача необхідне додаткове джерело живлення, що забезпечує утворення вихідного сигналу перетворювача.
До найчастіше застосовуваних параметричних перетворювачів відносяться реостатні, тензочутливі (тензорезистори), термочутливі (терморезисториабо термометри опору), індуктивні, ємнісні, оптоелектронні(фоторезистори, фотодіодита ін.), іонізаційніта ін.
Принцип дії реостатних перетворювачівґрунтується на зміні електричного опору провідника під впливом вхідної величини – механічного переміщення. Реостатний перетворювач (рис.3.1) є реостатом, рухомий контакт якого перемішується під дією вимірюваної неелектричної величини. Обмотку перетворювача виготовляють із сплавів (платина з іридієм, константан, ніхром, фехраль та ін.).
Подібні перетворювачі мають статичну характеристику перетворення зі ступінчастим характером, оскільки опір вимірюється стрибками, рівними опору одного витка, що викликає похибку.
де DR - Опір одного витка;
R – повний опір перетворювача.
Ця похибка відсутня в реохорднихперетворювачах, у яких щітка ковзає вздовж осі дроту.
Для отримання нелінійної функції перетворення застосовують функціональніреостатні перетворювачі. Потрібний характер перетворення часто досягається профільуванням каркасу перетворювача (рис.3.1, в).
Переваги реостатного перетворювача: відносна простота конструкції, можливість отримання високої точності перетворення та значних за рівнем вихідних сигналів. Основний недолік - наявність ковзного контакту.
Тензоефект, покладений основою роботи тензорезисторів, полягає у вимірі активного опору провідника (напівпровідника) під дією механічного напруження і деформації, що викликається в ньому.
Якщо дріт піддати механічному впливу, наприклад, розтягуванню, то опір його зміниться. Відносна зміна опору дроту
D R/R = S ∙ D l/l ,
де S- Коефіцієнт тензочутливості;
D l/l- Відносна деформація дроту.
Зміна опору дроту при механічному впливі на нього пояснюється зміною геометричних розмірів (довжини, діаметра) та питомого опору матеріалу.
Тензочутливі дротяні перетворювачіявляють собою тонкий зигзагоподібно покладений і приклеєний до підкладки дріт. Перетворювач встановлюють таким чином, щоб напрямок очікуваної деформації збігалося з поздовжньою віссю дротяних ґрат. Як матеріал для перетворювача зазвичай використовують константановий дріт (у константану - малий температурний коефіцієнт опору) і для підкладки - тонкий папір (0,03 ... 0,05 мм) і плівку лаку або клею (БФ-2, БФ-4, бакелітовий і ін).
Розповсюдження також отримали фольгові перетворювачі, у яких замість дроту використовується фольга, та плівкові тензорезистори, одержувані шляхом сублімації тензочутливого матеріалу з подальшим осадженням його на підкладку.
Переваги тензорезисторів: лінійність статичної характеристики перетворення, простота конструкції та малі габарити. Основний недолік – низька чутливість.
У випадках, коли потрібна висока чутливість, знаходять застосування напівпровідниковітензочутливі перетворювачі (полікристалічні з порошкоподібного напівпровідника та монокристалічні з кристалу кремнію). Оскільки чутливість напівпровідникових тензорезисторів у десятки разів вища, ніж у металевих, і, крім того, інтегральна технологія дозволяє в одному кристалі кремнію формувати одночасно як тензорезистори, так і мікроелектронний блок обробки, то останні роки отримали переважний розвиток інтегральні напівпровідникові тензочутливі тензоперетворювачі. Такі елементи реалізуються або за технологією дифузійних резисторів з ізоляцією їх від провідної кремнієвої підкладки p-n-переходами – технологія «кремній на кремнії», або за гетероепітаксіальною технологією «кремній на діелектриці» на склокераміці, кварці або сапфірі. Для тензочутливих перетворювачів, особливо напівпровідникових, істотно вплив температури на їх пружні та електричні характеристики, що потребує застосування спеціальних схем температурної компенсації похибок (зокрема, з цією метою у розширеній схемі тензомостувикористовуються компенсаційні резистори та терморезистори). Особливо широке застосування у виготовленні вимірювальних перетворювачів тискучерез свої високі механічні, ізолюючі та теплостійкі якості отримала технологія КНС – «кремній на сапфірі».
Удосконалення технології виготовлення напівпровідникових тензорезисторів створило можливість виготовляти тензорезистори безпосередньо на кристалічному елементі, виконаному із кремнію або сапфіру. Пружні елементи кристалічних матеріалів мають пружні властивості, що наближаються до ідеальних. Зчеплення тензорезистора з мембраною за рахунок молекулярних сил дозволяють відмовитися від використання матеріалів і поліпшити метрологічні характеристики перетворювачів. На рис.3.2 а показана сапфірова мембрана 3 з розташованими на ній односмуговими тензорезисторами p-типу з позитивною 1 та негативною 2 чутливості. Позитивною чутливістю має тензорезистор, у якого відношення >0, якщо ж<0 – чувствительность отрицательна.
Структура односмужкового тензорезистора наведено на рис.3.2, б. Тут: 1 - тензорезистор; 2 - захисне покриття; 3 - металізовані струмопровідні доріжки; 4 - Пружний елемент перетворювача (сапфірова мембрана). Тензорезистори можна розташовувати на мембрані так, що при деформації вони будуть мати різні за знаком збільшення опору. Це дозволяє створювати мостові схеми, кожне з плечей якого включаються тензорезистори з відповідним значенням і навіть термокомпенсаційні елементи.
Тензорезистори застосовують для вимірювання деформацій та інших неелектричних величин – зусиль, тиску, моментів тощо.
Принцип дії терморезисторазаснований на залежності електричного опору провідників або напівпровідників від температури. За режимом роботи терморезистори розрізняють перегрівніі без навмисного перегріву. Перегрівні використовують для вимірювання швидкості, щільності, складу середовища та ін. У перегрівних перетворювачах електричний струм викликає перегрів, що залежить від властивостей середовища. Останні використовуються для вимірювання температури навколишнього середовища.
Поширення отримали терморезистори, виконані з мідного або платинового дроту. Стандартні платинові терморезисторизастосовують для вимірювання температури в діапазоні від -260 до +1100 °С, мідні– у діапазоні від –200 до +200 °С (ГОСТ 6651–78). Низькотемпературні платинові терморезистори (ГОСТ 12877-76) застосовують для вимірювання температури в межах від -261 до -183°С.
На рис.3.3, апоказано влаштування платинового терморезистора. У каналах керамічної трубки 2 розташовані дві (або чотири) секції спіралі 3 із платинового дроту, з'єднані між собою послідовно.
 |
Рисунок 3.3 − Пристрій та зовнішній вигляд арматури платинового
термометра опору
До кінців спіралі припаюють висновки 4, використовувані для включення терморезистора у вимірювальний ланцюг. Кріплення висновків та герметизацію керамічної трубки виробляють глазур'ю 1 . Канали трубки засипають порошком безводного оксиду алюмінію, що виконує роль ізолятора та фіксатора спіралі. Порошок безводного оксиду алюмінію, що має високу теплопровідність та малу теплоємність, забезпечує хорошу передачу теплоти та малу інерційність терморезистора. Для захисту терморезистора від механічних та хімічних впливів зовнішнього середовища його поміщають у захисну арматуру (рис.3.3, б)з нержавіючої сталі.
Для мідних терморезисторів залежність опору від температури виражається рівнянням
R=R 0 ∙ (1+α t) при -50 0 С ≤ t≤ +180 0 С,
де R 0 - опір при t=0 0 З; α = 4,26∙10 –3 До –1 .Для платинових –
R=R 0 ∙ при 0 0 З ≤ t≤ +650 0 С,
де А = 3,968∙10 –3 До –1 ; В= 5,847∙10 –7 До –2 ; З=–4,22∙10 –12 К –4 .
Крім платини та міді, для виготовлення терморезисторів використовують нікель(У країнах далекого зарубіжжя).
Для вимірювання температури застосовують також напівпровідникові терморезистори ( термісториі позистори) різних типів, які характеризуються великою чутливістю (температурний коефіцієнт опору ТКС термісторів негативний і при 20°С в 10–15 разів перевищує ТКС міді та платини, ТКС позисторів позитивний і дещо гірший) і мають вищі опори (до 1 МОм) при дуже мінімальних розмірах. Недолік термісторів – погана відтворюваність та нелінійність характеристики перетворення.
Термістори використовують у діапазоні температур від –60 до +120°C.
де R і R 0 - Опір терморезистора при температурах відповідно t і t 0 ;
t 0 - Початкова температура робочого діапазону;
У – коефіцієнт перетворення.
До термочутливих перетворювачів відносять також термодіодиі термотранзистори, у яких зміні температури змінюється величина опору р-n переходу. Ці прилади зазвичай застосовуються в діапазоні від –80° до +150° С. Найчастіше термодіоди та терморезистори включають у мостові ланцюги та вимірювальні схеми у вигляді дільників напруги. До переваг таких перетворювачів відносять високі чутливість та надійність, малі габарити, невисоку вартість та малу інерційність. Основні недоліки: вузький діапазон робочої температури та погане відтворення статичної характеристики перетворювача.
Принцип дії індуктивних перетворювачівзаснований на залежності індуктивності або взаємної індуктивності обмоток на магнітопроводі від положення, геометричних розмірів та магнітного стану елементів їх магнітного ланцюга (рис.3.4). На рис.3.4 схематично показані різні типи індуктивних перетворювачів. Індуктивний перетворювач (рис.3.4 а) зі змінною довжиною повітряного зазоруδ характеризується нелінійною залежністю L = f(δ). Такий перетворювач зазвичай застосовують при переміщення якоря на 0,01-5 мм.
 |
 |
 |
Рисунок 3.4 − Різні конструкції індуктивних перетворювачів
Значно меншою чутливістю, але лінійною залежністю L = f(s)відрізняються перетворювачі зі змінним перетином повітряного зазору (рис.3.4, б).Ці перетворювачі використовують при переміщеннях до 10...15 мм.
Широко поширені індуктивні диференціальні перетворювачі(Рис.3.4, в),у яких під впливом вимірюваної величини одночасно і притому з різними знаками змінюються два зазори електромагнітів. Диференціальні перетворювачі у поєднанні з відповідним вимірювальним ланцюгом (зазвичай бруківкою) мають більш високу чутливість, меншу нелінійність характеристики перетворення, відчувають менший вплив зовнішніх факторів та знижене результуюче зусилля на якір з боку електромагніту, ніж недиференціальні перетворювачі.
На рис.3.4, гпоказано схему включення диференціального індуктивного перетворювача, В якого вихідними величинами є взаємні індуктивності. Такі перетворювачі називають взаємно-індуктивними чи трансформаторними. При живленні первинної обмотки змінним струмом та при симетричному положенні якоря щодо електромагнітів ЕРС на вихідних затискачах дорівнює нулю. При переміщенні якоря на вихідних затискачах з'являється ЕРС.
Для перетворення порівняно більших переміщень (до 50...100 мм) застосовують трансформаторні перетворювачі із незамкненим магнітним ланцюгом(Рис.3.4, д).
У гірничій промисловості набули поширення магнітопружні перетворювачі(Рис.3.4, е), дія яких заснована на використанні ефекту залежності магнітної проникності (магнітного опору ланцюга) від величини механічного впливу (стиснення або розтягування) на феромагнітний осердя перетворювача. Розрізняють магнітопружні датчики дросельногоі трансформаторноготипів. Останні можуть контролювати тільки зусилля стиснення, проте мають більшу чутливість.
Перевагами індуктивних і магнитоупругих перетворювачів є простота і надійність у роботі, значна потужність вихідних сигналів. Основними недоліками – зворотний вплив перетворювача на досліджуваний об'єкт (вплив електромагніту на якір) та вплив інерції якоря на частотні характеристики приладу.
Принцип дії ємнісних перетворювачівзаснований на залежності електричної ємності конденсатора від розмірів, взаємного розташування обкладок і від значення діелектричної проникності середовища між ними. Вони є конденсаторами різних конструкцій, що перетворюють механічні лінійні або кутові переміщення, а також тиск, вологість або рівень середовища в зміну електричної ємності.
в)
Рисунок 3.5 − Різні конструкції ємнісних перетворювачів
Застосовують також диференціальні перетворювачі(рис.3.5, б), які мають одна рухлива і дві нерухомі пластини. При дії вимірюваної величини х у цих перетворювачів одночасно змінюються ємності З 1 та З 2 . Такі перетворювачі використовують для вимірювання порівняно великих лінійних (більше 1 мм) та кутових переміщень. У цих перетворювачах легко отримати потрібну характеристику перетворення шляхом профілювання пластин.
Перетворювачі з використанням залежності C = f 1 () застосовують для вимірювання рівня рідин, вологості речовин, товщини виробів з діелектриків і т. п. Для прикладу (рис.3.5, ) наведемо пристрій ємнісного рівнеміра. Місткість між електродами, опущеними в посудину, залежить від рівня рідини, оскільки зміна рівня веде до зміни середньої діелектричної проникності середовища між електродами. Зміною конфігурації пластин можна отримати бажаний характер залежності показань приладу від об'єму (маси) рідини.
Для вимірювання вихідного параметра ємнісних перетворювачів застосовують мостові ланцюги та ланцюги з використанням резонансних контурів. Останні дозволяють створювати прилади з високою чутливістю, здатні реагувати на переміщення близько 10-7 мм. Ланцюги з ємнісними перетворювачами зазвичай живлять струмом підвищеної частоти (до десятків мегагерц), що викликане бажанням збільшити сигнал, що потрапляє у вимірювальний прилад, та необхідністю зменшити дії шунтування опору ізоляції.
Напівпровідникові фоточутливі перетворювачіяк чутливий елемент мають світлочутливий шар, нанесений на підкладку (скляну пластинку). Опір цього шару обернено пропорційно інтенсивності світлового потоку або потужності джерела освітлення. Фоторезистори, фотодіодиі фототранзисторимають порівняно високу стабільність, хорошу чутливість, але їх застосування обмежується за наявності пилу, наприклад вугільної, що перешкоджає нормальній роботі.
Дія іонізаційних перетворювачівґрунтується на явищі іонізації газу або люмінесценції деяких речовин під дією іонізуючого випромінювання. Як іонізуючі агенти застосовують a–, b-і g–промені радіоактивних речовин, іноді рентгенівські променіі нейтронне випромінювання. Вибір типу іонізаційного перетворювача залежить багато в чому від іонізуючого випромінювання. Гамма-промені(Електромагнітні коливання малої довжини хвилі – 10 –8 …10 –11 см) мають велику проникаючу здатність.
Конструкції іонізаційних камер та лічильників різноманітні та залежать від виду випромінювання. Як джерела іонізуючого випромінювання зазвичай використовують кобальт-60, стронцій-90, плутоній-239 та ін.
Переваги іонізаційних перетворювачів – у можливості безконтактних вимірювань в агресивних або вибухонебезпечних середовищах, середовищах, що мають високу температуру або під великим тиском. Основний недолік: необхідність застосування біологічного захисту за високої активності джерела випромінювання.
Генераторні перетворювачі
В генераторних перетворювачахвихідний величиною є ЕРС або заряд, функціонально пов'язаний з неелектричної величиною, що вимірюється.
Розглянемо найпоширеніші види генераторних перетворювачів.
Термоелектричні перетворювачіпрацюють на термоелектричному ефекті, що виникає в ланцюзі термопари: при різниці температур у точках 1 і 2 (рис.3.6) з'єднання двох різнорідних провідників у ланцюгу термопари виникає термоЕРС.
Точку з'єднання провідників (електродів) 1 називають робочим кінцем термопари, точки 2 і 2" - Вільними кінцями. Щоб термоЕРС в ланцюзі термопари однозначно визначалася температурою робочого кінця, необхідно температуру вільних кінців термопари підтримувати однаковою та незмінною. Градуювання термоелектричних термометрів проводять зазвичай при температурі вільних кінців 0°С. Градуювання таблиці для стандартних термопар також складені за умови рівності температури вільних кінців 0°С. При практичному застосуванні термоелектричних термометрів температура вільних кінців термопари зазвичай не дорівнює 0°З тому необхідно вводити поправку.
Тахогенераторипризначені для вимірювання кутової швидкості об'єктів, що обертаються. Ротор тахогенераторів механічно пов'язують з валом випробуваного електродвигуна або виконавчого механізму, а про кутову швидкість wсудять вихідний ЕРС генератора.
З тахогенераторів найбільшого поширення набули тахогенератори постійного струму, що випускаються з незмінними магнітами або з незалежним збудженням. Область їх застосування дуже різноманітна: прецизійні тахогенератори постійного струму використовуються в авіації, суднобудуванні, верстатобудуванні, металургійній та інших галузях промисловості. До переваг цих датчиків відносять досить високу точність та наявність вихідного сигналу постійного струму, зручного для подальшої обробки. Основним недоліком цих тахогенераторів є наявність колекторно-щіткового вузла, що знижує надійність роботи та довговічність перетворювача.
Синхронні тахогенераторимають мінімальний внутрішній опір, що дозволяє отримати від них досить великі потужності. При зміні частоти обертання ротора в синхронних машинах змінюється як амплітуда вихідної напруги, а й його частота. Завдяки механічній стійкості синхронні тахогенератори знайшли застосування у трамваях, локомотивах, крановому господарстві та ін.
Асинхронні тахогенераторипо конструкції подібні до двофазних асинхронних двигунів. Їх ротори зазвичай виконують у вигляді тонкостінного металевого циліндра. Дві обмотки статора тахогенератора зсунуті на 90 ° відносно один одного. До однієї обмотки підводять напругу живлення, а з вимірювальної обмотки знімають ЕРС. При подачі напруги живлення постійної величини та частоти пульсуючий магнітний потік, перетинаючи ротор, індукує у вимірювальній обмотці ЕРС, пропорційну кутовій швидкості wротора, що рухається контрольованою машиною або механізмом. Основна перевага асинхронних тахогенераторів полягає в тому, що незалежно від частоти обертання ротора ЕРС змінного струму на виході такого тахогенератора має постійну частоту.
До основних недоліків тахогенераторів відносять обмежений частотний діапазон вимірюваних величин. Останніми роками тахогенератори поступово витісняються фотоімпульснимиі індукційнимидатчиками, а також спеціальними інтелектуальнимиперетворювачами – шифраторами кутового переміщення (положення).
В фотоімпульсних датчикахімпульси в оптоелектронній парі джерело випромінювання - приймач випромінювання (світлодіод - фотоперетворювач) створюються за допомогою дисків з прорізами або отворами, в деяких приводах застосовують деталі машин, що обертаються. У переважній більшості шифраторів положеннятакож використовують як чутливий елемент оптоелектронну пару.
Імпульси індукційних датчиківстворюються під впливом пульсуючого або знакозмінного магнітного потоку. Як тіло, що модулює потік, служать спеціальні зубчасті колеса або феромагнітні деталі машин, що обертаються.
У п'єзоелектричних перетворювачах використовується ефект появи електричних зарядів на поверхні деяких кристалів (кварц, турмалін, сегнетова сіль та ін.) під впливом механічних напруг.
Малюнок 3.7
Пристрій п'єзоелектричного перетворювачадля виміру змінного тиску газу показано на рис.3.7. Тиск Р через металеву мембрану 1 передається на затиснуті між металевими прокладками 2 кварцові платівки 3 . Кулька 4 сприяє рівномірному розподілу тиску поверхні кварцових пластинок. Середнє прокладання з'єднане з висновком 5 , що проходить через втулку із гарного ізоляційного матеріалу. При дії тиску Р між висновком 5 і корпусом перетворювача виникає різниця потенціалів
Практична робота №4
Windows 7
