ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, Основные понятия — Электротехнические измерения

М-д частотно-имп. преобраз. выполн. с использованием развертывающиего сигнала. Измер. напр. U_x уравновешивается образцовым напряжением U_x, поступающ. на генерат ступ. напряжения. Это напр. изменяется на DU_x. с приходом кажд. импульса. Одновр. импульсы от ген-ра импульсов поступ. на ключ и далее на счетчик импульсов. Этот процесс продолжается до мом-та равенства U_k и U_x, что фиксир. сравнивающим устройством. В момент равенства напряжений на вых. сравнивающ. устр-ва появл. стоп-импульс, кот-ое через триггер закрыв. ключ, прекращая тем самым доступ имп. от герер. к счетчику. Счетчик подсчитывает число имп. от момента нач. преобраз., задаваемое старт-импульсом до момента появл. стоп-имп. от сравн. устр-ва. Измер. вых. напряжения равно U_x=N_x×DU_x.

При использ. такого м-да преобразования м. реализовать следящий режим работы. В этом случае вместо обычного счетчика имп. необх. применять реверсивный счетчик, стост. кот изм. в зависимости от сигнала > или < с вых. сравнивающ. устр-ва. Появл. этих сигналов свид. о том, что вх. напряжение увеличилось, либо уменьшилось по сравнению с первонач. Напряж. на выходе генер. ступ. напряж. также либо увелич, либо уменьш. и при этом реверс. счетчик работает в режиме суммирования, либо реж. вычит., вследствие чего показания либо увелич, либо уменьш. Время преобр. таких ЦВ сост. 10² или 10³ срабатываний в сек. Погрешность 0,02–0,1%. Недостатки: 1.низкая поверхоустойчивость, 2.малое быстродействие

В ЦВ частотно-импульсного преобразования, кот также относ. к устр-ву с число-имп. преобразованием входн. величина предварит. преобраз. в частоту импульсов, кот далее измер. рассмотренным выше методом.

ЦВ с времяимпульсным преобразованием.

ЦВ делятся на приборы с преобразованием мгновенных и средних за определен время значений входн сигналов. В тех и в др входная величина преобразуется во временной интервал, кот затем преобразуется в цифровую форму. СУ- сравнивающее устр-во; ГИ- ген-р импульсов; ГЛН- ген-р линейного напр-я; СЧ-счетчик импульсов.

, но , где к – коэффициент нарастания U_k.  .

Выход ГЛН соединен со входами 2х сравнивающих устр-в с момента запуска t₀, когда U_k нач линейно нарастать, СУ поочередно срабатывают в моменты времени t₁ и t₂. В момент t₁ срабатывает СУ1, в момент t₂ –СУ2. При этом на выходах СУ1 и СУ2 появляются импульсы, переводящие триггер в два состояния. На протяжении t_x = t₂ — t₁, ключ открыт и ч/з него импульсы стабильной частоты от ГИСЧ поступают на СИ.

ЦВ времяимпульсного преобразования отличается простотой реализации, возможностью построения отдельных узлов и АЦП, и АЦП в целом виде интегральной МС. Эти ЦВ при основной приведенной погрешности от 0,05% до 0,15 % отличаются достаточно высоким быстродействием. Погрешность в основном обусловлена нелинейностью U_k, нестабильностью порогов срабатывания сравнивающих устройств, нестабильностью частоты f₀ ГИ.

Недостатки приборов: их низкая помехоустойчивость. Д/уменьшения погрешности и влияния помех применяют цифровое усреднение 8-и и более результатов преобразования.При времени преобразования 0,02-0,10 сек.

Существенно лучшие результаты м. получить при использовании м-дов времяимпульсного преобразования с двухтактным интегрированием. В этих приборах сначала интегрируется за определенный интервал времени Т₁ (приблизительно или кратный периоду помехи промышленной частоты) измеряемое напряжение U_x, а затем противоположное ему по знаку образцовое U₀, до момента полного разряда интегратора.

И- интегратор; П- переключатель; СУ- сравнивающее устройство; ДИ- делитель импульсов; УУ- устройство управления

В момент времени t₀ переключатель устанавливается в положение 1, поэтому на протяжении времени Т₁, от t₀ до t₁, на вход U поступает входн напряжение U_x, а его вых напр-е изменяется по закону ,

где τ- постоянная интегрирующей цепи.

Интервал времени Т₁, задается делением вых импульсов, частоты fз ген-ра импульсов посредством делителя импульсов, причем частота fз поддерживается пропорциональной частоте сети, подаваемой на ГИ c напряжением сети U_c. Поскольку в конце 2-го такта Т₂ вых напр-е интегратора равно нулю, то можно написать: и .

На время Т₂ от момента t₁ на вход U подключается образцовое напр-е U₀ до момента равенства вых напряжения нулю, что фиксируется СУ. СУ от t₁ до t₂открывает ключ, ч/з который импульсы от ГИ проходят на счетчик, поскольку интервал времени , то количество импульсов, прошедших на счетчик: . Преимущества: возможность измерения напр-я низкого уровня, что достигается благодаря интегрированию вход. сигнала, за время равное или кратное периоду симметричных помех. Погрешность их почти не зависит от const времени интегрируемой цепи, а также от изменения частоты f_зад. Основная приведенная погрешность: 0,005 %. Время 1го измерения 30-100 мкс. Низкий предел измерения, 10 мВ, обеспеч. при разреш. способности 10^-7 В.

ЦВ последовательного кодирования.

УС- устройство сравнения; ГИ- ген-р импульсов; ИОН-источник опорного напряжения; ПКМ- программатор компенсирующего напр-я; ПУ -программное устройств

В данном ЦВ исп-ся аналогово-цифровое преобразование развертывающего уравновешения с поразрядным приближением. Измеряемое напряжение U_x сравнивается со ступенчато-изменяющимся компенсирующим напряжением. Значение веса ступенек напряжения выбирается равным 1/2; 1/4; 1/8;…1/2ⁿ значений образцового напр-я U₀.

При этом U₀  -это max значение измеренного напряжения. Данный ЦВ отличается от частотно-импульсного тем, что выходной код N формируется не путем заполнения счетчика одинаковыми мерами, а вырабатывается поразрядно программным устройством по результатам анализа вых сигнала.

Импульс запуска U_зосуществляет начальную установку ПУ, сброс компенсирующего напряжения U_k и запуск ГИ.

После прихода 1-го тактового импульса от ГИ, ПУ выставляет “1” в старшем разряде выходного кода, что приводит к появлению на выходе ПКМ компенсирующего напряжения . Устройство УС сравнивает это напряжение с U_x и если U_x>U_k1, то на выходе УС остается положительное напряжение и ПУ оставляет “1” в первом старшем разряде. В момент прихода второго импульса ПУ опять выставляет “1” во втором старшем разряде выходного кода, имеющего вес 1/4. Преобразователь кодирующего напряжения преобразует этот и на выходе образуется напряжение  .

Если U_x>U_k, то напряжение на выходе УС не меняется. Если же U_x< U_k, то напряжение на выходе УС меняет знак.

ПУ, проанализировав знак этой разности, определяет перекомпенсацию и сбрасывает “1”во втором старшем разряде, оставляя там “0”. При этом уровень U_k2 исключается из компенсированного напряжения. После прихода третьего тактового импульса ПУ вырабатывает “1” в третьем разряде с весом 1/8. Напряжение  суммируется с U_k1.

Если УС показывает, что перекомпенсация не наступила, т.е. U_k<U_x, то ПУ выставляет “1”в четвертом разряде. С приходом следующего тактового импульса компенсирующее напряжение вырастает с весом 4/16 и т.д.

Преобразование продолжается до тех пор, пока не будет U_k=U_x. В этот момент ПУ заканчивает преобразование, останавливает ГИ, выдает сигнал готовности выходного кода для считывания.

Временные диаграммы характеризующие работу ЦВ последовательного кодирования. Быстродействие таких ЦВ 10⁵-10⁶ преобразований в секунду. Погрешность ± 0,15 U_Н/U_x.

ИН- источник опорных напряжении, вырабатывает напряжение U_k1, U_k2… U_kN; ОУ- отсчетное устройство; ПКК- преобразователь единичного кода в код; СУ1…СУ_N – сравнивающие устройства

В данном вольтметре измерение напряжения происходит путем сравнения его сразу со многими эталонами, кот вырабатывает источник опорных напряжений — ИН, что требует такого же количества сравнивающих устройств, как и эталонов.

Преимущество метода преобразования: высокое быстродействием.

Недостатки — требует большое кол-во сравнивающих устройств и сложность источника опорного напр-я.

Погрешность ЦИП. Основные состовляющие.

Основная погрешность ЦИП складывается из 4-х составляющих:

а) погрешность дискретизации Δx_д ;

б) погрешность реализации уровней Δx_p квантования, возникающая из-за того, что измеряемая величина квантуется в соответствии с реальными значениями уровней, а отсчет производится в соответствии с принятыми значениями;

в) погрешность от наличия порога чувствительности СУ Δx_ч, возникающая в результате сравнения неизвестной величины с известной;

г) погрешность Δx_п, возникающая вследствие действия помех.

Погрешности Δx_р, Δx_ч Δx_п обусловлены несовершенством узлов ЦИП и поэтому их называют составляющими инструментальной погрешности. Погрешность дискретизации – методическая погрешность.

Погрешность дискретизации. Погрешность реализации уровней.

Погрешность дискретизации будет зависеть от способа отождествления уровня квантования. Рассмотрим случай последовательного счета, в котором величина x сравнивается с известной величиной х_к, которая изменяется во времени скачками в 1 квант. Определение отождествляемого уровня происходит при установлении равенства х = х_к или точнее при выполнении условия: х_к>x .

Вых сигнал должен выставляться в соответствии с отождествляемым уровнем.

Положим, что отождествление неизвестной величины х происходит с ближайшим большим или равным уровнем квантования, т.е. в данном случае с уровнем х_кi. Следовательно, в момент времени t₂  установится соотношение , где α — коэф в пределах от 0 до 1.

Поскольку α зависит от измеряемой величины х, кот является случайной величиной, то погрешность дискретизации имеет также случайный характер.

Закон распределения зависит от з-на распределения х. Однако вследствие практически равной вероятности появления размеры величины в пределах одного кванта Δх_к з-н распределения принимают равновероятным. При этом з-не распределения дисперсия погрешности, мат ожидание и средн значение: ; ; .

Представление характера изменения погрешности при отождествлении с ближайшим большим значением изображено на рис

При отождествлении неизвестн величины х с ближайшим уровнем квантования вследствие равной вер-ти появления значений х в пределах 1го кванта погрешность Δх_д м.находиться в пределах 0…∆хк. В данном случае погрешность нах-ся в диап-не [ ]. При этом мат ожидание и дисперсия=0.

Во многих цифровых приборах измеряемая величина преобразуется во временной интервал T_x, кот квантуется на N интервалов длительностью Т₀ заполнением квантующими импульсами с периодом Т₀. В общем случае Т_х не кратно Т₀, и поэтому при квантовании возникает погрешность.

Измеряемый интервал обычно ограничивается двумя импульсами: старт- импульсом и стоп -импульсом. Старт открывает ключ, пропуская импульсы в счетчик, а стоп закрывает ключ через время T_x. Результат измерения Т_n измеряется по показанию счетчика: .

Если предположить, что длительность старт -импульсов и стоп -импульса малы, то погрешностью от конечной длительности их фронтов можно пренебречь. В общем случае старт и стоп –импульсы могут появляться в любой момент между соответствующими квантующими импульсами. При этом возникнет погрешность ,

n – число счетчиков; Δt₁, Δt₂ – случайные величины.

Max погрешность не может превышать величины Т₀, т.е. .  Относит погр-ть: .

Динамическая погрешность.

Цифровым приборам характерны и динамические погр-ти – max частота измерения и погрешность датирования отсчета. Первая погр-ть обусловлена инерционностью элемента измерительной части цифрового прибора. Вторая — измерения проводятся в один момент времени t₂, а результат измерения приписывается обычно либо началу цикла преобразования t₁, либо концу цикла преобразования t₃.

,

где Δх – максимальное изменение измеряемой величины за цикл Т_х;

x’ – скорость изменения x;

x_m – максимальное значение измеряемой величины.

Принципы построения преобразователей неэлектрич. величин(ПНВ).

При контроле технологических процессов, а также при научных исследованиях приходится производить измерения различных физических величин, в том числе и неэлектрических. Разновидностей электрических приборов для измерения неэлектрических величин значительно больше, чем приборов для измерения электрических величин. Это объясняется тем, что контролируемых неэлектрических величин значительно больше, чем электрических. Даже краткое перечисление групп неэлектрических величин, кот измеряются электрическими приборами, показывает большое разнообразие этих величин, а следовательно, методов и приборов для измерения.

Приведем перечень групп неэлектрических величин: 1 Тепловые величины (температура, количество тепла). 2 Механические и геометрические величины (сила, момент сил, напряжение, деформация, перемещение, скорость, ускорение, размер, количество, расход, уровень). 3 Промежутки времени. 4 Величины, характеризующие излучения (поток излучения, спектральный состав). 5 Энергия и мощность (неэлектрические), коэффициент полезного действия. 6 Величины, характеризующие свойства вещества, материалов, изделий их состав и т. д. 7.Магнитн величины(индукция, поток, напряжённость,претисивная сила, остаточная намагниченность).

Наиболее важные причины широкого применения электрич приборов д/измерения неэлектрических величин заключ в след:

а) электроизмерительные приборы лучше неэлектрических приборов позволяют осуществлять дистанционные измерения, благодаря чему обеспечиваются измерения в одном месте различных по своей природе параметров, контролируемых нередко в территориально удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках;

б) электроизмерит приборы легче поддаются автоматизации, что значительно улучшает их кач-во. Автоматизация полностью или в значительной мере исключает субъективные свойства оператора. В электроизмерительных приборах имеются широкие возможности для автоматического и непрерывного проведения математических операций над результатами измерений, что позволяет автоматически вводить в результаты измерений поправки, интегрировать, дифференцировать результат и т. д;

в) электроизмерительные приборы более удобны, чем неэлектрические для решения задач автоматического управления;

г) электроизмерительные приборы дают возможность регистрировать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро меняющиеся (например, с помощью электронного осциллографа), имеют широкий диапазон пределов измерения как в сторону весьма больших значений, так и в сторону весьма малых значений измеряемой величины.

ПП – первичный измерительный преобразователь; ВП – вторичный преобразователь; ИП – измерительный прибор

Электрич приборы д/измерения неэлектрич величин отличаются от подобных приборов д/измерения электрич величин тем, что они обязательно содержат измерительный преобразователь неэлектрической величины в электрич-ю.

В зависимости от электрической величины и требований, предъявляемых к прибору, электрич измерительное устр-во может быть различной степени сложности. В одном случае, это будет, н-р, магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом − автоматический потенциометр или цифровой измерительный прибор. Обычно шкала отсчетного устройства электрического измерительного устройства градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.

44.Основные хар-ки и область применения ПНВ.

Осн харак-ми измерительных ПНВ явл:

· Номинальная статическая харак-ка или градуировочная харак-ка представляет собой функц-ую завис-сть вых вел-ны от вх и выраж-ся в виде формулы, графика, таблицы;

· Чувствительность;

· Основная погрешность;

· Дополнительная погреш-ть;

· Вариации вых сигнала;

· Полное вых сопрот-ие;

· Диапазон измерения.

В нек случаях весьма важными явл динамич-ие харак-ки ПП. Способность аккумулир-ть механ-ую, тепловую, эл и др виды энергии в элементах преоб-ля делают его инерционным.Инерц-сть преоб-ля приводит к тому, что его вых сигнал не успевает следить за изменениями измер-ой вел-ны и вследствие этого возникает динамич-ая погреш-ть. Поэтому при выборе измер-го преоб-ля необходимо согласовывать его динам-ие харак-ки с динамикой измеряемой неэл вел-ны.

К важнейшим неметрол-им харак-ам относятся: габариты, масса, удобство монтажа, взрывоопасность, устойч-ть к мех, тепловым, эл и др перегрузкам, надежность, стоимость

Параметрические преобразователи, вых величиной у кот является электрическое сопротивление, наз резистивными. Реостатные преобразователи –  преобразователи, выполненные в виде реостата, движок кот перемещается под действием входн измеряемой величины. Вых величиной — электрич сопротивление функционально связанное с положением движка. Преобразователи использ-ся д/измерения давления, силы, ускорения, уровня, расхода, положения и др физич величин, кот м. преобразовать в перемещение.

В зависимости от конструктивного исполнения преобразователи делятся на преобразователи с линейным и вращательным перемещениями подвижного элемента. При этом функциональная зависимость изменения сопротивления от перемещения может быть линейной или функциональной.

Реостатные преобразователи могут иметь нелинейную функцию преобразования. Это достигается за счет изменения формы каркаса, изменения диаметра проволоки, изменения удельного сопротивления проволоки.

Проволока д/обмотки выполняется из сплавов. Хорошим, но дорогим материалом является сплав платины с иридием (5…30%). Добавка иридия к платине придает ей большую твердость, увеличивает удельное сопротивление и понижает температурный коэфф электрич-го сопротивления. Дешевым и часто используемым материалом явл-ся константан. При высоких температурах применяются нихром и фехраль. Д/обмотки преобразователя обычно использ-ся изолированный эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.

Щетка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т. д.). Кач-во контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, кот выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотен граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.

Габариты преобразователя определяются его конструкцией, сопротивлением и величиной мощности, выделяемой в обмотке.

Сопротивление преобразователя можно подсчитать по следующей формуле: . В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимость изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, т.к. сопротивление изменяется скачками на величину сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразователя. Маx погрешность квантования(приведенная погр-ть)  %,

где ∆R − максимальное сопротивление одного витка;  R_П− полное сопротивление преобразователя.

Суммарная погр-ть, вызванная непостоянством параметров резистивных преобразователей, составляет 0,05…0,1 %. Температурная погрешность не превышает 0,1 % на 10°C.

Погрешность квантования отсутствует в реохордных преобразователях, в кот движок скользит вдоль натянутой проволоки. Проволока выполняется из высокоомного материала. Начальное сопротивление преобразователя R₀ порядка нескольких Ом.

Выходной параметр реостатных преобразователей − сопротивление − измеряется обычно с помощью  делителя или измерительн моста. Достоинство простота конструкции преобразователя, надежность. Недостатки −нач сопр-е преобразователя R0 при входн вел-не = 0.

В основе работы  лежит явление тензоэффекта, кот заключ в изменении сопротивления резисторов, выполненных из проводников или полупроводников при их деформации. Основн характеристикой тензорезисторов явл-ся коэфф относительной тензочувствительности ,

где E_R − относительное изменение сопротивления, E_R = ∆R/R;

E_l − относительное изменение длины, E_l = ∆l/l.

Тензочувствительные преобразователи, широко применяемые в настоящее время , предст собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги проволоку. Преобразователь включается в схему с пом-ю привариваемых или припаиваемых выводов. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с осью длинной стороны петель проволоки. При деформации детали сопр-ие проволоки изменяется.

Д/изготовления преобразователей примен-ся проволока диаметром 0,02…0,05 мм из константана, имеющего коэфф К = 1,9 … 2,1. Кроме того, константан обладает малым температурн коэфф, что очень важно, т.к. изменение сопр-я преобразователей при деформациях соизмеримо с изменением сопротивления преобразователя при изменении температурных условий. В кач-ве подложки исп-ся тонкая (0,03…0,05 мм) бумага, пленка лака или клея, а при высок температурах − слой цемента.

Применяются также фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга. Чувствительный элемент преобразователя создается путем травления фольги. При травлении из фольги выбирается часть металла таким образом, что оставшийся металл образует чувствительный элемент необходимой формы и сопротивления.

Преобразователи выполняются различ размеров в завис-ти от назначения. Длина петли (базы) у преобразователя бывает от 0,5 до 150 мм, ширина h чувствительного элемента — от 0,8 до 60 мм. Сопр-е преобразователя составляет 50…200 Ом.

Д/измерения вых парам-ра проволочных тензочувствительных преобразователей применяя мостовые (равновесные и неравновесные) схемы и потенциометрическая схема, представляющ собой делитель напр-я, одно из сопр-й кот− преобраз-ль.

Достоинства малые габариты и вес, простота конструкции, надежность при погр-ти 1…2 %. Недостатком: малая чувствит-ть.

Д/повышения чувствительности используют тензочувствительные преобразователи, выполненные в виде пластины из полупроводникового материала. Коэфф тензочувствительности преобразователей достигает нескольких сотен или даже тысяч. Однако воспроизводимость (разброс характеристик 20…30 %) характеристик полупроводниковых преобразователей плохая.

Емкостные преобразователи.

→устр-ва, у кот электрическая емкость или диэлектрические потери изменяются под действием входной величины

, где  − диэлектрич проницаемость среды; _о − относит диэлектрич проницаемость; S − площадь пластин, мм² ; d − расстояние между пластинами, мм.

Изменяя , S и δ м. изменять электрические параметры преобразователя. Бывают:

Преобразователи с изменяющимся воздушным зазором(а). Исп-ют д/измерения малых перемещений от доли микрон до доли миллиметров.

Преобраз-ли с изменяющейся площадью (в). Исп-ся д/измерения больших лин-х (более 10 мм) и угловых (до 270°) перемещ-й.

Преобразователи с изменяющейся диэлектрической проницаемостью (г). Исп-ся д/измерения влажности твердых и сыпучих тел, а также для измерения уУр-ня, толщины изоляционных материалов.

Достоинства емкостных преобразователей: простота, высокая чувств-ть, стабильность работы. Недостатки: большое вых. сопр-е, малая вых. мощность, влияние паразитных емкостей, необходимость использ-я ист-ка пит-я повышенной частоты.

Д/измерения вых параметра емкостных преобразователей примен-ся мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью.

Т. к. вых емкость преоб-лей весьма мала, то их применяют в сочетании с электронными усилстелями включенными в измерит-ую диагональ моста. Для понижения вых сопр-ия и соответ-но повыш-ия мощности сигнала использ-ют ист-ки высокой частоты (до МГц).

Принцип действия преобразователей основан на использовании з-на ЭМ индукции, согласно кот ЭДС: ,

где – скорость изменения магнитного потока; w – число витков.

Индукционные преобразователи применяют д/измерения параметров магнитных полей, частоты вращения, параметров вибрации, расхода жидких веществ, линейн углов-х перемещений. Наибольшее применение они получили в приборах д/измерения угловой скорости и измерения парам-в вибраций. Индукционные преобразователи д/тахометров представ собой небольшие генераторы постоянного или переменн тока, ротор кот механически связан с измеряемым объектом. При использовании генератора постоянного тока об угловой скорости судят по ЭДС генератора. А в случае применения генератора переменного тока угловую скорость м. определить как по значению величины ЭДС, так и по ее частоте.

Преобразователь для измерения перемещений представляет собой цилиндрическую катушку 1, перемещающуюся в небольшом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней появляется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения.

Индуктосины. Одной из разновидностей индуктивных преобразователей являются индуктосины. Они используются для измерения больших линейных и угловых перемещений. Принцип действия основан на взаимодействии двух плоских катушек (рисунок 7.3). Одна из них запитывается высокочастотным напряжением, а другая служит измерителем и перемещается относительно первой.

Индуктивные)

Предст собой катушку индуктивности или взаимной индуктивности, параметры кот измен-ся под возд-ем входн вел-ны.

Схематически показано несколько типов различных индуктивных преобразователей.

а – с изменяющимся зазором; б – с изменяющееся площадью зазора; в – дифференциальный; г – дифференциальный трансформаторный; д – дифференциальный трансформаторный с незамкнутой магнитной цепью

Д/преобразования сравнительно больших перемещений (до 50…100 мм) применяются индуктивные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью.

Индуктивн преобраз-ли использ д/измерения перемещения и др неэлектрич величин, кот м.б. преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д.).

Индуктивные преобразователи имеют преимущество перед другими преобразователями перемещений. Они дают на вых сигнал значительной мощности, что позволяет в нек. случаях обходиться без усилителя. Эти преобразователи просты по конструкции и надежны в работе.

Недостатки: наличие обратного воздействия преобраз-ля на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную харак-ку прибора.

Д/преобразования магнитных величин в электрические используются:

— явление электромагнитной индукции;

— явление изменения свойств материала в магнитном поле;

— гальваномагнитное явление;

— магнетронный эффект.

В приборах, использующих явление электромагнитной индукции, д/измерения характеристик постоянных и переменных магнитных полей измерительным преобразователем служит катушка ЭДС кот равно е = — w · dФ/dt,

где ω – число витков катушки; dФ/dt – скорость изменения магнитного потока.

Если поле в пространстве, охватываемое катушкой, однородное и ось катушки совпадает с направлением индукции, то

e = — w  · S_К ∙dВ/dt = — w _· m₀ · S_К · dН/dt,

где S_К — площадь витка катушки, мм;  m₀ – магнитная проницаемость вакуума, Г/м;

В зависимости от характера измеряемой величины к измерительным катушкам предъявляются различные требования.

Измерительные катушки м. иметь каркас (круглый, квадратный, прямоугольный) из изоляционного материала либо быть бескаркасными. Обмотка д.б. нанесена равномерно. Катушка должна иметь такую форму и размеры и д.б. так расположена, чтобы с ее витками сцеплялся лишь тот поток, кот подлежит измерению. Плоскость ее должна быть расположена перпендикулярно вектору магнитн индукции или напряженности магн поля, в противном случае будет измерена лишь нормальная составляющая вектора.

При проведении измерений в однородных магнитных полях измерительные катушки могут быть большого размера (в слабых полях с большим числом витков).

При измерениях в неоднородных магнитных полях необходимо использование измерительных катушек минимальных размеров для обеспечения определения характеристик поля в данной точке. Основной характеристикой измерит катушки является произведение числа витков и площади витка (ω·S)_ИК. Это произведение наз «постоянной измерительной катушки».

Д/измерения постоян магн полей используют вращающиеся измерительные катушки с постоянной скоростью вращения.

Использование гальваномагнитных эффектов.Д/измерения магн индукции и напряженности магн поля в настоящее время используют эффект Холла и эффект Гаусса.

В приборе, реализующем эффект Холла, преобразователь предст собой пластинку из полупроводника, по кот протекает ток I. При помещении этой пластинки в магн поле на боковых гранях ее возникает разность потенциалов–ЭДС Холла Е. Принципиальная схема прибора для измерения магнитной индукции, основанного на эффекте Холла, приведена на рис. Величина ЭДС Холла связана с магн индукцией и током следующим соотношением:Е = С  где  – ЭДС Холла; I–сила тока;  В–магни индукция (вектор ее д.б. перпендикулярен пл-ти пластинки, либо будет измерена лишь нормальн составляющая вектора В; С–постоян Холла;  h – толщина пластинки.

В кач-ве материалов д/преобразователей Холла используют германий, сурмянистый индии и др полупроводниковые материалы. ЭДС Холла обычно невелика. Д/повышения точности измерения в приборах, основанных на эффекте Холла, часто используется компенсационный метод измерения.

Приборы, использующие эффект Холла, находят широкое распространение, т.к. они обладают рядом положительных свойств. Они достаточно просты, имеют удовлетворительную точность — 1,0…3,0 %, позволяют измерять магн индукцию или напряженность постоян, перемен и импульсных магн полей. Измерительные преобразователи имеют малые размеры, что дозволяет проводить измерение индукции в узких зазорах.

Одним из недостатков преобразователей Холлаявляется значительная зависимость ЭДС  Холла от температуры.

Магнитронный эффект. Часть е отклоняется в сторону и таким образом зависимость выходного напряжения от Н. Достоинства: простота конструкции, высок чувствительность. Недостатки: нелинейность ф-ии преобразования, большие размеры преобразователя лампы.

При прохождении иониз излучения через среду – возникает явление частичного поглощения, рассеивания, вторичного излучения, которые являются функциями свойств среды (плотность, толщина, состав и др.) В зависимости от интенсивности излучения, св-ств среды – составляю основы иониз методов измерения неэлектр величин. Ионизац пр-ли предполагают использование источника и приемника ионизир излучения. Ионниз излучение — a, b, g излучение, нейтронное и рентгеновское излучение. Преобразование энергии иониз излучения в эл сигнал осуществляется приемником иониз излучения. Основано на явлении ионизации газа при прохождении через него излучения или на лиминисценции веществ под действием излучения. В качестве приемников используются ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, полупроводниковые и термо и фотолюминисц детекторы. Погрешность –единиц %. Основное приемущество – безконтактность преоб-лей, их целесообразно применять в 250 агрессивных и взрывоопасных средах, при повышенных давлениях и температурах.

Ионизационные камеры работают на участках 1 и 2вольт-амперной характеристики, а ионизационные счетчики – на участках 3 и 4.

На уч-ке 1-ток увелич-ся прямопропорционально напр-ю, затем рост I замедляется и на уч-ке 2-достигается насыщение. Это указ-т на то, что все ионы, образ-ся в камере, уносятся электрич полем к электродам. На уч-ке 3-I снова нач расти, что вызывается вторичн ионизацией при ударении первичных электронов и ионов о нейтральн молекулы. Это увеличение толков наз газовым усилением.

Кроме ионизационных камер и счетчиков в качестве ионизационных преобразователей применяют сцинтилляционные (люминесцентные) счетчики. Принцип действия этих счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах – фосфорах (активированные серебром сернистый цинк, сернистый кадмий и т. д.) – под действием радиоактивных излучений световых вспышек (сцинтилляций), которые в счетчиках регистрируются фотоумножителями.

Выбор ионизационного преобразователя зависит в значительной мере от ионизирующего излучения.

Измерительные цепи приборов для измерения НВ.

В зависимости от типа первичного изм преоб-ляи вых информативного параметра используются различные вторичные электр измер приборы, предназначенные д/измерения эл величин. При этом градуируются как правило с учетом ф-ций преобразования измерит преоб-ляв единицах измерения неэл величины. Для наиболее эффект использования информативного параметра измер пр-ля со вторичным измерит прибором – следует всегда обращать внимание на согласование выходных характеристик измерит преоб-ля с входными хар-ми вторичного эл измер прибора. Т к выходнве информат параметры – генераторных преобраз-лей является напряжение и ток, а параметрических – R, L, C, то различными являются и схемы их согласования. 1 Изм цепи генер преобр-лей. Они характеризуются выходной ЭДС, являющейся ф-цией выходной величины X и внутренним сопротивлением Z_П(пр-ля). Эти две величины определяют мощность развиваемую пр-лем в режиме короткого замыкания Р_КЗ=Е²(X)/Z_П, Мощность Р_Н отдаваемая генераторным пре-лем вторичному прибору, имеющая сопрот-е Z_Н определяется мощностью кор замыкания пре-ля и коэфф эффект преобр-ния, зависящим только от соотношения сопротивлений. Теорет и экспер позволили сформулировать правило: при проектировании измерит приборов макисальная мощность на нагрузке генер преоб-ля достигается при согласовании модулей нагрузки и внутреннего сопротивления пр-ля (R_Н/R_П=0,2:5). От согласования зависит погрешность(поэтому иногдпа от его отступают). 2 Измер цепи в параметр преоб-лях. Используется 3 вида цепей а) цепи последовательного включения, б) цепи в виде делителей, в) цепи в виде мостов. Питание этих цепей осущ-ся как постоянным так и переменным током. R=f(x)- ф-ция измеряемой величины. R=R₀ DR(x). Харак-ка парам пр-ля (e=DR/R₀) допустимая мощность рассеивания на нем, начальное сопротивление, и относительное изменение сопрот-я e. Для послед цепи включения (Рис 55.1) R_Н/R_П=1/3 и условие согласование строгое. Основной недостаток делительных цепей – значение измер-мой величины X=0, при выходном напряжении не равном нулю. Чтобы это исправить используют цепи неравномерных мостов, основная идея состоит в исходной компенсации нач знач-я вых сигнала.