Измерительные преобразователи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра биомедицинской инженерии

Контрольная работа

Измерительные преобразователи

Выполнил: Ст. гр. БIБМІз-16-1

Кравченко Михаил

Харьков 2019

1. Общие принципы работы измерительных преобразователей

В точном смысле слова измерительный преобразователь является прибором, который преобразует изменение одной величины в изменение другой. В терминах электроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор, преобразующий неэлектрическую физическую величину (называемую измеряемой физической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Имеются, конечно, и исключения из этого правила.

Отсюда следует, что измерительные преобразователи используются в электронных системах, т.е. в технических устройствах с. электрическим сигналом, отображающим результат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительный преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, скажем, генерировать механическое движение в зависимости от электрического управляющего сигнала. Примером реализации преобразователей является система, в которой микрофон (входной преобразователь) превращает звук (измеряемую физическую величину) в электрический сигнал. Последний усиливается, а затем поступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), воспроизводящий звук существенно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.

Довольно часто измеряемая величина согласно ее определению просто измеряется электронной системой, а полученный результат только отображается или запоминается. Однако в некоторых случаях измерения образуют входной сигнал управляющей схемы, которая служит либо для регулирования измеряемой величины относительно некоторого заранее установленного уровня, либо для управления переменной величиной в соответствии с измеряемой. Несмотря на очевидное частичное дублирование измерительных преобразователей в этих двух примерах, принято различать эти области использования преобразователей, называя их соответственно контрольно-измерительное оборудование и управляющее.

В свою очередь, эти две области подразделяются на телеметрическое контрольно-измерительное оборудование (в котором измерительные системы используются совместно с радиолиниями, связи между преобразователем и устройствами отображения информации), химический анализ (при котором система используется для того, чтобы определить и отобразить относительное содержание составляющих смесь веществ), процесс управления (в котором производственный процесс, например прокат стали, контролируется и управляется) и т.д.

Рассматривая структурные схемы контрольно-измерительной и управляющей систем следует остановиться на следующих главных моментах.

Измеряемая величина - это подлежащая измерению физическая величина, например: ускорение, перемещение, сила, расход, уровень, положение, давление, механическое напряжение, температура, скорость и т. п. В некоторых случаях измеряемой может быть и электрическая величина, такая, как ток, напряжение или частота, которая преобразуется в электрический сигнал, пригодный для использования в других частях системы. При этом измерительный преобразователь является электрическим преобразующим элементом.

Входной преобразователь, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал, - это прибор, пригодный для использования в других частях системы. Правда, хотя входные преобразователи генерируют электрический выход, существуют, однако, среди них и такие, которые имеют другую природу выходного сигнала, например давление воздуха, но таких преобразователей немного. Преобразователи с неэлектрическим выходом применяются в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей или служат для превращения неэлектрического сигнала в электрический. Все функции преобразователей являются аналоговыми, поэтому в общем случае (за некоторыми исключениями) их сигналы также аналоговые.

Линии связи - это линии между входным преобразователем и другой частью системы. Таких линий в строгом смысле может иногда и не быть, если, скажем, входной преобразователь размещается в нескольких сантиметрах от другой части системы. Если же он располагается на другом расстоянии от системы, то должны быть предприняты шаги к тому, чтобы линии связи не влияли, либо слабо влияли на эффективность работы системы.

Там, где в системе имеются существенные линии связи, требуется один или более каскадов сопряжения сигналов, чтобы малый выходной сигнал входного преобразователя усилить, подвергнуть аналого-цифровому преобразованию, фильтрации, модуляции и т. п. Это необходимо для того, чтобы информация, выдаваемая первичным преобразователем, не терялась при передаче ее к другим частям системы. Такие каскады могут включать в себя и схемы обработки сигнала, в которых содержащиеся в сигнале входного преобразователя данные подвергаются цифровой обработке, а результирующий сигнал или результаты вычислений могут быть отображены на дисплее, запомнены или использованы в целях управления. Сопряжение сигналов может осуществляться в нескольких точках системы.

В некоторых случаях довольно сложно сделать заключение о том, где в системе аналоговые сигналы преобразователей становятся данными. Поэтому часто невозможно различать каскады формирования аналогового сигнала и обработки данных. К счастью, это различие является довольно значительным.

Отображающие или запоминающие приборы - это приборы, которые индицируют текущее значение измеряемой величины для удобства работы оператора системы или запоминают соответствующую информацию для ее последующего использования.

В случае управляющей системы применяются некоторые виды приборов, предназначенных для сравнения обрабатываемых данных с некоторыми опорными значениями и получения разностного сигнала.

Работающий по разностному сигналу выходной преобразователь используется для управления измеряемой величиной.

Безусловно, приведенные примеры систем содержат не все типы каскадов формирования и обработки сигналов и не отражают всех режимов работы контрольно-измерительных и управляющих систем.

Вообще говоря, принципы работы входных и выходных преобразователей довольно просты. Конечно, режимы их работы существенно отличаются друг от друга - входные преобразователи обычно используются для преобразования изменений измеряемой величины в слабый электрический сигнал, а выходные преобразователи преобразуют мощный сигнал в сильное перемещение. По этой причине следует рассматривать два различных типа приборов.

2. Согласование преобразователей

Любое измерительное устройство представляет собой, в общем случае, совокупность соединенных последовательно измерительных преобразователей (преобразовательных элементов). Максимальной точности передачи измерительной информации от преобразователя к преобразователю, а также других оптимальных характеристик устройства в целом, в частности максимальной чувствительности, наилучшей помехозащищенности, минимального влияния линий связи, можно достичь лишь при выполнении определенных условий сопряжения отдельных преобразователей.

Одним из основных при сопряжении ИП является принцип согласования входных и выходных сопротивлений сопрягаемых преобразователей. В основу принципа согласования параметров принимают принцип обеспечения наиболее эффективной передачи мощности.

Можно показать, что для генераторных ИП максимум передачи энергии будет при равенстве модулей комплексных сопротивлений - выходного сопротивления первичного преобразователя и сопротивления нагрузки (или входного сопротивления последующего (вторичного) преобразователя), тогда эффективность согласования достигает 25%.

Для ИП с токовым информативным параметром условие Zвых1>>Zвх2(Zн), с выходным информативным параметром в виде напряжения Zвых1<<Zвх2(Zн) для получения максимальной точности передачи информации.

Для параметрических преобразователей условием согласования является равенство

3. Помехоустойчивость

В общем виде под помехами понимают любые факторы, искажающие результаты измерения. Далее под помехами подразумеваются паразитные сигналы, действующие на входе измерительного преобразователя (ИП) наряду с полезным сигналом - напряжением постоянного тока. Источниками помех могут быть электромагнитные наводки, термо-ЭДС, токи утечки, протекающие по распределенным сопротивлениям изоляции, и другие явления. Отмеченные источники возникают непосредственно во входном контуре ИП. Нарис.1 представлен источник помехи иного вида. ИП измеряет напряжение постоянного тока U, создаваемое термопарой ТП, приваренной к нагревателю H, по которому протекает переменный ток i . Нижний конец H и корпус ИП заземлены.

ИП должен иметь симметричный вход (ни один из входов не соединён с корпусом). В данном случае точка соединения термопары с нагревателем находится под определенным потенциалом ц относительно земли. При этом распределённые сопротивления и ёмкости изоляции (показаны пунктиром) между корпусом ИП и входами. А, B не могут быть одинаковыми.

Рисунок 1. Пример источника помех общего вида

Поэтому токи утечки I1,I2, создаваемые напряжением U неравны, что приводит к появлению разности напряжений UAB. Эта разность потенциалов является паразитным сигналом, действующим во входном контуре ИП. т.е. напряжение U, хотя и не действует непосредственно во входной цепи ИП, но частично «проникает в него»

Для оценки влияния помех, используются эквивалентные схемы в которых элементы с распределенными параметрами заменяют сосредоточенными, а всю совокупность источников помех заменяют двумя (рис.2). Это ЭДС помех и нормального вида Ен.в. и ЭДС помехи общего вида Ео.в. В дальнейшем будем рассматривать помехи постоянного тока и синусоидальные, имея ввиду, что периодический сигнал может быть представлен в виде суммы гармоник. Среди синусоидальных помех наибольший интерес представляют помехи сетевой частоты. Представим Ен.в. в виде суммы помех: и - соответственно постоянного тока и синусоидальной ЭДС. Составляющая неотличима от полезного напряжения U. Различные схемные способы направлены на защиту от их называют способами защиты от помехи нормального вида. Однако какие бы не применялись способы, некоторое влияние остается.

Степень защищенности ИП от характеризуют коэффициентом подавления синусоидальной помехи нормального вида, выражаемого в дБ.

Где амплитуда синусоидальной ЭДС помехи нормального вида;

?U - изменение показаний ИП, вызванное этой помехой.

Рисунок 2 Эквивалентная схема, отражающая наличие помех нормального и общего видов, ИС - источник изменяемого сигнала

Для объективной и всесторонней характеристики свойств СИ показателя помехоустойчивости недостаточно. Необходимо учитывать условия электромагнитной совместимости (ЭМС) СИ как по цепям питания, так и по электромагнитным помехам. Уровень помех может достигать порогового значения, когда нарушается устойчивое функционирование СИ. Представляется целесообразным определять допустимый динамический диапазон изменения помех (ДДП), в котором гарантируется функциональная работоспособность СИ

4. свойства терморезисторов различных типов, их параметры

В качестве термочувствительных элементов для биомедицинских измерений температуры обычного используются терморезисторы различных типов.

Терморезистор -- нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры.

Терморезисторы выполняют или из металла, сопротивление которого линейно меняется при изменении температуры (медь, платина), или на основе полупроводников. Наиболее подходящим и распространенным материалом для изготовления терморезисторов являются полупроводники, обладающие более высоким температурным коэффициентом сопротивления.

Различают два типа терморезисторов: термистор, сопротивление которого падает с ростом температуры, и позистор, у которого сопротивление с повышением температуры возрастает.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора вследствие изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Термисторы же косвенного подогрева имеют дополнительный источник теплоты - подогреватель. Конструктивное исполнение может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других случаях сам термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрева. Нужно отметить, что общим для термисторов косвенного подогрева всех возможных конструкций является то, что у них есть две электрически изолированные друг от друга цепи: управляющая и управляемая.

Нужно отметить, что термисторы изготовляются как из монокристаллов ковалентных полупроводников, так и методом керамического обжига заготовок (оксидные полупроводники) при высоких температурах.

Позистор - это терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления. В массовом производстве позисторы делают на основе керамики из титаната бария.

У термисторов уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано различными причинами - увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

Свойства терморезистора описывают две характеристики: температурная к(Т)-- зависимость сопротивления от температуры и вольт-амперная, Поскольку СВЧ-энергия в терморезисторе преобразуется в тепловую, терморезистор характеризуют температурным коэффициентом и постоянной времени.

Основные параметры термисторов.

1. Величина сопротивления образцов: R_tиR_T(в Ом) при определенной температуре окружающей среды вt, °C, илиТ, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125…200 °С, температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25°С и величинаR_tназывается «холодным сопротивлением» или номинальным. У различных терморезисторов номинальное сопротивление лежит в пределах от десятков Ом до сотен килоОм, при этом допустимые отклонения от номинального сопротивления могут составлять ± 20%, ± 10%, ± 5%.

2. Коэффициент температурной чувствительности В, размерность - Кельвин.

_.

У основной массы терморезисторов величина Влежит в диапазоне 2000…7200K, но есть терморезисторы с величинойВв пределах 700…15800K.

3. Величина ТКС б в процентах на 1°С. Обычно она указывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через б_t:

.

Значения ТКС при комнатной температуре для термисторов находятся в пределах -(0,8…6) %/град., у позисторов - +(10…20) %/град.

4. Постоянная времени ф (в секундах). Характеризует тепловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной 100°С. Другими словами, ф - это промежуток времени, в течение которого температура терморезистора, перенесенного из спокойного воздуха Т = 0єС в спокойный воздух приТ = 100єС, достигнет температуры 63єС (т.е. увеличится ве= 2,72 раза). Постоянная времени определяется конструкцией и размерами термистора, зависит от теплопроводности окружающей среды, составляет от 0,5 с до 140 с.

5. Максимально допустимая температура t_max, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

6. Максимально допустимая мощность рассеивания Р_maxв Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностьюР_maxего температура не должна превышатьt_max.

7. Коэффициент рассеяния Нв Вт на 1°С (К). Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1°С, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе, чтобы нагреть его на один градус.

8. Коэффициент энергетической чувствительности Gв Bт/%, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. Величины G, Ни б связаны соотношением:. В самом деле,

9. Теплоемкость Св Дж на 1°С, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморезистора на 1°С. Можно доказать, что ф,НиСсвязаны между собой следующим соотношением:

.

Для позисторов, кроме ряда приведенных выше параметров, обычно указывают также еще примерное положение интервала положительного температурного коэффициента сопротивления, а также кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС.

измерительный преобразователь терморезистор сопротивление

Задача.

Линейный реостатный преобразователь включен в логометричний цепь. Рассчитайте преобразователь по следующим данным:01R=10 кОм,02R=40 кОм,XR=250 Ом, І min =0,04 мА, І max =200 мА, 1R=100 Ом, 2R=150 Ом.

Решение:

Перечень ссылок

1. Е.С. Полищук. Измерительные преобразователи. - Киев: Вища Школа,1981.-296 с.

2. К.Б. Клаасен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.

3. Измерение электрических и неэлектрических величин. Уч. пособ. Под общ.ред. Н.Н. Увтихиева. - М: Энсргоиздат, 1990. - 352 с.

4. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи). Уч. пособ. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

5. Биотехнические системы. / Под ред. В.М. Ахутина. - Л.: ЛГУ,1981.-202 с.

6. Температурные измерения. Справочник. / О.А. Геращенко, А.Н. Лах и др. -К.: Наукова думка, 1984. - 496 с.

7. Поверхностные акустические волны. / Под ред. А.М. Олинера. М.: Мир,1981.-392 с.

8. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272с.

9. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.1. - М.: РадиоСофт, 1998. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru