Блог викладача спецдисциплін Миколи Кащенюка : Е-21 Електромашинні перетворювачі

Електромашинні перетворювачі

1.Вимірювальні перетворювачі

2.Цифрові вимірювальні прилади

1. Вимі́рювальний перетво́рювач — вимірювальний пристрій, призначений для формування на своєму виході сигналу, що функціонально зв'язаний із сигналом вимірюваної інформації на входіу формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки та збереження.

Загальна характеристика

Місце вимірювального перетворювача у структурі системи автоматичного контролю.

Вимірювальний перетворювач — елемент системи автоматичного контролю (див. рис.).

На відміну від вимірювального приладу, сигнал на виході вимірювального перетворювача (вихідна величина) безпосередньо не сприймається спостерігачем. Обов'язкова умова вимірювального перетворення — збереження у вихідному сигналі інформації про кількісне значення вимірюваної величини через забезпечення функціональної залежності (переважно, лінійної) між вимірюваною величиною та сигналом на виході.

У структурі давача зазвичай виділяють вимірювальний перетворювач, що безпосередньо пов'язаний з вимірюваною величиною. Первинним вимірювальним перетворювачем, або чутливим елементом, називається перетворювач, який першим взаємодіє з об'єктом вимірювання^[1] і видає сигнал вимірювальної інформації. Первинний вимірювальний перетворювач у значній мірі визначає основні технічні характеристики давача.

Основні характеристики вимірювальних перетворювачів:

· номінальна статична характеристика перетворення (градуювальна характеристика) — залежність між інформативними параметрами вхідного і вихідного сигналів;

· коефіцієнт перетворення — коефіцієнт пропорційності лінійної залежності вхідного і вихідного сигналів;

· чутливість — відношення приросту вихідного сигналу до відповідного йому приросту вхідного сигналу (для випадку лінійної залежності чутливість збігається з коефіцієнтом перетворення);

· діапазон вимірювань — різниця граничних величин, що обмежують діапазон вимірюваної величини у якому робота вимірювального перетворювача задовольняє поставленим вимогам. В акустиці, оптиці та деяких інших областях використовується термін динамічний діапазон, що визначається виразом:

Вимоги, що висуваються до вимірювальних перетворювачів

Для успішного застосування вимірювальні перетворювачі повинні мати:

· високу статичну і динамічну точність роботи, що забезпечує формування вихідного сигналу з мінімальними спотвореннями;

· високу вибірковість — сенсор повинен реагувати лише на зміну тієї величини, для виміру якої він призначений;

· стабільність характеристик у часі;

· відсутність впливу навантаження у вихідному колі на режим роботи вхідного ланцюга;

· високу надійність при роботі в несприятливих умовах навколишнього середовища;

· повторюваність характеристик (взаємозамінність);

· просту і технологічну конструкцію;

· зручний монтаж та обслуговування;

· низьку вартість.

Класифікація вимірювальних перетворювачів

За принципом дії

Принцип роботи вимірювального перетворювача може базуватись на використанні практично будь-яких фізичних явищ. Задача полягає в розробці на основі цих явищ принципів дії перетворювачів і доведення їх до конкретних методів та конструкцій, що забезпечували б, у першу чергу, необхідні метрологічні характеристики в заданих умовах застосування. У зв'язку з широким використанням передачі сигналів у вигляді електричних величин класифікація перетворювачів за видом сигналу може бути зведена до наступних видів:

· перетворення електричних величин в електричні (подільники напруги і струму, вимірювальні трансформатори, вимірювальні підсилювачі струму і напруги);

· перетворення неелектричних величин в електричні (термопари, терморезистори, тензорезистори, фотоелементи, реостатні, ємнісні та індуктивні датчики переміщення і т. д.);

· перетворення електричних величин в неелектричні (механізми електровимірювальних приладів, що перетворюють величину сили струму чи напруги у відхилення стрілки чи світлового променя, датчики ультразвукових витратомірів і т. д.);

· перетворення неелектричних величин в неелектричні (пневматичні вимірювальні перетворювачі, важелі, зубчасті передачі, мембрани, сильфони, оптичні системи тощо).

За виглядом функції перетворення

За виглядом функції перетворення вимірювальні перетворювачі поділяють на три великі групи:

· масштабні, що змінюють в певну кількість разів розмір вхідної величини без зміни її фізичної природи;

· функціональні, що однозначно функціонально перетворюють вхідну величину зі зміною природи вхідної величини або без її зміни;

· операційні, які виконують над вхідною величиною математичні операції вищого порядку — диференціювання чи інтегрування за часовим параметром.

У залежності від виду вихідного сигналу

· Аналоговий вимірювальний перетворювач — вимірювальний перетворювач, що перетворює одну аналогову величину (аналоговий вимірювальний сигнал) в іншу аналогову величину (вимірювальний сигнал);

· Аналого-цифровий вимірювальний перетворювач — вимірювальний перетворювач, призначений для перетворення аналогового вимірювального сигналу у цифровий код;

· Цифро-аналоговий вимірювальний перетворювач — вимірювальний перетворювач, призначений для перетворення числового коду вимірюваного сигналу в аналогову величину.

За характером перетворення вхідної величини у вихідну

· параметричні, до яких відносять резистивні, індуктивні, трансформаторні і ємнісні перетворювачі. Їх широко використовують для перетворення неелектричних величин (переміщення, зусилля, тиску, температури та ін.) у електричні величини (напругу, струм, частоту та ін.);

· генераторні перетворювачі перетворюють вхідні величини в електрорушійну силу. Вони не потребують енергії додаткових джерел живлення, оскільки використовують енергію вхідного сигналу. Найбільшого поширення набули індукційні, термоелектричні, п'єзоелектричні, фотоелектричні перетворювачі;

· частотні перетворювачі бувають позиційні і коливальні. Позиційні частотні перетворювачі мають зазвичай укріплений на осі ротора об'єкта профільований диск, який при своєму обертанні модулює сигнал у колі параметричного перетворювача або генерує сигнал у вихідному колі. В коливальних частотних перетворювачах використовуються властивості коливальних систем різної фізичної природи;

· фазові перетворювачі перетворюють вхідну величину у фазовий зсув вихідної змінної напруги. Відлік фазового зсуву ведеться від опорної напруги, якою найчастіше береться напруга живлення. Використовуються фазові перетворювачі для вимірювання як електричних, так і неелектричних величин.

2.Принцип дії цифрових вимірювальних приладів заснований на перетворенні вимірювального неперервного сигналу в електричний код, який відображається у цифровій формі.

У загальному випадку цифровий прилад містить вхідний пристрій, аналогово-цифровий перетворювач і цифровий відліковий пристрій.

Вхідний пристрій призначений для забезпечення великого вхідного опору, зміни діапазону вимірювання та визначення полярності вхідного пристрою. Аналогово-цифровий перетворювач перетворює аналоговий розмір у дискретний сигнал у вигляді електричного коду пропорційний вимірювальній величині. Результат вимірювання реєструється на табло цифрового відлікового пристрою.

Перевагою цифрових приладів є малі похибки вимірювання (0,1 – 0,001%) у широкому діапазоні вимірювальних сигналів, висока швидкість дії (до 500 вимірювань/с), видача результатів вимірювань у цифровому вигляді, можливість документальної реєстрації вимірювальної інформації за комп’ютерної техніки для наступного опрацювання.

До недоліків варто віднести: складність схем і конструкції, високу вартість, меншу надійність. Ці недоліки можна вважати тимчасовими, оскільки в даний час вони швидко усуваються у зв’язку з розвитком мікроелектронної елементної бази.