Первичные измерительные преобразователи

1. Часть 2

Первичные измерительные
преобразователи

2.

• Измерительный преобразователь (ИП) ― техническое
устройство, предназначенное для преобразования одной
физической величины в другую, функционально с ней
связанную.
• Первичный измерительный преобразователь — ИП, на
который непосредственно воздействует измеряемая
физическая величина. Первичный ИП является первым
преобразователем в измерительной цепи.
• Промежуточный измерительный преобразователь — ИП,
занимающий место в измерительной цепи после
первичного преобразователя.
• Датчик — конструктивно обособленная совокупность
ряда ИП, размещенная непосредственно у объекта
управления

3. ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные»

Сигналы постоянного напряжения
Сигналы постоянного тока
Диапазон, В
Сопротивление
нагрузки, не
менее, Ом
Диапазон,
мА
Сопротивление
нагрузки, не более, Ом
(в скобках – для СИА на
ИМС)
0…5
1000
0…5
2500 (2000)
1…5
1000
–5…+5
2500 (2000)
0…10
2000
0…20
1000 (500)
–10…+10
2000
4…20
1000 (500)

4. Простейший потенциометрический преобразователь

В режиме холостого хода
При равномерной намотке
U в ых
Rx
U
.
R
x
x
Rx R . Тогда U в ых U .
l
l

5. Реверсивные потенциометрические преобразователи

U в ых
x
U
l
U в ых
x
2U
l

6. Тензорезисторные преобразователи

Закон Гука:
l
l
,
l
E
где εl ─ относительная продольная деформация;
l – длина проводника;
Δl – изменение длины в результате деформации;
σ – механическое напряжение в проводнике;
Е – модуль упругости (механическая х-ка материала).
Относительная поперечная деформация проводника
εn = − εl /μ,
где μ – коэффициент Пуассона.

7. Сопротивление тензорезистора

Активное сопротивление проводника
R = ρl/S.
Изменение сопротивления проводника:
R
R
R
R
l
S
l
S
Относительное изменение сопротивления
R
R l S
R
l
S
Тензоэффект характеризуется коэффициентом
тензочувствительности:
S
R
kт
1
l
l l
Для металлов и ряда сплавов (константан, нихром) kт
близок к 2.

8. Конструкция тензорезисторов а − проволочный, б − фольговый

9. Схемы включения тензорезисторов: а) − потенциометрическая, б) − мостовая

10. Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия основан на изменении электрического
сопротивления материала при изменении температуры.
Используемые материалы для проводниковых ТС:
Металл
ТКС,
1/°С
Диапазон
температур, °С
(рекомендован)
Особенности
Платина
0,0039
–196 … 600
Никель
0,0067
–60 … 180
Высокая точность и стабильность.
Высокое удельное
сопротивление. Высокая
линейность.
Наиболее высокий ТКС
Медь
0,0043
–50 … 150
Наиболее линейная
характеристика, низкое удельное
сопротивление

11.

Зависимость сопротивления от температуры:
R R0 (1 2 3 ...),
где R0 – сопротивление проводника при начальной температуре;
Θ – перегрев проводника относительно начальной температуры;
α, β, γ, … – коэффициенты, зависящие от свойств проводника.
Конструктивное исполнение:

12. Термисторы

ТКС < 0
T
1
a0 a1 ln R a2 (ln R ) 2
ТКС >> 0 (позистор)

13. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Термоэлектрические цепи
Наиболее распространенные
термопары:
• хромель-копелевые (тип ТХК)
• хромель-алюмелевые (тип ТХА)
• Хромель:
89% Ni + 10% Cr +примеси.
• Копель:
56% Cu + 44% Ni.
• Алюмель:
94% Ni + 2% Al + 2,5% Mn + 1% Si +
примеси

14. Индуктивные преобразователи перемещения

Простейший индуктивный
преобразователь
U вых
2URн
0 w 2 S
Статическая характеристика
индуктивного преобразователя

15. Дифференциальный реверсивный индуктивный преобразователь

16. Мостовой реверсивный индуктивный преобразователь

17. Цилиндрический реверсивный индуктивный преобразователь

18. Трансформаторные преобразователи

Плоский дифференциально-трансформаторный
преобразователь
Uвых = E1 – E2 = 4,44 f (w1Ф1m – w2Ф2m) = 4,44 f w (Ф1m – Ф2m)

19. Цилиндрический дифференциально-трансформаторный преобразователь

Цилиндрический дифференциальнотрансформаторный преобразователь

20. Магнитоупругие преобразователи

Зависимость кривой намагничивания
от механических напряжений
а) ‒ никель; б) ‒ пермаллой
а

21. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезочувствительный элемент
Кристалл кварца

22.

Электрические заряды, возникающие на
гранях ABCD и EKGH при действии силы Fx
qx = kпFx
Напряжение между гранями пьезочувствительного элемента при отсутствии нагрузки в
первый момент после приложения силы Fx
U = qx/C,
где С = Сп + Сн
Таким образом, выходное напряжение при
t=0
kп Fx
U вых
Cп Сн

23. Емкостные преобразователи

Емкость плоскопараллельного конденсатора
Емкостной преобразователь
углового перемещения
C
0 r (r12 r12 )
2d
( 0 )
C
0 r S
d
Цилиндрический емкостной
преобразователь
C
2 0 r l
D
ln
d

24. Тахогенераторы

Тахогенератор постоянного тока
Уравнение якорной цепи
U вых E I я Rяц ,
где E = сеФω – ЭДС тахогенератора;
Iя = Uвых/Rн – ток якоря
Отсюда
U вых
ce
Rя.ц
1
Rн

25. Статические характеристики тахогенератора постоянного тока

Динамические характеристики
тахогенератора постоянного тока
Уравнение динамики:
uв ых
diя
e Lя
iя Rя.ц
dt
Подставляем е и iя .
Вводим обозначения:
Lя
Rн сеФ
Tя
; kтг
.
Rя.ц Rн
Rя.ц Rн
Получаем:
du
Tя вых uвых k тг
или
dt
Передаточная функция
W ( p)
k тг
1 Tя p
Tя
duвых
d
uвых k тг
dt
dt
или W ( p)
k тг p
1 Tя p

26. Асинхронный тахогенератор

Величина ЭДС вращения:
Евр = k1ωФв
Магнитный поток Фвр , создаваемый током Iвр :
Фвр = k2 ω
Выходная ЭДС, наводимая потоком Фвр в генераторной обмотке:
Евых = 4,44 fwг.эфФвр.m

27. Статические характеристики асинхронного тахогенератора

Динамические характеристики
асинхронного тахогенератора
Wω(p) = k
Wα(p) = kр
Типичные параметры:
• полная погрешность при максимальной рабочей скорости 0,1–2,5%;
• крутизна выходной характеристики 1–10 мВ/(об/мин);
• величина остаточной ЭДС 25–100 мВ.

28. Импульсные преобразователи частоты вращения

Индукционные частотные преобразователи
С обмоткой возбуждения
С постоянным магнитом

29. Трансформаторный преобразователь

Фотоэлектрический
преобразователь

30. Вихретоковые преобразователи

31. Измерительные преобразователи напряжения

Приведение параметров вторичной обмотки к первичной:
U2 = U2(w1/w2); I2 = I2(w2/w1); z2 = = z2(w1/w2)2.
Система уравнений:
Ủ1 = – Ė1 + r1 İ1 + jx1 İ1 ;
– Ė2' = Ủ2' + r2' İ2'+ jx2' İ2' ;
İ1 – İ2' = İ0.

32. Векторная диаграмма трансформатора напряжения

Погрешности трансформатора напряжения:
а) погрешность напряжения
U
kUнU 2 U 1
100 %
U1
б) угловая погрешность φ

33. Измерительные преобразователи тока

34. Преобразователь Холла

Сила Лоренца F = qvB.
Сила действия электрического поля FE = qE = qU/a
Скорость носителей тока
Плотность тока
ЭДС Холла
j
v
j
qn
I
a
U
BI
BI
Rx
qn

35. Датчик тока с преобразователем Холла