Измерительные преобразователи

Схема	Наименование	Выходной параметр	Тип звена
Измерение давления иразрежения р
	Манометрическая пружина	Перемещение конца трубки S	Инерционное или колебательное
	Гармониковая мембрана (сильфон)	Перемещение сильфона S	То же
	Дифференциальный манометр	Перемещение мембраны S	»
	Колокольный манометр	Теремещенис поплавка S	»
Измерение температуры t
	Металлический терморезистор	Электрическое сопротивление R	Инерционное (безынерционное)
	Дилатометр	Перемещение стержня S	То же
	Термопара	Напряжение U	»
	Манометрический термометр	1еремещение 5	»
	Поплавок	Перемещение	Безынерционное (колебательное)
Измерение расхода G
	Дроссельный расходомер	Перепад давления Ар	Безынерционное
	Счетчик	Частота вращения n	То же
	Пневмометрическая трубка	Перепад давления	»
Измерение перемещения S,
	Мост постоянного и переменного тока	Напряжение U	Безынерционное
	Сельсинтрансформатор	То же	То же
	Дифференциально-трансформаторный преобразователь	»	»
Измерение частотывращения n
	Механический тахометр	Перемещение S	Колебательное
	Электрический тахометр	Напряжение U	Безынерционное
	Частотный тахометр	Напряжение U	Безынерционное

Статическая характеристика устройств этого типа

,

где — эквивалентная площадь упругого элемента, м²; р — контролируемое давление, Н/м²; К —жесткость упругого элемента, м/Н.

Динамические характеристики механических измерителей давления описываются передаточной функцией (ПФ) инерционного или, если масса подвижных частей значительна, колебательного звена. Постоянная времени инерционного звена , где К — коэффициент трения среды, давление которой измеряют в .

Для измерения разности давлений используют дифференциальные манометры, выходная величина S которых пропорциональна разности контролируемых давлений . Механические измерители применяют для контроля давления от до 100 МН.

Для очень малых давлений удобны колокольные манометры. В динамическом отношении они также эквивалентны механическим. Коэффициент преобразования измерителя

где F_С и F_K — площади сосуда и стенок колокола, м²; — плотность жидкости, кг/м³.

Кроме механических применяют электрические измерители давления, использующие тензодатчики, пьезорезисторы, магнитоупругие элементы и т. д. В динамическом отношении эти измерители соответствуют безынерционным звеньям, коэффициент преобразования усиления которых определяется конструктивными особенностями измерителя.

Измерение температуры. Его проводят на основе зависимости некоторых физических параметров измерителя от температуры (табл. 4.1). Работа этой группы преобразователей основана на тепловом расширении твердых тел, жидкостей или газов (биметаллические, дилатометрические, манометрические измерители), на изменении сопротивления проводников и полупроводников (терморезисторы) или изменении термоЭДС, возникающей в двух проводниках разной физической природы при наличии разности температур в точках их соединения (термопара).

Диапазон измерения платиновых терморезисторов — от -220 до 500 °С, медных — от -50 до 180°С. Статическая характеристика металлических терморезисторов в рабочем диапазоне измеряемых температур практически линейна. Коэффициент преобразования для медных терморезисторов гр. 50М и 100М соответственно 0,214 и 0,428 Ом/°С, платиновых гр. 50П и 100П соответственно 0,196 и 0,391 Ом/°С.

Полупроводниковые терморезисторы используют для измерения температуры от -90 до 180°С. В отличие от металлических статическая характеристика полупроводниковых терморезисторов нелинейная, ее крутизна (коэффициент преобразования) с увеличением температуры падает. Существенный недостаток таких измерительных преобразователей — отсутствие взаимозаменяемости, поэтому их градуировка индивидуальна.

Термоэлектрические измерительные преобразователи (термопары), как и металлические терморезисторы, имеют линейную статическую характеристику. Коэффициент преобразования самых распространенных из них:

хромель-алюмель — мВ/°С;

хромель-копель — мВ/°С;

медь-константан — мВ/°С.

Диапазон измерения хромель-алюмелевых термопар от -50 до 100°С, а хромель-копелевых — от —50 до 600°С.

В динамическом отношении передаточные функции измерителей температуры распространенных типов могут быть аппроксимированы последовательно включенными инерционным и запаздывающим звеньями

Параметры k, T и в основном зависят от конструкции преобразователя, например, для термопар — от толщины и длины металлической гильзы (чехла), защищающей измерительный преобразователь от механических воздействий или от контактов с измеряемой средой. Так, постоянная времени Т находится обычно в диапазоне от 2 до 10 мин.

Работа дилатометрических и биметаллических измерительных преобразователей основана на различии коэффициентов теплового расширения твердых тел, из которых выполнены чувствительные элементы. В дилатометрическом преобразователе по значению перемещения свободного конца стержня судят о температуре t измеряемой среды.

Свободный конец биметаллического преобразователя изгибается в сторону металла обычно с меньшим коэффициентом линейного расширения. Статическая характеристика биметаллического преобразователя нелинейная. Его динамические характеристики соответствуют характеристикам инерционного звена.

В манометрическом преобразователе изменение температуры окружающей среды t вызывает изменение давления в замкнутой системе, заполненной жидкостью, парожидкостной смесью или газом. По значению перемещения конца манометрической пружины судят о температуре среды, в которую помещен термобаллон. Статическая характеристика этого измерительного преобразователя также нелинейная. В динамическом отношении он подобен инерционному звену.

Класс точности манометрических термометров составляет 1,0...2,5. Диапазон измеряемых температур -160...600°С. Длина капилляра, связывающего термобаллон с манометрической пружиной, до 60 м.

Измерение уровня.Чаще всего его осуществляют с помощью поплавка, плотность которого меньше плотности жидкости, или погружного поплавка, плотность которого больше, чем плотность жидкости (табл. 4.1). В первом случае поплавок следит за уровнем жидкости, во втором устройство действует по принципу измерения выталкивающей силы, действующей на поплавок.

Кроме поплавковых применяют также измерители, использующие массу сосуда с жидкостью, гидростатическое давление или зависимость электрического сопротивления от уровня контролируемой жидкости.

В динамическом отношении измерители уровня эквивалентны колебательным звеньям или безынерционным звеньям с коэффициентом преобразования К, определяемым конструкцией устройства.

Измерение расхода.Это одно из самых сложных и ответственных видов измерений (табл. 4.1). Расход измеряют в массовых (т, кг/с) или объемных (V, м³/с) единицах. Связь между ними определяется соотношением , где — плотность измеряемой среды, кг/м³.

Расход жидкости или газа при можно измерить с помощью специально устанавливаемого в трубопроводе сужающего устройства, перепад давления накотором пропорционален расходу среды. Этот перепад измеряется дифференциальным манометром. Расходомер этого типа называют дроссельным. В динамическом отношении он эквивалентен безынерционному звену с коэффициентом преобразования

,

где С — коэффициент, значение которого зависит от геометрической формы и размеров сужающего устройства, диаметра трубопровода и плотности измеряемой среды.

Очевидно, статическая характеристика этого измерительного устройства нелинейна.

Для измерения количества вещества G, кг, используют скоростные или объемные счетчики, рабочий орган которых — крыльчатка, вращаемая потоком жидкости. Количество среды, прошедшей через трубопровод, пропорционально частоте вращения крыльчатки, измеряемой интегрирующим прибором.

Принцип действия у счетчиков количества газа аналогичен, но их рабочий орган имеет иную конструкцию, например в виде двух вращающихся овальных шестерен.

Объемный расход жидкости или газа можно также определить по скорости их движения с помощью пневмометрической трубки. Последнюю располагают по оси трубопровода навстречу потоку. Она воспринимает динамический напор Ар, равный разности между полным и статическим напором.

Динамический напор измеряют дифференциальным манометром. Он служит для вычисления скорости в измеряемой точке сечения.

Устройства этого типа используют для измерения расхода жидкостей или газов в трубопроводах больших диаметров и некруглого сечения.

Измерение перемещения.Его осуществляют с помощью датчиков потенциометрического типа, разных электромашинных устройств или индуктивных преобразователей (табл. 4.1).

Преобразователи потенциометрического типа включают в мостовую схему, питаемую постоянным или переменным током.

Электромашинный преобразователь — сельсин представляет собой миниатюрную электрическую машину, состоящую из статора и ротора. На статоре обычно располагают три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120° по отношению одна к другой; а на роторе — одну обмотку. При использовании сельсинов в трансформаторном режиме одноименные зажимы обмоток статоров сельсинов датчика и приемника соединяют между собой. На обмотку ротора сельсина-датчика подают напряжение переменного тока U_П, а с ротора сельсина-приемника снимают напряжение U, значение которого пропорционально синусу угла рассогласования роторов. При этом согласованным является положение, при котором оси обмоток роторов сельсинов сдвинуты на 90°.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи имеют три обмотки, одна из них, первичная, питается переменным током U_П, а две другие, вторичные, включены навстречу одна другой. При среднем положении плунжера напряжение U, индуцируемое во вторичных обмотках, равно нулю. При отклонении плунжера от среднего положения на выходе датчика появляется напряжение переменного тока, значение и фаза которого зависят от значения ^и направления отклонения.

Статическая характеристика дифференциально-трансформаторного преобразователя в пределах рабочего диапазона линейна.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи - универсальные преобразователи перемещения в электрический сигнал для большой группы измерителей расхода, давления, уровня и других параметров.

В динамическом отношении все преобразователи перемещения представляют собой безынерционные звенья. Коэффициент их преобразования

,

где U_П — напряжение питания схемы, В; - сопротивление нагрузки, Ом; R — полное сопротивление преобразователя, Ом.

Коэффициент преобразования, В/рад, сельсинной пары в трансформаторном режиме

где — максимальное выходное напряжение, В.

Коэффициент преобразования, В/мм, дифференциально-трансформаторного преобразователя

,

где и — число витков первичной и вторичной обмоток преобразователя; S_BX — значение входной величины.

Измерение частоты вращения.Его проводят с помощью механических, гидравлических, индукционных, частотных и электрических устройств (табл. 4.1).

К механическим измерителям частоты вращения относят центробежные тахометры. При вращении вала тахометра на грузы действует центробежная сила, под действием которой они расходятся, деформируя пружину и перемещая муфту.

В динамическом отношении центробежные тахометры — колебательные звенья.

Параметры их передаточных функций зависят от конструкции измерительного устройства.

К механическим измерителям относят также гироскопы.

Гидродинамические измерители преобразуют угловую скорость вращения в давление жидкости, создаваемое насосом.

В индукционных измерителях входной вал соединен с постоянным магнитом. При вращении магнита в металлическом диске индуктируется ЭДС, которая порождает вихревые токи. От их взаимодействия с полем постоянного магнита возникает момент вращения, значение которого пропорционально частоте вращения входного вала.

Действие электромашинных измерителей частоты вращения (электрических тахометров) основано на зависимости развиваемой генератором постоянного тока ЭДС U от частоты вращения ротора n.

В динамическом отношении электрический тахометр подобен безынерционному звену с коэффициентом преобразования

где — коэффициент, зависящий от конструкции: числа пар полюсов, числа проводников обмотки якоря и числа параллельных ветвей; — магнитный поток. Вб.

Обычно значение коэффициента передачи тахогенератора находится в пределах 0,06...1,15В с/рад.

При измерении частоты вращения рабочих органов мобильных сельскохозяйственных агрегатов часто применяют импульсные измерители скорости, преобразующие угловую скорость в частоту следования импульсов некоторого значения (тока, светового потока, излучения и т.д.). В динамическом отношении эти измерительные устройства также подобны безынерционному звену с коэффициентом передачи , где n — число зубцов или отверстий врашаюшегося диска.