Параметрические измерительные преобразователи

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 7Следующая ⇒

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления как и термопары, предназначены для измерения температуры газообразных, твердых и жидких тел, а также температуры поверхности. Принцип действия термометров основан на использовании свойства металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с температурой. Для проводников из чистых металлов эта зависимость в области температур от –200 °С до 0 °С имеет вид:

R_t=R₀[1+At+Bt²+C(t-100)t³],

а в области температур от 0 °С до 630 °С

R_t=R₀[1+At+Bt²],

где R_t, R₀ — сопротивление проводника при температуре t и 0 °С; А, В, С — коэффициенты; t — температура, °С.

В диапазоне температур от 0 °С до 180 °С зависимость сопротивления проводника от температуры описывается приближенной формулой

R_t=R₀[1+α t],

где α — температурный коэффициент сопротивления материала проводника (ТКС).

Для проводников из чистого металла α ≈ 6-10^-3...4-10^-3 град^-1.

Измерение температуры термометром сопротивления сводится к измерению его сопротивления R_t, с последующим переходом к температуре по формулам или градуировочным таблицам.

Различают проволочные и полупроводниковые термометры сопротивления. Проволочный термометр сопротивления представляет собой тонкую проволоку из чистого металла, закрепленную на каркасе из температуростойкого материала (чувствительный элемент), помещенную в защитную арматуру (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Чувствительный элемент термометра сопротивления

Выводы от чувствительного элемента подведены к головке термометра. Выбор для изготовления термометров сопротивления проволок из чистых металлов, а не сплавов, обусловлен тем, что ТКС чистых металлов больше, чем ТКС сплавов и, следовательно, термометры на основе чистых металлов обладают большей чувствительностью.

Промышленностью выпускаются платиновые, никелевые и медные термометры сопротивления. Для обеспечения взаимозаменяемости и единой градуировки термометров стандартизованы величины их сопротивления R₀ и ТКС.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) представляют собой бусинки, диски или стержни из полупроводникового материала с выводами для подключения в измерительную цепь.

Промышленность серийно выпускает множество типов термисторов в различном конструктивном оформлении.

Размеры термисторов, как правило, малы — около нескольких миллиметров, а отдельные типы десятых долей миллиметра. Для предохранения от механических повреждений и воздействия среды термисторы защищаются покрытиями из стекла или эмали, а также металлическими чехлами.

Термисторы обычно имеют сопротивление от единиц до сотен килоом; их ТКС в рабочем диапазоне температур на порядок больше, чем у проволочных термометров. В качестве материалов для рабочего тела термисторов используют смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со связующим веществом, придают ему требуемую форму и спекают при высокой температуре. Применяют термисторы для измерения температур в диапазоне от -100 до 300°С. Инерционность термисторов сравнительно невелика. К числу их недостатков следует отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, а также необратимое изменение сопротивления во времени.

Для измерения в области температур, близких к абсолютному нулю, применяются германиевые полупроводниковые термометры.

Измерение электрического сопротивления термометров производится с помощью мостов постоянного и переменного тока или компенсаторов. Особенностью термометрических измерений является ограничение измерительного тока с тем, чтобы исключить разогрев рабочего тела термометра. Для проволочных термометров сопротивления рекомендуется выбрать такой измерительный ток, чтобы мощность, рассеиваемая термометром, не превышала 20... 50 мВт. Допустимая рассеиваемая мощность в термисторах значительно меньше и ее рекомендуется определять экспериментально для каждого термистора.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы). В конструкторской практике часто необходимы измерения механических напряжений и деформаций в элементах конструкций. Наиболее распространенными преобразователями этих величин в электрический сигнал являются тензорезисторы. В основе работы тензорезисторов лежит свойство металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенных к ним сил. Простейшим тензорезистором может быть отрезок проволоки, жестко сцепленный с поверхностью деформируемой детали. Растяжение или сжатие детали вызывает пропорциональное растяжение или сжатие проволоки, в результате чего изменяется ее электрическое сопротивление. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относительным удлинением соотношением

Δ R/R=K_ΤΔ l/l,

где l, R — начальные длина и сопротивление проволоки; Δ l, Δ R — приращение длины и сопротивления; K_Τ— коэффициент тензочувствительности.

Величина коэффициента тензочувствительности зависит от свойств материала, из которого изготовлен тензорезистор, а также от способа крепления тензорезистора к изделию. Для металлических проволок из различных металлов K_Τ= 1... 3, 5.

Различают проволочные и полупроводниковые тензорезисторы. Для изготовления проволочных тензорезисторов применяются материалы, имеющие достаточно высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления. Наиболее употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20... 30 мкм.

Конструктивно, проволочные тензорезисторы представляют собой решетку, состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (или иную) подложку (рис. 5.5). В зависимости от материала подложки тензорезисторы могут работать при температурах от -40 до +400 °С.

Рис. 5.5. Тензометр

Существуют конструкции тензорезисторов, прикрепляемых к поверхности деталей с помощью цементов, способные работать при температурах до 800 °С.

Основными характеристиками тензорезисторов являются номинальное сопротивление R, база l и коэффициент тензочувствительности K_Τ_. Промышленностью выпускается широкий ассортимент тензорезисторов с величиной базы от 5 до 30мм, номинальными сопротивлениями от 50 до 2000 Ом, с коэффициентом тензочувствительности 2±0, 2.

Дальнейшим развитием проволочных тензорезисторов являются фольговые и пленочные тензорезисторы, чувствительным элементом которых являются решетка из полосок фольги или тончайшая металлическая пленка, наносимые на подложки на лаковой основе.

Тензорезисторы выполняются, на основе полупроводниковых материалов. Наиболее сильно тензоэффект выражен у германия, кремния и др. Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большое (до 50 %) изменение сопротивления при деформации благодаря большой величине коэффициента тензочувствительности.

Индуктивные преобразователи. Индуктивные преобразователи применяются для измерения перемещений, размеров, отклонений формы и расположения поверхностей. Преобразователь состоит из неподвижной катушки индуктивности с магнитопроводом и якоря, также являющегося частью магнитопровода, перемещающегося относительно катушки индуктивности. Для получения возможно большей индуктивности магнитопровод катушки и якорь выполняются из ферромагнитных материалов. При перемещении якоря (связанного, например, со щупом измерительного устройства) изменяется индуктивность катушки и, следовательно, изменяется ток, протекающий в обмотке. На рис. 5.6 приведены схемы индуктивных преобразователей с переменным воздушным зазором d (рис. 5.6а) применяемых для измерения перемещения в пределах 0, 01…10 мм; с переменной площадью воздушного зазора S_δ (рис. 5.6б), применяемых в диапазоне 5 … 20 мм.

а б

Рис. 5.6. Индуктивные преобразователи перемещений

5.2. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением

Для упрощения конструкторских расчетов предполагается, что идеальный ОУ имеет следующие характеристики.

1. Коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи равен бесконечности.

2. Входное сопротивление R_d равно бесконечности.

3. Выходное сопротивление R₀ = 0.

4. Ширина полосы пропускания равна бесконечности.

5. V₀= 0 при V₁= V₂ (отсутствует напряжение смещения нуля).

Последняя характеристика очень важна. Так как V₁-V₂ = V₀ / А, то если V₀ имеет конечное значение, а коэффициент А бесконечно велик (типичное значение 100000) будем иметь

V₁- V₂ = 0 и V₁= V_2.

Поскольку входное сопротивление для дифференциального сигнала(V₁- V₂)

также очень велико, то можно пренебречь током через R_d.Эти два допущения существенно упрощают разработку схем на ОУ.

Правило1. При работе ОУ в линейной области на двух его входах действуют одинаковые напряжения.

Правило2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

Рассмотрим базовые схемные блоки на ОУ. В большинстве этих схем ОУ используется в конфигурации с замкнутой петлей обратной связи.

5.2.1. Усилитель с единичным коэффициентом усиления

(повторитель напряжения)

Если в неинвертирующеи усилителе положить R_i равным бесконечности, а R_f равным нулю, то мы придем к схеме, изображенной на рис. 5.7.

Согласно правилу 1, на инвертирующем входе ОУ тоже действует входное напряжение V_i, которое непосредственно передается на выход схемы. Следовательно, V₀ = V_i, и выходное напряжение отслеживает (повторяет) входное напряжение. У многих аналого-цифровых преобразователей входное сопротивление зависит от значения аналогичного входного сигнала. С помощью повторителя напряжения обеспечивается постоянство входного сопротивления.

5.2.2. Сумматоры

Инвертирующий усилитель может суммировать несколько входных напряжений. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор. Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Базовая принципиальная схема суммирующего усилителя представлена на рис. 5.8.

Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе должно быть равно нулю, следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ. Таким образом,

i_f= i₁+ i₂ +... + i_n

...

Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то после соответствующих подстановок, получаем

V₀ = -R_f ( +... + ).

Резистор R_f определяет общее усиление схемы. Сопротивления R_1, R_{2, .}.. R_n задают значения весовых коэффициентов и входных сопротивлений соответ-ствующих каналов.

5.2.3. Интеграторы

Интегратор – это электронная схема, которая вырабатывает выходнойсигнал, пропорциональный интегралу (по времени) от входного сигнала.

На рис. 5.9 показана принципиальная схема простого аналогового интегратора.Один вывод интегратора присоединен к суммирующему узлу, а другой – к выходу интегратора. Следовательно, напряжение на конденсоторе одновре-менно является выходным напряжением. Выходной сигнал интегратора не удается описать простой алгебраической зависимостью, поскольку при фикси-рованном входном напряжении выходное напряжение изменяется со скорос-тью, определяемом параметрами V_i, R и C. Таким образом, для того, чтобы найти выходное напряжение, нужно знать длительность действия входного сигнала. Напряжение на первоначально разряженном конденсаторе

где i_f – через конденсатор и t_i - время интегрирования. Для положительного

Vi имеем i_i = V_i/R. Поскольку i_f = i_i_,то с учетом инверсии сигнала получаем

Из этого соотношения следует, что V₀ определяется интегралом (с обратным знаком) от входного напряжения в интервале от 0 до t₁, умноженным на масштабный коэффициент 1/RC. Напряжение V_ic - это напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (t = 0).

5.2.4. Дифференциаторы

Дифференциатор вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения во времени входного сигнала. На рис. 5.10 показана принципиальная схема простого дифференциатора.

Ток через конденсатор .

Если производная положительна, ток i_i течет в таком направлении, что формируется отрицательное выходное напряжение V_0.

Таким образом,

Этот метод дифференцирования сигнала кажется простым, но при его практической реализации возникают проблемы с обеспечением устойчивости схемы на высоких частотах. Не всякий ОУ пригоден для использования в дифференциаторе. Критерием выбора является быстродействие ОУ: нужно выбирать ОУ с высокой максимальной скоростью нарастания выходного напряжения и высоким значением произведения коэффициента усиления на ширину полосы. Хорошо работают в дифференциаторах быстродействующие ОУ на полевых транзисторах.

5.2.5. Компараторы

Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора показана на рис. 5.11.

Как видим, здесь ОУ работает с разомкнутой петлей обратной связи. На один из его входов подается опорное напряжение, на другой – неизвестное (сравниваемое) напряжение. Выходной сигнал компаратора указывает: выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного входного сигнала. В схеме на рис.5.11 опорное напряжение V_r подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход поступает неизвестный сигнал V_i.

При V_i > V_r на выходе компаратора устанавливается напряжение V₀= - V_r (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае получаем V₀= +V_r.Можно поменять местами входы – это приведет к инверсии выходного сигнала.

5.3. Коммутация измерительных сигналов

В информационно-измерительной технике при реализации аналоговых измерительных преобразований часто приходится осуществлять электрические соединения между двумя и более точками измерительной схемы с целью вызвать необходимый переходный процесс, рассеять запасенную реактивным элементом энергию (например, разрядить конденсатор), подключить источник питания измерительной цепи, включить ячейку аналоговой памяти, взять выборку непрерывного процесса при дискретизации и т. д. Кроме того, многие измерительные средства осуществляют измерительные преобразования последовательно над большим числом электрических величин, распределенных в пространстве. Для реализации сказанного используются измерительные коммутаторы и измерительные ключи.

Измерительным коммутатором называется устройство, которое преобразует пространственно разнесенные аналоговые сигналы в сигналы, разделенные во времени, и наоборот.

Измерительные коммутаторы аналоговых сигналов характеризуются следующими параметрами:

динамическим диапазоном коммутируемых величин;

погрешностью коэффициента передачи;

быстродействием (частотой переключении или временем, необходимым для выполнения одной коммутационной операции);

числом коммутируемых сигналов;

предельным числом переключений (для коммутаторов с контактными измерительными ключами).

В зависимости от типа используемых в коммутаторе измерительных ключей различаются контактные и бесконтактные коммутаторы.

Измерительный ключ представляет собой двухполюсник с явно выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Переход ключа из одного состояния (закрытого) в другое (открытое) выполняется с помощью управляющего элемента.

5.4. Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровое преобразование составляет неотъемлемую часть измерительной процедуры. В показывающих приборах эта операция соответствует считыванию числового результата экспериментатором. В цифровых и процессорных измерительных средствах аналого-цифровое преобразование выполняется автоматически, а результат либо поступает непосредственно на индикацию, либо вводится в процессор для выполнения последующих измерительных преобразований в числовой форме.

Методы аналого-цифрового преобразования в измерениях разработаны глубоко и основательно и сводятся к представлению мгновенных значений входного воздействия в фиксированные моменты времени соответствующей кодовой комбинацией (числом). Физическую основу аналого-цифрового преобразования составляет стробирование и сравнение с фиксированными опорными уровнями. Наибольшее распространение получили АЦП поразрядного кодирования, последовательного счета, следящего уравновешивания и некоторые другие. К вопросам методологии аналого-цифрового преобразования, которые связаны с тенденциями развития АЦП и цифровых измерений на ближайшие годы относятся, в частности:

- устранение неоднозначности считывания в наиболее быстродействующих АЦП сопоставления, получающих все большее распространение с развитием интегральной технологии;

- достижение устойчивости к сбоям и улучшение метрологических характеристик АЦП на основе избыточной системы счисления Фибоначчи;

- применение для аналого-цифрового преобразования метода статистических испытаний.

5.4.1 Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемой частью автоматических систем контроля управления и регулирования. Кроме того, поскольку подавляющее большинство измеряемых физических величин являются аналоговыми, а их обработка индикация и регистрация, как правило, осуществляются цифровыми методами, ЦАП и АЦП нашли широкое применение в автоматических средствах измерений. Так, ЦАП и АЦП входят в состав цифровых измерительных приборов (вольтметров, осциллографов, анализаторов спектра, корреляторов и т. п.), программируемых источников питания, дисплеев на электроннолучевых трубках, графопостроителей, радиолокационных систем установок для контроля элементов и микросхем, являются важными компонентами различных преобразователей и генераторов, устройств ввода вывода информации ЭВМ. Широкие перспективы применения ЦАП и АЦП открываются в телеметрии и телевидении. Серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых ЦАП и АЦП даст возможность еще более широкого использования методов дискретно непрерывного преобразования в науке и технике.

Существует три разновидности конструктивно технологического исполнения ЦАП и АЦП: модульное, гибридное и интегральное. При этом доля производства интегральных схем (ИС) ЦАП и АЦП в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает, чему в значительной степени способствует широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. ЦАП - устройство, которое создает на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), пропорциональный входному цифровому сигналу. При этом значение выходного сигнала зависит от значения опорного напряжения U_оп, определяющего полную шкалу выходного сигнала. Если в качестве опорного напряжения использовать какой либо аналоговый сигнал, то выходной сигнал ЦАП будет пропорционален произведению входных цифрового и аналогового сигналов.В АЦП цифровой код на выходе определяется отношением пpeобразуемого входного аналогового сигналa к опорному сигналy, соответствующему полной шкале. Это соотношение выполняется и в том случае, если опорный сигнал изменяется по какому-либо закону. АЦП можно рассматривать как измеритель отношений или делитель напряжений с цифровым выходом.

5.4.2. Принципы действия, основные элементы и структурные схемы АЦП

В настоящее время разработано большое количество типов АЦП, удовлетворяющее разнообразным требованиям. В одних случаях преобладающим требованием является высокая точность, в других - скорость преобразования.

По принципу действия все существующие типы АЦП можно разделить на две группы: АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений и АЦП интегрирующего типа.

В АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений используется процесс преобразования, сущность которого заключается в формировании напряжения с уровнями, эквивалентными соответствующим цифровым кодам, и сравнении этих уровней напряжения с входным напряжением с целью определения цифрового эквивалента входного сигнала. При этом уровни напряжения могут формироваться одновременно, последовательно или комбинированным способом.

АЦП последовательного счета со ступенчатым пилообразным напряжением является одним из простейших преобразователей (рис. 5.12).

По сигналу " Пуск" счетчик устанавливается в нулевое состояние, после чего по мере поступления на его вход тактовых импульсов с частотой f_т линейно-ступенчато возрастает выходное напряжение ЦАП.

При достижении напряжением U_вых значения U_вх схема сравнения прекращает подсчет импульсов в счетчике Сч, а код с выходов последнего заносится в регистр памяти. Разрядность и разрешающая способность таких АЦП определяется разрядностью и разрешающей способностью используемого в его составе ЦАП. Время преобразования зависит от уровня входного преобразуемого на-пряжения. Для входного напряжения, соответствующего значению полной шка-лы, Сч должен быть заполнен и при этом он должен сформировать на входе ЦАП код полной шкалы. Это требует для n- разрядного ЦАП времени преобразования в (2ⁿ - 1) раз больше периода тактовых импульсов. Для быстрого аналого-цифрового преобразования использование подобных АЦП нецелесообразно.

В следящем АЦП (рис. 5.13) суммирующий Сч заменен на реверсивный счетчик РСч, чтобы отслеживать изменяющееся входное напряжение. Выходной сигнал КН определяет направление счета в зависимости от того превышает или нет входное напряжение АЦП выходное напряжение ЦАП.

Перед началом измерений РСч устанавливается в состояние, соответствующее середине шкалы (01... 1). Первый цикл преобразования следящего АЦП аналогичен циклу преобразования в АЦП последовательного счета. В дальнейшем циклы преобразования существенно сокращаются, так как данный АЦП успевает отследить малые отклонения входного сигнала за несколько тактовых периодов, увеличивая или уменьшая число импульсов, записанное в РСч, в зависимости от знака рассогласования текущего значения преобразуемого напряжения U_вх и выходного напряжения ЦАП.

АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания)нашли наиболее широкое распространение в силу достаточно простой их реализации при одновременном обеспечении высокой разрешающей способ-ности, точности и быстродействия, имеют несколько меньшее быстродействие, но существенно большую разрешающую способность в сравнении с АЦП, реализующими метод параллельного преобразования.

Для повышения быстродействия в качестве управляющего устройства используется распределитель импульсов РИ и регистр последовательного приближения. Сравнение входного напряжения с опорным ( напряжением обратной связи ЦАП ) ведется, начиная с величины, соответствующей старшему разряду формируемого двоичного кода.

При пуске АЦП с помощью РИ устанавливается в исходное состояние РПП:

1000...0. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее половине диапазона преобразования, что обеспечивается включением его старшего разряда. Если входной сигнал меньше, чем сигнал от ЦАП, в следующем такте с помощью РПП на цифровых входах ЦАП формируется код 0100... 0, что соответствует включению 2-го по старшинству разряда. В результате выходной сигнал ЦАП уменьшается вдвое.

Если входной сигнал превышает сигнал от ЦАП, в очередном такте обеспечивается формирование кода 0110... 0 на цифровых входах ЦАП и включение дополнительного 3-го разряда. При этом выходное напряжение ЦАП, возросшее в полтора раза, вновь сравнивается с входным напряжением и т. д. Описанная процедура повторяется n раз (где n - число разрядов АЦП).

В результате на выходе ЦАП сформируется напряжение, отличающееся от входного не более, чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования снимается с выхода РПП.

Достоинством данной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразователей сравнительно высокого быстродействия (с временем преобразования порядка несколько сот наносекунд).

В АЦП непосредственного считывания(параллельного типа) (рис. 5.15) входной сигнал одновременно прикладывается ко входам всех КН, число m которых определяется разрядностью АЦП и равно m = 2ⁿ - 1, где n - число разрядов АЦП. В каждом КН сигнал сравнивается с опорным напряжением, соответствующем весу определенного разряда и снимаемым с узлов резисторного делителя, питаемого от ИОН.

Выходные сигналы КН обрабатываются логическим дешифратором, вырабатывающим параллельный код, являющийся цифровым эквивалентом входного напряжения. Подобные АЦП обладают самым высоким быстродействием. Недостаток таких АЦП заключается в том, что с ростом разрядности количество требуемых элементов практически удваивается, что затрудняет построение многоразрядных АЦП подобного типа. Точность преобразования ограничивается точностью и стабильностью КН и резисторного делителя. Чтобы увеличить разрядность при высоком быстродействии реализуют двухкаскадные АЦП, при этом с выходов второй ступени ДШ снимаются младшие разряды выходного кода, а с выходов ДШ первой ступени - старшие разряды.

АЦП с модуляцией длительности импульса (однотактный интегрирующий)

АЦП характеризуется тем, что уровень входного аналогового сигнала U_вхпреобразуется в импульс, длительность которого t_имп является функцией значения входного сигнала и преобразуется в цифровую форму с помощью подсчета числа периодов опорной частоты, которые укладываются между началом и концом импульса. Выходное напряжение интегратора под действием подклю-

ченного к его входу U_оп изменяется от нулевого уровня со скоростью

В момент, когда выходное напряжение интегратора становится равным входному U_вх, КН срабатывает, в результате чего заканчивается формирование длительности импульса, в течение которого в счетчиках АЦП происходит подсчет числа периодов опорной частоты. Длительность импульса определяется временем, за которое напряжение U_выхизменяется от нулевого уровня до U_вх:

Достоинство данного преобразователя заключается в его простоте, а недостатки - в относительно низком быстродействии и низкой точности.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 Следующая ⇒