Преобразователи неэлектрических величин в электрические

Федеральное агентство  по образованию

Федеральное государственное  образовательное учреждение

Среднего профессионального  образования

Тульский государственный  технический колледж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Электрорадиоизмерения»

 

 

«Преобразователи неэлектрических величин в электрические»

выполнил:

студент группы 3-090108   Кондрашов Е.Б.

 

 

проверил:                                                                                                                 Прокудин С.Б.

 

 

 

 

 

 

Тула 2009

 

Оглавление

 

 

1. Основные понятия. Классификация преобразователей неэлектрических величин……………………………………...…………………………………...3
1. Резистивные преобразователи…………………………….……...………...5
2. Индуктивные и индукционные преобразователи……………………….8
3. Емкостные преобразователи………………………………...………..……13
4. Терморезисторы……………………………………………...……….....…15
5. Термометры электрического сопротивления ……………….……….….19
6. Термоэлектрические преобразователи ……………...………………...…22
7. Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………..25

Литература……………………………………………………...………….……29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

 

 

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерение неэлектрических  величин сводится к тому, что они преобразуются в зависимую от них величину, при измерении которой определяется и неэлектрическая величина.

Электрические приборы для измерения неэлектрических  величин состоят из трех узлов: преобразователя (датчика), измерительного устройства и указателя.

Преобразователь (датчик) устройство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для ее передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения.

Основной  характеристикой преобразователя a=f(x) называется функциональная зависимость выходной величины, выведенная аналитическим или графическим путем.

Чувствительность - S=Aα/Ax есть отношение приращения показания Аα указателя к приращению Аx измеряемой величины x.

Под порогом чувствительности понимается минимальное измерение значения входной величины, которое может быть зарегистрировано преобразователем.

Предел  преобразования - это максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без его повреждения.

Погрешностью  преобразователя называется отклонение его реальной характеристики от номинальной, полученной при первоначальной градуировке.

В зависимости  от того явления, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую, преобразователи делятся на три группы:

электромеханические (контактные, реостатные, тензометрические, электростатические, электромагнитные);

тепловые  и электрохимические (термоэлектрические, термосопротивления, электрохимические);

электронные и ионизационные (электронные, ионные, ионизационные).

По виду получаемой на выходе преобразователя выходной величины все типы преобразователей можно разделить на две группы: параметрические и генераторные.

Если входная  неэлектрическая величина преобразуется в один из параметров электрической цепи (R - сопротивление, L - индуктивность, М - взаимная индуктивность, С - емкость), для измерения которой

необходимо применение источника питания, то преобразователь называется параметрическим, если неэлектрическая величина преобразуется в элктродвижущую силу (ЭДС), то преобразователь называется генераторным.

К параметрическим измерительным преобразователям относятся: резистивные, индуктивные и взаимоиндуктивные, магнитоупругие, емкостные, электролитические, фотоэлектрические преобразователи и терморезисторы.

К генераторным измерительным преобразователям можно отнести: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических преобразователей.

К преобразователям как основным элементам приборов для измерения неэлектрических величин предъявляется ряд специфических требований: постоянство во времени функции преобразования (обычно линейной); высокая чувствительность; малая погрешность; высокие динамические свойства (возможность измерения переходных процессов).

Измерительные устройства служат для преобразования полученного на выходе преобразователя электрического параметра в удобную для измерения электрическую величину. Они выполняются в виде отдельного самостоятельного конструктивного узла и содержат измерительные цепи, усилители, источники питания, стабилизаторы и другие элементы.

Указатель исполняет роль регистрирующего прибора, проградуированного в единицах измерения неэлектрической величины. В качестве указателя используются различные электрические приборы, измеряющие тот или иной электрический параметр, связанный с измеряемой неэлектрической величиной.

По способу  снятия отсчета указатели делятся  на:

визуальные, в качестве которых используются магнитно-электрические механизмы, электроннолучевые трубки, автоматические показывающие мосты и потенциометры, а также цифровые приборы;

регистраторы, назначение которых состоит в записи измеряемой величины в том или другом виде (самопишущие приборы, светолучевые осциллографы и тому подобное).

Основные  требования к указателям такие же, как и к приборам для измерения электрических величин.

 

 

 

 

 

2.1. Реостатные преобразователи

Реостатный преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины X, создавая зависимость:

R=f(x),

где R — сопротивление преобразователя.

На рис. 1 представлено устройство реостатного преобразователя, выполненного в виде изогнутой пластины 1 из изоляционного материала (текстолит, пластмасса, алюминий, покрытый лаком), на которую намотана проволока с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления, изготовленная из манганина, платиноиридиевых сплавов. Для более плавного изменения сопротивления и уменьшения

момента трения щетки  о контактную поверхность число  витков обмотки должно быть возможно большим. Контактная щетка 2, выполняемая из платиноиридиевого сплава или серебра, перемещается по очищенной от изоляции обмотке посредством поводка 5, укрепленного на оси 4, связанной с объектом измерения. Напряжение со щетки снимается через токоподвод к щетке (спиральную пружину) 3.

Для получения надежного  контакта щетки с проволокой необходимо обеспечить контактное усилие порядка 5... 10 г. В настоящее время имеются  преобразователи с контактным усилием  от 0,5 до 2,0 г.

Реостатные преобразователи  применяются в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, а также для измерения ряда других величин, которые могут быть механически преобразованы в линейные или угловые перемещения.       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Устройство реостатного преобразователя:

1 — изогнутая пластина из изоляционного материала; 2 — контактная щетка; 3 — токоподвод к щетке; 4 — ось; 5 -поводок

 

 

 

 

Рис. 2   Устройство реостатного преобразователя:

На корпус 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса защищается, и по металлу перемещается щетка 3. Добавочная щетка 4 скользит по токосъемному кольцу 5. Обе щетки изолированы от приводного валика 6. В качестве материала провода для реостатных преобразователей применяют манганин, константан или фехраль. В ответственных случаях используют платиноиридиевую проволоку (90% Pt + 10% Ir). Диаметр проволоки равен 0,03 мм. Это позволяет изготавливать малогабаритные высокоомные преобразователи (весом 10-12 г при размерах 1×2 см)

 

Данные  о материалах проволоки, употребляемой для намотки реостатных преобразователей

 

Название материала	Состав, %	Удельное сопротивле-ние, Ом	Температурный коэффициент сопротивления 1/Cх10-6	Максим. рабочая темпер., °С	Температур-ный  коэффициент линейного расширения 1/°Сх106
Константан Нихром Манганин     Фехраль     Никель	60 Cu; 40 Ni; 60 Ni; 15 Cr 85 Cu; 12 Ma; 2-4 Ni   80 Fe, 12-150 Cr 3-4,5 Al   99,5 Ni	0,480 1,1-1,2 0,42-2,08     1,38 1,38   0,0703-0790	5 130 29-40     при 20°C-15°C при 400°С-50°C   6,000	500 1050 300     1200 1200   –	15,2 14 23     17 17   13,1

 

Электрический бензинометр применяется для  измерения уровня горючего в баках  автомобиля, самолета и тому подобное. Устройство прибора изображено на рис. 3, а.

От поплавка 1, погруженного в бак с бензином, идут тяги и рычаги 6 и 7 к движку 2 реостатного преобразователя 3. Для того чтобы пары горючего не могли проникнуть в камеру реостатного преобразователя, рычаг, передающий перемещение поплавка к движку, проходит через гибкую металлическую гофрированную трубку (сильфон) 4; эластичный сильфон, герметизируя камеру, не препятствует качанию рычага. Преобразователь крепится к баку при помощи фланца 5. Измерительная цепь уровнемера показана на рис. 3, (б). Здесь указателем является магнитоэлектрический логометр, обе рамки которого включены последовательно.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Индуктивные и индукционные преобразователи

Индуктивный преобразователь.

 Принципиальные схемы индуктивных преобразователей показаны на рис. 6 Индуктивный преобразователь (см. рис. 6, а — схема для измерения малых перемещений) представляет собой электромагнит 1 с воздушным зазором, величина (длина) 5 которого изменяется в 
функции от измеряемой механической величины F. Особенно 
широко применяются дифференциальные преобразователи (см. 
рис. 6, б), в которых одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов, что увеличивает чувствительность и улучшает другие характеристики преобразователя. 

При изменении зазора 8 изменяется магнитное сопротивление R_M магнитопровода электромагнита, связанное с его размерами известной зависимостью:

где l_i, s_i, μ_i— длина, площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость j-го участка стальной части магнитной цепи; \х₀ — магнитная проницаемость воздуха; δ и s — длина и площадь поперечного сечения воздушного зазора.

Изменение магнитного сопротивления R_м оценивается по величине полного сопротивления Z катушки 2 (см. рис. 6, а), так как при перемещении якоря 3 изменяются как активное, так и реактивное сопротивления катушки. Первое изменяется в результате изменения потерь на гистерезис и вихревые токи, а второе — из-за изменения индуктивности катушки.

Индуктивность катушки  связана с магнитным сопротивлением R_м следующей зависимостью: L=Фω/l=Iω/R_mI*ω/I=ω²/R_m , где l_i, s_i, μ_i— длина, площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость j-го участка стальной части магнитной цепи; \х₀ — магнитная проницаемость воздуха; δ и s — длина и площадь поперечного сечения воздушного зазора.

Изменение магнитного сопротивления R_м оценивается по величине полного сопротивления Z катушки 2 (см. рис. 6, а), так как при перемещении якоря 3 изменяются как активное, так и реактивное сопротивления катушки. Первое изменяется в результате изменения потерь на гистерезис и вихревые токи, а второе — из-за изменения индуктивности катушки.

Индуктивность катушки связана с магнитным сопротивлением R_м следующей зависимостью: L=Фω/l=Iω/R_mI*ω/I=ω²/R_m , где Ф — магнитный поток; ω — число витков катушки; I— ток в катушке.

Сопротивление R_Fe, эквивалентное потерям P_Fe, можно записать следующей формулой: R_Fe=P_Fe/I²

Однако потери P_Fe в первом приближении пропорциональны квадрату потока Ф, поэтому: R_Fe=KФ²/I²=K ω²/R_m , где К — коэффициент, зависящий от конструкции преобразователя. При изменении воздушного зазора 8 меняются как активное, так и реактивное сопротивления катушки, а следовательно, и полное ее сопротивление Z.