Измерительный преобразователь — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
По характеру преобразования:
По месту в измерительной цепи:
По другим признакам:
По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.
1. Резистивные преобразователи. Принцип действия, общие
свойства, область применения.
Сопротивление постоянному току одноэлементного резистивного преобразователя зависит от его длины l, поперечного сечения S и удельного сопротивления материала р. Если сечение резистора постоянно по его длине, то R = pl/S. Применяемые в настоящее время пленочные резисторы, толщина которых определяется технологией нанесения пленки, а ширина и длина сравнимы по значению, характеризуются сопротивлением R площадки, имеющей равные ширину и длину. Таким образом, сопротивление R0 резистора, имеющего длину l и ширину b, определяется формулой R0 =R l/b (например, при l = 3 мм и b = 1 мм R0 = 3R ).
Мощность, выделяемая на резисторе при включении его в измерительную цепь, определяется формулой Р = I 2 R или Р = U2 /R, где I и U — ток и падение напряжения на резисторе. Значение допустимой мощности Рдоп для резистора задается, как правило, допустимым перегревом, и поэтому ограничивают ток через преобразователь или напряжение на нем , где Rmax и Rmin — границы диапазона, в которых может изменяться сопротивление преобразователя в процессе работы. Значение допустимой мощности определяется площадью поверхности Sохл , условиями охлаждения и допустимой температурой перегрева Θдоп , а именно Рдоп =ζ·Sохл ·Θдоп , где ζ — коэффициент теплоотдачи поверхности, или удельная мощность, при выделении которой на единице поверхности охлаждения температура преобразователя повышается на один градус по отношению к окружающей среде. В отдельных случаях среди технических характеристик преобразователей указывается допустимая плотность тока и по ней определяется ток.
Измерительные преобразователи
... определяется по формуле: Средняя квадратическая погрешность для среднего арифметического: Что бы определить погрешность измерительного преобразователя ... U щ - напряжение падения, Rя- сопротивление цепи, Rц- сопротивление ИЦ. График реальной и идеальной функции ( ... выходят за пределы, которые вообще могут быть допустимы. Номинальная статическая характеристика преобразования. - это зависимость ...
Эквивалентная схема резистивного преобразователя учитывает, что при включении резистора в цепь последовательно с его сопротивлением R 0
Рис.1 — Эквивалентная схема резистивного преобразователя
оказывается включенным сопротивление соединительных проводов и контактов R л = 2Rпр + 2Rк , а параллельно — сопротивление изоляции между контактами и сопротивление утечек на корпус или на землю, вместе образующих сопротивление Rу т (рис. 1, а и б).
Таким образом, эквивалентное сопротивление определится как R = (R0 + Rл ) Rут /( R0 + Rл + Rут ).
Разность между сопротивлениями R и Ro равна ∆R = R — R0 = (Rл Rут — R0 Rл — R0 2 )/(R0 + Rл + Ryт ) ≈ Rл — R0 /Ryт , и относительная погрешность сопротивления yR = ∆R/R0 = Rл /R0 — Ro /Rут Очевидно, что при малых сопротивлениях R0 погрешность определяется сопротивлением Rл , а при больших сопротивлениях R0 — сопротивлением Rут . При R0 <√Rл /Rут погрешность yR > 0, а при R0 >√Rл /Rут значение yR < 0.
При включении резистора в цепь переменного тока необходимо учитывать его индуктивность и емкость. Емкость С может быть образована межвитковыми емкостями и емкостями между резистором и близлежащими элементами. Индуктивность прямолинейного участка провода радиусом r 0 и длиной l определяется формулой Индуктивность одновиткового контура радиусом r равна
Индуктивность особенно велика у многовитковых проволочных резисторов. Чтобы ее уменьшить, применяют бифилярную обмотку, показанную на рис. 1,а. При бифилярной обмотке можно пренебречь индуктивностью, но существенно возрастает емкость между проводами при их сближении. Компромиссным решением является применение бифилярной секционной обмотки, показанной на рис. 1,б. Индуктивность L и емкость С являются распределенными параметрами, однако в большинстве случаев их можно учесть как сосредоточенные L BKB и Свкв . Наличие индуктивности и емкости приводит как к появлению реактивной составляющей сопротивления, так и к некоторому изменению активной составляющей. Эквивалентная схема (рис. 2)
Рис.2 — Эквивалентная схема резистивного преобразователя
может быть представлена в виде последовательного или параллельного включения активного и реактивного сопротивлений, определяемых при малых L ЭKB и СЭКВ приближенными формулами:
;
;
;
Сопротивление переменному току можно характеризовать постоянной времени τ, равной τ = L’ ЭKB /R или τ = C’ЭКВ R. Лучшие с этой точки зрения резистивные преобразователи характеризуются τ ≈ 10-6 — 10-7 с. Для преобразователя с τ = 10-6 с изменение модуля сопротивления на 0,01%
Использование резистивного эффекта для измерения физических величин
... Тензорезистивным эффектом, или тензосопротивлением, называется изменение электрического сопротивления ... являются эквивалентными. Выразим изменение сопротивления ... резистивного эффекта 1.1 Магниторезистивный эффект Изменение под действием магнитного поля сопротивления полупроводника, по которому протекает электрический ток, называется магниторезистивным эффектом. Увеличение электрического сопротивления ...
происходит при частоте напряжения питания 1000 Гц.
Активное сопротивление переменному току R на высокой частоте из-за поверхностного эффекта больше сопротивления постоянному току R 0 . Для медного провода диаметром 1 мм увеличение сопротивления на 0,01 % соответствует частоте 10 кГц.
Во всяком сопротивлении R присутствуют тепловые шумы, средняя мощность которых определяется формулой Найквиста: P ш =4kT∆f,
где k — постоянная Больцмана, равная k= 1,38·10 -23 Дж/К;
- Т — абсолютная температура; ∆f — полоса частот, к которой относится мощность.
В полной эквивалентной схеме резистивного преобразователя (рис.2, г) напряжение шума учитывается в виде источника ЭДС U ш .
В зависимости от условий работы преобразователя должны быть учтены те или иные составляющие эквивалентной схемы, однако всегда приходится учитывать сопротивление соединительных проводов и контактов и сопротивление изоляции, поэтому устранению их влияний уделяется особое внимание. Кроме того, при включении преобразователя в измерительную цепь приходится учитывать электрохимическую ЭДС е эх , термо-ЭДС и ЭДС наводок еинд и еэ .
Чувствительность преобразователя и влияние внешних факторов.
В общем случае на резистивный преобразователь влияют различные по физической природе величины: электрические (Х э ), магнитные (Хм ), механические (Хмх ), тепловые (Хт ), световые (Хс ) и т. д.
Функциональные зависимости между сопротивлением резистивного преобразователя и воздействующим фактором используются для построения соответствующих преобразователей, но в то же время приводят к нестабильности сопротивления и появлению погрешностей. Поэтому при построении преобразователя стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления происходило под действием лишь одной измеряемой величины; для этого влияние остальных величин сводят к минимуму конструктивным путем или применением компенсирующих устройств.
Одним из наиболее существенно влияющих факторов является температура. Для чистых металлов и большинства сплавов сопротивление повышается с ростом температуры. Температурная зависимость сопротивления манганина в диапазоне температур 10-35 °С определяется формулой:
В более широком диапазоне температур (от —100 до +300 °С) изменение сопротивления достигает ±0,5%. Удельное сопротивление полупроводников с ростом температуры падает, зависимость сопротивления от температуры нелинейная, но в диапазоне температур 10—30 °С можно приближенно считать ТКС равным 0,03 Кг 1 . Для уменьшения температурных погрешностей применяется термостатирование преобразователей и различные схемы температурной коррекции.
Изменение сопротивлений под действием однонаправленного механического напряжения σ, вызывающего относительную деформацию . Чувствительность проводниковых и полупроводниковых материалов к давлению окружающей среды характеризуется барическим коэффициентом . Этот эффект для металлов сказывается лишь при очень высоких давлениях (больше 10 8 Па).
Полупроводниковые резисторы
... тензорезисторов – от механических напряжений. Рассмотрим подробнее разновидности полупроводниковых резисторов. 1 Варисторы Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения и, обладающий ... керамической технологии, т. е. путем обжига заготовок при высокой температуре. Материалом для изготовления позисторов служит титан - бариевая керамика с ...
Для измерения высоких и сверхвысоких давлений (до 30-Ю 8 Па) используются манганиновые преобразователи. Барический коэффициент манганина Кр = 2,5-10-11 Па-1 . Для работы в активных средах применяются сплавы золота с хромом. Ведется также исследование полупроводниковых материалов, барические коэффициенты которых значительно выше.
Влияние внешнего магнитного поля заметно лишь в преобразователях из специальных материалов, поэтому в большинстве случаев влияние магнитного поля на стабильность резисторов не учитывается.
Освещенность существенно влияет на сопротивление полупроводниковых резисторов. В специально разработанных фоторезисторах сопротивление при переходе от темноты к полной освещенности уменьшается в 100—1000 раз. На другие полупроводниковые резисторы (терморезисторы, тензорезисторы) освещенность влияет, безусловно, меньше, однако может привести к заметной нестабильности их характеристик; поэтому они должны быть экранированы от световых потоков.
Радиоактивное излучение влияет на металлические и полупроводниковые резисторы, вызывая при больших дозах даже необратимые изменения, определяемые как изменениями самого сопротивления, так и ухудшениями свойств изоляции и нарушением герметичности. На основе селенистого кадмия и сернистого кадмия выпускаются специальные резисторы, чувствительные к радиоактивному излучению.
Удельная проводимость некоторых полупроводниковых материалов существенно зависит от напряженности электрического поля. На основе этих материалов (тирит, тервит, винит) разработаны и выпускаются нелинейные полупроводниковые резисторы, называемые варисторами. Сопротивление варистора падает при увеличении напряжения на нем, коэффициент чувствительности к напряжению достигает 0,1—1 В — 1 при напряжении питания до 10 — 20 В. Варисторы находят применение в схемах регулирования и стабилизации электрических величин, а также в схемах защиты от перенапряжений
