Przyrządy pomiarowe - Przetworniki

Pomiary wymagają stosowania przetworników, podstawowym elementem przetwornika jest czujnik pomiarowy. Rozróżnia się: Czujniki generacyjne wielkość nieelektryczna jest przetwarzana bezpośrednio na wielkość elektryczną. Najczęściej powstają w nich: napięcie lub ładunek elektryczny. Wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej, termoelektryczne, fotoelektryczne, piezoelektryczne. Nie wymagają dostarczania energii. Czujniki parametryczne wielkość wejściowa powoduję zmianę jakiegoś parametru czujnika R, L, C, X, Z. Wymagają dostarczenia energii z zewnątrz. Wielkości charakterystyczne przetworników: klasa dokładności, klasa czułości s = ∆Y/∆X, stała przetwornika (odwrotność czułości) C=∆X/∆Y, zakres przetwarzania, zakres pomiarowy, nieliniowość charakterystyki (największe odchylenie od charakterystyki ideowej, w postaci linii prostej). Przetworniki przesunięć liniowych i kątowych. Rezystancyjne to precyzyjne rezystory nastawne, w których suwak wykonuje ruch prostoliniowy, obrotowy lun śrubowy, zmieniając rezystancję wyjściową odpowiednio do przemieszczenia. Pracują w układzie dzielnika napięciowego. Przebieg charakterystyki zależy od rezystancji obciążenia i jest liniowy, gdy ta rezystancja jest nieskończenie wielka. Na wyjściu stosuje się miernik o dużej rezystancji na wejściu. Indukcyjne wykorzystują zmianę indukcyjności własnej lub wzajemnej cewek, przy przemieszczaniu się ruchomego rdzenia. 1) z zamkniętym obwodem magnetycznym - zmiana położenia rdzenia powoduje zmianę wielkości szczelin powietrznych, a tym samym zmianę indukcyjności cewek. 2) z otwartym obwodem magnetycznym – przetwornik jest transformatorem, napięcie wyjściowe U2 zależy od U1, oraz położenia rdzenia. W położeniu środkowym U2’ i U2” są jednakowe.

Przetwornik stanowi transformator, przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego napięcia wtórne U2’ zależy od napięcia zasilającego i położenia rdzenia i przy przemieszczeniu rdzenia rośnie. Przesunięcie mierzymy do 500 mm. Przetworniki są to kondensatory płaskie lub cylindryczne. Wielkość mierzona powoduje w nich zmianę czynnika powierzchni elektrod, odległości między elektrodami lub przenikalności.



Przetworniki temperatur. Przetworniki rezystancyjne wykorzystują zmianę rezystancji metali i półprzewodników pod wpływem temperatury. 1) Metalowe – mają dodatni współczynnik rezystancji. Stosuje się: platynę, nikiel, miedz. Rezystory są nawinięte cienkim drutem na ceramicznym korpusie i aluminiowej obudowie. 2) Półprzewodnikowe – (termistory) wykonane są z mieszanin tlenków metali NTC, PTC, CTR. Termoelement to połączenie 2 różnych metali. Między wolnymi końcami termoelementów powstaje napięcie, którego wartość zależy od temperatury w miejscu ich połączenia. Przetworniki sił naprężeń. Przetworniki tensometryczne pomiar pośredni, wykorzystują zmianę rezystancji metali i półprzewodników pod wpływem odkształceń mechanicznych. Czułość odkształcenia k = r/ζc, gdzie r – względna zmiana rezystancji, ζc – względna zmiana długości. Ζc = G/Esp = F/Esp*ζ, gdzie Esp – moduł sprężystości, G – naprężenie. Tensometr nakleja się na elementy sprężyste i łączy w układ mostkowy. Przetworniki magnetosprężyste (pressoluktory) pomiar bezpośredni, wykorzystują zmianę przenikalności magnetycznej materiałów ferromagnetycznych, przy ich deformacji w zakresie odkształceń sprężystych (k – współczynnik zależy od napięcia zasilającego U1, liczby uzwojeń, właściwości uzwojeń i rozmiarów rdzenia). Przetworniki piezoelektryczne wykorzystują zjawisko pojawienia się ładunku elektrycznego przy ściskaniu płytki z kryształu kwarcu. Kp – stała pizoelektryczna. Pomiary innych wielkości nieelektrycznych. Pomiary ciśnienia (manometry) działają na zasadzie przetwarzania ciśnienia na przemieszczenie, odkształcenie lub zmianę rezystancji czujnika. 1) Czujniki małych ciśnień (od 10 -2 do 10 3 Pa) czujniki rezystancyjne – z cienkiego drutu platynowego o stałej wartości. Ponieważ przewodność cieplna gazu zależy od ciśnienia, to temperatura, a tym samym, rezystancja drutu, zależy od ciśnienia. 2) Czujniki średnich ciśnień (od 10 3 do 10 6 Pa) czujniki membranowe lub mieszkowe, których odkształcenie pod wpływem ciśnienia przetwarza się za pomocą przetworników indukcyjnych, pojemnościowych lub tensometrów. 3) Czujniki dużych ciśnień (do 10 9 Pa) rezystancyjne w kształcie spiralki. Zmiana rezystancji jest spowodowana zmianą wymiarów geometrycznych czujnika i zmianą rezystywności materiału. Pomiary parametrów ruchu. Pomiary prędkości 1)indukcyjne na zasadzie indukowania się siły elektromotorycznej w uzwojeniu pod wpływem zmian w uzwojeniu strumienia magnetycznego. Odmianą jest prądnica działająca na zasadzie prądów wirowych indukowanych tarczy pod wpływem magnesu obracającego się.







Pomiary wymagają stosowania przetworników, podstawowym elementem przetwornika jest czujnik pomiarowy. Rozróżnia się: Czujniki generacyjne wielkość nieelektryczna jest przetwarzana bezpośrednio na wielkość elektryczną. Najczęściej powstają w nich: napięcie lub ładunek elektryczny. Wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej, termoelektryczne, fotoelektryczne, piezoelektryczne. Nie wymagają dostarczania energii. Czujniki parametryczne wielkość wejściowa powoduję zmianę jakiegoś parametru czujnika R, L, C, X, Z. Wymagają dostarczenia energii z zewnątrz. Wielkości charakterystyczne przetworników: klasa dokładności, klasa czułości s = ∆Y/∆X, stała przetwornika (odwrotność czułości) C=∆X/∆Y, zakres przetwarzania, zakres pomiarowy, nieliniowość charakterystyki (największe odchylenie od charakterystyki ideowej, w postaci linii prostej). Przetworniki przesunięć liniowych i kątowych. Rezystancyjne to precyzyjne rezystory nastawne, w których suwak wykonuje ruch prostoliniowy, obrotowy lun śrubowy, zmieniając rezystancję wyjściową odpowiednio do przemieszczenia. Pracują w układzie dzielnika napięciowego. Przebieg charakterystyki zależy od rezystancji obciążenia i jest liniowy, gdy ta rezystancja jest nieskończenie wielka. Na wyjściu stosuje się miernik o dużej rezystancji na wejściu. Indukcyjne wykorzystują zmianę indukcyjności własnej lub wzajemnej cewek, przy przemieszczaniu się ruchomego rdzenia. 1) z zamkniętym obwodem magnetycznym - zmiana położenia rdzenia powoduje zmianę wielkości szczelin powietrznych, a tym samym zmianę indukcyjności cewek. 2) z otwartym obwodem magnetycznym – przetwornik jest transformatorem, napięcie wyjściowe U2 zależy od U1, oraz położenia rdzenia. W położeniu środkowym U2’ i U2” są jednakowe.

Przetwornik stanowi transformator, przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego napięcia wtórne U2’ zależy od napięcia zasilającego i położenia rdzenia i przy przemieszczeniu rdzenia rośnie. Przesunięcie mierzymy do 500 mm. Przetworniki są to kondensatory płaskie lub cylindryczne. Wielkość mierzona powoduje w nich zmianę czynnika powierzchni elektrod, odległości między elektrodami lub przenikalności.
Przetworniki temperatur. Przetworniki rezystancyjne wykorzystują zmianę rezystancji metali i półprzewodników pod wpływem temperatury. 1) Metalowe – mają dodatni współczynnik rezystancji. Stosuje się: platynę, nikiel, miedz. Rezystory są nawinięte cienkim drutem na ceramicznym korpusie i aluminiowej obudowie. 2) Półprzewodnikowe – (termistory) wykonane są z mieszanin tlenków metali NTC, PTC, CTR. Termoelement to połączenie 2 różnych metali. Między wolnymi końcami termoelementów powstaje napięcie, którego wartość zależy od temperatury w miejscu ich połączenia. Przetworniki sił naprężeń. Przetworniki tensometryczne pomiar pośredni, wykorzystują zmianę rezystancji metali i półprzewodników pod wpływem odkształceń mechanicznych. Czułość odkształcenia k = r/ζc, gdzie r – względna zmiana rezystancji, ζc – względna zmiana długości. Ζc = G/Esp = F/Esp*ζ, gdzie Esp – moduł sprężystości, G – naprężenie. Tensometr nakleja się na elementy sprężyste i łączy w układ mostkowy. Przetworniki magnetosprężyste (pressoluktory) pomiar bezpośredni, wykorzystują zmianę przenikalności magnetycznej materiałów ferromagnetycznych, przy ich deformacji w zakresie odkształceń sprężystych (k – współczynnik zależy od napięcia zasilającego U1, liczby uzwojeń, właściwości uzwojeń i rozmiarów rdzenia). Przetworniki piezoelektryczne wykorzystują zjawisko pojawienia się ładunku elektrycznego przy ściskaniu płytki z kryształu kwarcu. Kp – stała pizoelektryczna. Pomiary innych wielkości nieelektrycznych. Pomiary ciśnienia (manometry) działają na zasadzie przetwarzania ciśnienia na przemieszczenie, odkształcenie lub zmianę rezystancji czujnika. 1) Czujniki małych ciśnień (od 10 -2 do 10 3 Pa) czujniki rezystancyjne – z cienkiego drutu platynowego o stałej wartości. Ponieważ przewodność cieplna gazu zależy od ciśnienia, to temperatura, a tym samym, rezystancja drutu, zależy od ciśnienia. 2) Czujniki średnich ciśnień (od 10 3 do 10 6 Pa) czujniki membranowe lub mieszkowe, których odkształcenie pod wpływem ciśnienia przetwarza się za pomocą przetworników indukcyjnych, pojemnościowych lub tensometrów. 3) Czujniki dużych ciśnień (do 10 9 Pa) rezystancyjne w kształcie spiralki. Zmiana rezystancji jest spowodowana zmianą wymiarów geometrycznych czujnika i zmianą rezystywności materiału. Pomiary parametrów ruchu. Pomiary prędkości 1)indukcyjne na zasadzie indukowania się siły elektromotorycznej w uzwojeniu pod wpływem zmian w uzwojeniu strumienia magnetycznego. Odmianą jest prądnica działająca na zasadzie prądów wirowych indukowanych tarczy pod wpływem magnesu obracającego się.