3 Описание функциональной схемы пип, в том числе и схемы преобразования измеряемой величины в электрический сигнал

3.1 Описание функциональной схемы первичного измерительного преобразователя.

Измерительный прибор осуществляет преобразование входного сигнала x(t) в выходной сигналy(t):

(t) =F[x(t)], (3.1)

где x(t) иy(t) - векторные величины;F(x) - требуемая функция преобразования. На выражение (3.1) можно смотреть на информационную модель прибора, в которой осуществляется преобразование входной информации в выходную.

В более общей формулировке прибор осуществляет операцию отображения множества сигналов на входе xXв множество сигналов на выходеyY, при этом указанное отображение должно быть однозначным.

В реальных приборах функция преобразования зависит не только от сигнала x(t), но также от возмущения(t) на сигналx(t), от помехи(t), действующей на параметры прибораq(t), от несовершенства технологий изготовления прибора(t) и от помехи(t), возникающих в самом приборе (трения, паразитных ЭДС и др.), т. е.

(t) =F[x,,q(,),)], (3.2)

где ,q,,,- векторы.

На рисунке 3.1 приведена функциональная схема, отображающая зависимость (3.2).

Измеряемыми величинами, на основе которых формирует полезный сигнал х(t), являются параметры первичной информации, такие, как давление, температура, количество и расход жидкостей, линейные и угловые размеры, расстояния, скорости, ускорения, деформации, напряжения, вибрации, и др. К числу вредных возмущений относятся перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, неконтролируемые вариации температуры, давления, влажности окружающей среды и т. д. Все эти возмущения вносят погрешности в показания приборов.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема прибора.

Прибор должен воспроизводить измеряемые величины с допускаемыми погрешностями. Получать на выходе прибора величины, пропорциональные входным величинам; формировать заданные функций от входных величин (квадратичная и логарифмическая шкалы и др.); получать производные и интегралы от входных величин; формировать на выходе слуховые или зрительные образы, отображать свойства входной информации; формировать управляющие сигналы, используемые для управления контроля; запоминать и регистрировать выходные сигналы.

Измерительный сигнал, получаемый от контролируемого объекта, передается в измерительный прибор в виде импульса какого - либо вида энергии. Можно говорить о сигналах: первичных - непосредственно характеризующих контролируемый процесс; воспринимаемых чувствительным элементом прибора; подаваемых в мерительную схему, и т.д. При передаче информации от контролируемого объекта к указателю прибора сигналы претерпевают ряд изменений по уровню и спектру и преобразуются из одного вида энергии в другой.

Необходимость такого преобразования вызывается тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработки, дальнейшего преобразования и воспроизведения. Например, при измерении температуры прибором, чувствительный элемент которого помещается в контролируемую среду, воспринимаемый поток тепла трудно передать, а тем более воспроизвести на указателе прибора. Этой особенностью обладают почти все сигналы первичной информации. Поэтому воспринимаемые чувствительными элементами сигналы почти всегда преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными.

Та часть прибора, в которой первичный сигнал преобразуется, например, в электрический, называется первичным преобразователем. Часто этот преобразователь совмещается с чувствительным элементом. Сигналы с выхода первичного преобразователя поступают на следующие преобразователи измерительного прибора.

Рисунок 3.2 - Структурная схема прибора

На рисунке 3.2 дана структурная схема прибора, на которой указаны: исследуемый объект (ИО); первичный преобразователь (ПП); устройство сравнения (УС); устройство обработки сигналов (Обр. 1), в котором производится усиление, коррекция погрешностей, фильтрация и др.; кодирующее устройство (Код); модулятор (М); канал передачи (КП); устройство детектирования (Д); устройство декодирования (ДК); устройство обработки информации (Oбр. 2), обеспечивающее функциональное преобразование, коррекции погрешностей, формирование функции преобразования (1) и др.; преобразователь (Пр), выдающий информацию на систему отображения (СОИ) и на обратный преобразователь (ОП), с которого поступают сигналы на устройство сравнения. [2]

3.2 Описание схем преобразования измеряемой величины в электрический сигнал.

Простейший ёмкостной измерительный преобразователь содержит два

электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии δ в среде с диэлектрической проницаемостью ε. С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, зарядом q=CU, где C – емкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин (без учета краевого эффекта), током, энергией электрического поля

.

Чаще всего выходной величиной емкостного измерительного преобразователя является изменение емкости, связанное с механическим перемещением, изменяющим зазор или площадь, или изменением диэлектрической проницаемости ε под действием изменения температуры или состава диэлектрика.

Емкостные преобразователи работают на переменном токе несущей частоты ω, которая должна значительно превышать наибольшую частоту Ω изменения емкости под действием измеряемой величины. Полная схема емкостного преобразователя представлена на рисунке 3.3

Рисунок 3.3 – Эквивалентная схема емкостного измерительного преобразователя

В эквивалентной схеме учитывается емкость C₀ между электродами 1 и 2, сопротивление R_ут изоляции между электродами, сопротивление r и индуктивность L кабеля, а также паразитная емкость C_п между электродами и заземленными деталями конструкции и между жилой кабеля К и его заземленным электродом Э.

Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и сопротивление ввода не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает и большую роль начинает играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться.

Емкость большинства преобразователей составляет 10 – 100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (10⁵ – 10⁷ Гц) их выходные сопротивления велики и равны.

Для работы с емкостными преобразователями применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры: делители напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонансные контуры.

Очень часто в состав измерительных цепей включают также операционные усилители (ОУ).

На рис 3.4 показана схема цепи с ОУ, построенная по принципу делителя напряжения.

Рисунок 3.4 - Измерительная схема для емкостного преобразователя с ОУ

В этом случае

; (3.3)

Как видим, с помощью такой цепи удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора C2 или изменение площади конденсатора C1. В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемой величины будет линейной.

Дифференциальные емкостные преобразователи включаются преимущественно в мостовые измерительные цепи. На рисунке 3.5 приведен пример цепи, содержащей мост с индуктивно-связанными плечами. В этой схеме выходной сигнал моста подсоединен к инвертирующему входу ОУ.

Рисунок 3.5 - Мостовая измерительная схема для дифференциального емкостного преобразователя

Поскольку потенциал на инвертирующем входе усилителя весьма близок к нулю, то ток между проводом, подсоединенным к этому входу, и окружающим его экраном будет практически равен нулю. Для данной цепи верно соотношение

; (3.3)

Выше приведена схема, в которой пластины емкостного преобразователя изолированы от корпуса, что иногда бывает трудно реализовать конструктивно. При заземлении одной из пластин, желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком.

На рисунке 3.6 представлена емкостно-диодная измерительная цепь дифференциального датчика с заземленной пластиной.

Рисунок 3.6 - Диодно-емкостная измерительная схема

Емкости датчика С1 и С2 подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов С3. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов (D1,D4 или D2,D3). При этом каждый из конденсаторов С3 соединяется последовательно то с емкостью С1, то с емкостью С2. При неравенстве емкостей С1 и С2 токи через конденсаторы С3, текущее в положительном и в отрицательном направлении, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С3 появляется постоянное напряжение, которое и является выходным. Если пренебречь падениями напряжения на диодах, то значение Uвых определится приближенным соотношением.

(3.4)

Цепи с резонансными контурами (рисунок 3.7,а). Цепи питаются от источников со стабильной частотой ω₀.

а) б)

Рисунок 3.7 - Резонансно-измерительная схема

При изменении емкости С преобразователя, сопротивление контура изменяется по резонансной кривой и при ω₀ достигает максимума. На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Пренебрегая сопротивлениемR₂по сравнению с сопротивлениями ω₀LиR₁и полагая

,,,(3.5)

напряжение на контуре можно выразить соотношением

(3.6)

Зависимости U_к /U_пит представлены на рисунке 3.7, б. [7]