Лекция 18
Электронные измерительные приборы для контроля
электрических величин
17.1 Общая схема электронных измерительных приборов
В настоящее время реализуются три основных варианта структурных схем электронных приборов. В соответствии с рисунком каждая параллельная ветвь схемы соответствует одному из возможных вариантов.
ЧЭ - чувствительный элемент; ИЦ - измерительная цепь; НП - нормирующий преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; БП - блок вторичного питания; БФИ - блок формирования импульсов; МП - микропроцессор; ИП - интегрированный процессор
Рисунок 17.1 - Структурная схема цифрового измерительного прибора
Измерительная цепь содержит в себе делитель напряжения или тока, мост или резонансный контур; операционный усилитель. Блок формирования импульсов включает в себя ГЛИН, компаратор, формирователь импульсов. Устройство индикации содержит счётчик импульсов, дешифратор, матрицу светодиодов или матрицу ячеек ЖКИ.
17.2 Классификация чувствительных элементов
Чувствительный элемент - это техническое устройство, которое преобразует определённое состояние физической среды в выходную измеряемую физическую величину удобную для усиления, сравнения, передачи на расстояние. Выходными величинами, воспринимаемыми человеком, являются механическое перемещение и световой поток. Именно эти величины используют в устройствах индикации.
Классифицировать чувствительные элементы (ЧЭ) можно следующим образом: - Механические ЧЭ (рычажные и деформационные);
термомеханические ЧЭ (дилатометрический, биметаллический, объёмного расширения жидкости, изменения давления газа в постоянном объёме);
резистивные ЧЭ (реостатный, тензорезистивный - металлический и полупроводниковый);
ёмкостные ЧЭ (ёмкость, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь);
пьезоэлектрические ЧЭ;
магнитные ЧЭ (индуктивный, электромагнитный, магнитострикционный, индукционный, магнитоэлектрический, дифференциально-трансформаторный);
термоэлектрические ЧЭ (терморезисторы - металлические и полупроводниковые, - термопары, термодиоды);
фотоэлектрические ЧЭ (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры);
гальваномагнитные ЧЭ (Холла, ядерного магнитного резонанса, магнитодиоды, магниторезисторы);
электрохимический ЧЭ (стеклянный, каломельный и хлорсеребряный электроды);
чувствительные элементы, использующие механические и электромагнитные колебания (акустические и ультразвуковые; радиочастотные, инфракрасные и световые; рентгеновские и γ - лучи; α и β частицы высоких энергий);
оптические ЧЭ (лупа, микроскоп, интерференционный).
17.3 Измерительные цепи преобразователей
При обработке значений физических величин широко используется аналоговая и цифровая форма представления. Носителем информации может быть апериодический, гармонический и импульсный сигналы.
X
а - аналоговая; б - ступенчатая; в - импульсная; г – цифровая
Рисунок 17.2 - Формы представления информации
Импульсный сигнал характеризуется амплитудой Um, длительностью τи , периодом повторения Т и сдвигом импульсов τн . Каждый из указанных параметров можно использовать для представления физической величины. Ниже показаны модулированные импульсные сигналы.
а - по амплитуде; б - по длительности (ширине); в - по частоте; г - по интервалу времени
Рисунок 17.3 - Модулированные импульсные сигналы
От аналоговой формы представления информации можно перейти к цифровой форме представления, проведя операции дискретизации по времени (получим импульсную форму) и далее квантование по уровню. Возможен иной путь, если сначала провести квантование по уровню (получим ступенчатую форму), а затем - дискретизацию.
Проведение косвенных измерений, учёт нелинейности характеристик чувствительных элементов, переход от аналоговой формы представления информации к цифровой форме, проведение математических операций и другие задачи решаются путём функциональных преобразований. Большинство чувствительных элементов имеют на выходе аналоговый сигнал, они просты по своему устройству и обладают высокой чувствительностью, но многие задачи преобразований проще решаются цифровыми устройствами, например, сравнение, индикация, архивирование. Поэтому цифровые преобразователи находят всё большее применение в измерительных приборах. К преобразователям цифровых сигналов можно отнести электронные устройства, реализующие известные логические функции, и все другие импульсные устройства (триггеры, АЦП, ЦАП и т.п.).
Многие чувствительные элементы в качестве выходной физической величины имеют параметры электрической цепи (активное сопротивление, ёмкость, индуктивность). Такие элементы относят к классу параметрических. Обычно они дополняются мостами постоянного или переменного тока, преобразующими выходную физическую величину в электрическое напряжение.
Такие параметрические ЧЭ как фотоэлементы, фото -, термо - и магнитодиоды относят к активным параметрическим ЧЭ. Их выходной физической величиной является электрический ток, они не нуждаются в мостовом преобразователе, но могут включаться в мост как управляемые сопротивления.
К генераторным ЧЭ относят индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические, гальваномагнитные и электрохимические ЧЭ, потому что они являются источниками ЭДС. Их измерительная цепь содержит усилитель напряжения.