Primäre Messumformer. Parametrische Messumformer nichtelektrischer Größen

VORTRAG 15

Generatorwandler

Bei Generatorumrichtern ist die Ausgangsgröße die EMK oder Ladung, die funktional mit der gemessenen nichtelektrischen Größe zusammenhängt.

Thermoelektrische Wandler (Thermoelemente).

Basierend auf dem thermoelektrischen Effekt, der im Thermoelementkreis auftritt. Diese Wandler werden verwendet, um die Temperatur zu messen. Das Funktionsprinzip des Thermoelements ist in Abb. 15.1, a, die einen thermoelektrischen Schaltkreis zeigt, der aus zwei ungleichen Leitern besteht A und B . Die Punkte 1 und 2 der Leiterverbindung werden als Thermoelementkontakte bezeichnet. Wenn Temperaturen T Kontakte 1 und 2 sind gleich, dann fließt kein Strom im thermoelektrischen Kreis. Wenn die Temperatur einer der Verbindungsstellen (z. B. Verbindungsstelle 1) höher ist als die Temperatur von Verbindungsstelle 2, entsteht im Stromkreis eine thermoelektromotorische Kraft (TEMF). E , abhängig von der Temperaturdifferenz der Verbindungsstellen

E \u003d f (t 1 - t 2). (15.1)

Wenn die Temperatur der Verbindungsstelle 2 konstant gehalten wird, dann

E \u003d f (t 1).

Diese Beziehung wird verwendet, um die Temperatur mit Thermoelementen zu messen. Zur Messung von TEDS ist ein elektrisches Messgerät in der Unterbrechung von Kontaktstelle 2 enthalten (Abb. 15.1, b). Anschluss 1 wird als heißer (Arbeits-)Anschluss bezeichnet, und Anschluss 2 wird als Kaltanschluss bezeichnet (die Enden 2 und 2' werden als freie Enden bezeichnet).

Damit der TEDS eines Thermoelements eindeutig durch die Temperatur der Vergleichsstelle bestimmt werden kann, ist es notwendig, die Temperatur der Vergleichsstelle immer gleich zu halten.

Zur Herstellung von Thermoelement-Elektroden werden sowohl reine Metalle als auch spezielle Legierungen mit standardisierter Zusammensetzung verwendet. Kalibriertabellen für Standard-Thermoelemente werden unter der Bedingung erstellt, dass die Temperatur der freien Enden gleich 0 istÖ In der Praxis ist es nicht immer möglich, diese Temperatur zu halten. In solchen Fällen werden die Thermoelementablesungen um die Temperatur der freien Enden korrigiert. Es gibt Schemata für automatische Korrekturen.

Strukturell werden Thermoelemente in Form von zwei isolierten Thermoelektroden mit einer durch Schweißen erhaltenen Arbeitsverbindung hergestellt, die in Schutzarmaturen eingesetzt sind, die das Thermoelement vor äußeren Einflüssen und Beschädigungen schützen. Die Arbeitsenden des Thermoelements werden in den Thermoelementkopf geführt, der mit Klemmen zum Anschließen des Thermoelements an den Stromkreis ausgestattet ist.

Im Tisch. 15.1 zeigt die Eigenschaften von Thermoelementen, die von der Industrie hergestellt werden. Zur Messung hoher Temperaturen werden Thermoelemente PP, PR und VR verwendet. Edelmetall-Thermoelemente werden für hochgenaue Messungen verwendet.

Je nach Konstruktion können Thermoelemente eine thermische Trägheit haben, die durch eine Zeitkonstante von Sekunden bis zu mehreren Minuten gekennzeichnet ist, was ihre Fähigkeit, sich schnell ändernde Temperaturen zu messen, einschränkt.

Zusätzlich zum Einbau des Messgeräts in die Thermoelementverbindung ist es möglich, das Gerät in die "Elektrode" einzubeziehen, d.h. in den Spalt einer der Thermoelektroden (Abb. 15.1, c). Eine solche Einbeziehung ermöglicht gemäß (15.1) die Messung der Temperaturdifferenz t1 – t2 . Beispielsweise kann die Überhitzung der Trafowicklungen über die Umgebungstemperatur während der Prüfung gemessen werden. Dazu wird die Arbeitsstelle des Thermoelements in die Wicklung eingebettet und die freie Stelle auf Umgebungstemperatur belassen.

Tabelle 15.1. Thermoelement-Eigenschaften

	Bezeichnung	Einsatzbereich,über C
Kupfer - Kopel
Chromel - Kopel
Chromel - Alumel
Platin-Rhodium (10 % Rh) – Platin
Platin Rhodium (30 % rh ) – Platin-Rhodium (6% Rechts)
Wolfram-Rhenium (5% Betreff ) – Wolfram-Rhenium (20 % Betreff)

Die Forderung nach einer konstanten Temperatur der freien Enden des Thermoelements zwingt dazu, diese möglichst vom Messort zu entfernen. Dazu werden sogenannte KP-Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verwendet, die gepolt an die freien Enden des Thermoelements angeschlossen werden (Abb. 15.1, d). Ausgleichsdrähte bestehen aus ungleichen Leitern, die im Bereich möglicher Schwankungen der Temperatur der freien Enden paarweise miteinander den gleichen TEDS wie ein Thermoelement ausbilden. Wenn also die Verbindungsstellen der Ausgleichsdrähte auf Temperatur sind t2 , und die Temperatur an der Stelle, an der das Thermoelement mit dem Gerät verbunden ist t0 , dann entspricht der TEDS des Thermoelements seiner Kalibrierung bei der Temperatur der freien Enden t0.

Die maximale TEDS, die von Standard-Thermoelementen entwickelt wird, reicht von Einheiten bis zu mehreren zehn Millivolt.

Zur Messung von TEDS können magnetoelektrische, elektronische (analoge und digitale) Millivoltmeter und DC-Potentiometer verwendet werden. Bei der Verwendung von Millivoltmetern des magnetoelektrischen Systems ist zu beachten, dass die vom Millivoltmeter an seinen Klemmen gemessene Spannung

wo ich - Strom im Thermoelementkreis und RV ist der Widerstand des Millivoltmeters.

Da die Stromquelle im Stromkreis also ein Thermoelement ist

Ich \u003d E / (R V + R VN),

wo RH - Widerstand des Schaltungsabschnitts außerhalb des Millivoltmeters (d. h. Thermoelementelektroden und Ausgleichsdrähte). Daher ist die von einem Millivoltmeter gemessene Spannung gleich

U \u003d E / (1 + R VN / R V ).

Die Messwerte eines Millivoltmeters weichen also um so mehr vom TEDS eines Thermoelements ab, je größer das Verhältnis ist R. BH / R. V . Um den Fehler durch den Einfluss des äußeren Widerstands zu reduzieren, werden Millivoltmeter, die für die Arbeit mit Thermoelementen ausgelegt sind (die sogenannten pyrometrischen Millivoltmeter), für einen bestimmten Thermoelementtyp und auf einen bestimmten Nennwert kalibriert R BH auf der Instrumentenskala angegeben. Pyrometrische Millivoltmeter sind in Genauigkeitsklassen von 0,5 bis 2,0 im Handel erhältlich.

Der Eingangswiderstand von elektronischen Millivoltmetern ist sehr groß, und die Wirkung des Widerstands R BH ist für Beweiszwecke vernachlässigbar.

Piezoelektrische Wandler.

Solche Wandler basieren auf der Nutzung des direkten piezoelektrischen Effekts, der darin besteht, dass elektrische Ladungen auf der Oberfläche einiger Kristalle (Quarz, Turmalin, Rochelle-Salz usw.) unter dem Einfluss mechanischer Spannungen auftreten. Einige polarisierte Keramikmaterialien (Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat) haben auch einen piezoelektrischen Effekt.

Wenn aus einem Quarzkristall eine Platte in Form eines Parallelepipeds geschnitten wird, dessen Flächen senkrecht zur optischen 0 stehen z , mechanisch 0 y und elektrisch 0 x Achsen des Kristalls (Abb. 15.2), dann wenn eine Kraft auf die Platte ausgeübt wird Fx , entlang der elektrischen Achse gerichtet, auf den Flächen x Gebühren erscheinen

Q x = K p F x , (15.2)

wo K p – piezoelektrischer Koeffizient (Modul).

Bei Kontakt mit der Kraftmessplatte F entlang der mechanischen Achse, auf denselben Flächen x Gebühren entstehen

Q y \u003d K p F y a / b,

wo a und b sind die Abmessungen der Plattenflächen. Die mechanische Einwirkung auf die Platte entlang der optischen Achse führt nicht zum Auftreten von Ladungen.

Der piezoelektrische Effekt ist vorzeichenwechselnd; Wenn sich die Richtung der angelegten Kraft ändert, ändern sich die Vorzeichen der Ladungen auf der Oberfläche der Flächen in die entgegengesetzten. Materialien behalten ihre piezoelektrischen Eigenschaften nur bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punktes.

Der Wert des piezoelektrischen Koeffizienten (Modul) K p und die Curiepunkttemperatur für Quarz und übliche keramische Piezoelektrika sind in der Tabelle angegeben. 15.2.

Die Herstellung von Wandlern aus Piezokeramik ist viel einfacher als aus Einkristallen. Keramische Sensoren werden nach der für radiokeramische Produkte üblichen Technologie hergestellt - durch Pressen oder Spritzgießen; Elektroden werden auf die Keramik aufgebracht, Zuleitungen werden an die Elektroden geschweißt. Zur Polarisierung werden Keramikprodukte in ein starkes elektrisches Feld gebracht, wonach sie die Eigenschaften von Piezoelektrika annehmen.

Die elektromotorische Kraft, die an den Elektroden des piezoelektrischen Wandlers auftritt, ist ziemlich signifikant - einige Volt. Wenn jedoch die auf den Wandler ausgeübte Kraft konstant ist, ist es schwierig, die EMK zu messen, da die Ladung klein ist und schnell durch den Eingangswiderstand des Voltmeters fließt. Wenn die Kraft variabel ist und die Dauer der Kraftänderung viel kleiner ist als die durch die Kapazität des Wandlers und den Ableitwiderstand bestimmte Entladezeitkonstante, dann hat der Ableitvorgang fast keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung des Wandlers. Wenn sich die Kraft ändert F nach dem Gesetz F = F m sin  t Auch die EMK ändert sich sinusförmig.

Somit reduziert sich die Messung von nichtelektrischen Größen, die in eine auf einen piezoelektrischen Wandler wirkende veränderliche Kraft umgewandelt werden können, auf die Messung einer Wechselspannung oder EMK.

Tabelle 15.2. Parameter von Quarz- und Keramik-Piezoelektrika

Material (Marke)		Curiepunkt, o C
Bariumtitanat (TB-1) Bleizirkonattitanat (TsTS-19)	70,0x10 -12 119,0х10 -12

Piezoelektrische Wandler werden häufig zur Messung von Bewegungsparametern verwendet: Linear- und Vibrationsbeschleunigung, Stoß, akustische Signale.

Das Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Wandlers ist in Abb. 1 dargestellt. 15.3, a) in Form eines Generators mit interner Kapazität MIT . Da die Leistung eines solchen piezoelektrischen Elements extrem gering ist, müssen Geräte mit großem Eingangswiderstand (10 11 ... 10 15 Ohm).

Piezoelektrische Sensoren bestehen zur Erhöhung des Nutzsignals aus mehreren hintereinander geschalteten Elementen.

Die Vorrichtung eines piezoelektrischen Sensors zur Messung der Vibrationsbeschleunigung ist in Abb. 1 dargestellt. 15.3b). Piezoelektrisches Element (normalerweise aus Piezokeramik), das mit einer bekannten Masse beladen ist m , in Gehäuse 1 platziert und über die Klemmen 2 mit dem Stromkreis eines elektronischen Millivoltmeters verbunden v . Setzen Sie in die Formel für die auf den Gesichtern entstehende Ladung den Ausdruck ein F = ma , wobei a die Beschleunigung ist, und unter Berücksichtigung von (15.2) erhalten wir

U = Ku ein ,

wo Ku - Spannungsumrechnungsfaktor des Sensors.

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Bei parametrischen Wandlern ist der Ausgabewert der Parameter des elektrischen Schaltkreises (R, L, M, C). Bei der Verwendung von parametrischen Wandlern wird eine zusätzliche Stromquelle benötigt, deren Energie zur Bildung des Ausgangssignals des Wandlers verwendet wird.

Rheostat-Konverter. Rheostatische Wandler basieren auf der Änderung des elektrischen Widerstands des Leiters unter dem Einfluss des Eingangswerts - Verschiebung. Ein Rheostat-Wandler ist ein Rheostat, dessen Bürste (beweglicher Kontakt) sich unter dem Einfluss einer gemessenen nichtelektrischen Größe bewegt.

Zu den Vorteilen von Wandlern gehören die Möglichkeit, eine hohe Umwandlungsgenauigkeit, signifikante Ausgangssignale und eine relativ einfache Konstruktion zu erhalten. Nachteile - das Vorhandensein eines Gleitkontakts, die Notwendigkeit relativ großer Bewegungen und manchmal ein erheblicher Bewegungsaufwand.

Rheostatische Wandler werden verwendet, um relativ große Verschiebungen und andere nicht elektrische Größen (Kräfte, Drücke usw.) umzuwandeln, die in Verschiebung umgewandelt werden können.

Dehnungsmessstreifen-Aufnehmer(Sensoren). Der Betrieb der Wandler basiert auf dem Tensoreffekt, der darin besteht, den aktiven Widerstand des Leiters (Halbleiters) unter Einwirkung der darin verursachten mechanischen Spannung und Verformung zu ändern.

Reis. 11-6. Dehnungsmessstreifen-Drahtaufnehmer

Wird der Draht mechanisch belastet, wie z. B. Dehnung, ändert sich sein Widerstand. Relative Änderung des Drahtwiderstands , wobei S der Dehund die relative Verformung des Drahts ist.

Die Änderung des Widerstands des Drahtes unter mechanischer Einwirkung erklärt sich durch eine Änderung der geometrischen Abmessungen (Länge, Durchmesser) und des spezifischen Widerstands des Materials.

In den Fällen, in denen eine hohe Empfindlichkeit erforderlich ist, werden dehnungsempfindliche Wandler in Form von Streifen aus Halbleitermaterial verwendet. Der Koeffizient S für solche Konverter erreicht mehrere hundert. Die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften von Halbleiterwandlern ist jedoch schlecht. Derzeit werden integrierte Halbleiter-Dehnungsmessstreifen in Massenproduktion hergestellt, die eine Brücke oder Halbbrücke mit thermischen Kompensationselementen bilden.

Als Messkreise für Dehnungsmessstreifen werden Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsbrücken verwendet. Dehnungsmessstreifen werden verwendet, um Verformungen und andere nicht elektrische Größen zu messen: Kräfte, Drücke, Momente.

Temperaturempfindliche Wandler(Thermistoren). Das Funktionsprinzip von Konvertern basiert auf der Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von Leitern oder Halbleitern von der Temperatur.

Zur Temperaturmessung bestehen die gebräuchlichsten Thermistoren aus Platin- oder Kupferdraht. Standard-Platinthermistoren werden zur Messung von Temperaturen im Bereich von -260 bis +1100 ° C, Kupfer - im Bereich von -200 bis +200 "C verwendet.

Zur Temperaturmessung werden auch Halbleiterthermistoren (Thermistoren) verschiedener Typen verwendet, die sich durch eine höhere Empfindlichkeit auszeichnen (TCS von Thermistoren ist negativ und bei 20 "C 10-15-mal höher als der TCR von Kupfer und Platin) und höher haben Widerstände (bis 1 MΩ) bei sehr kleinen Der Nachteil von Thermistoren ist die schlechte Reproduzierbarkeit und Nichtlinearität der Wandlungskennlinie:

wobei R T und Ro die Widerstände des Thermistors bei den Temperaturen T und To sind, To die Anfangstemperatur des Betriebsbereichs ist; B - Koeffizient.

Thermistoren werden im Temperaturbereich von -60 bis +120°C eingesetzt.

Zur Messung von Temperaturen von -80 bis +150 ° C werden Thermodioden und Thermotransistoren verwendet, bei denen sich unter Temperatureinfluss der Widerstand des p-n-Übergangs und der Spannungsabfall an diesem Übergang ändern. Diese Wandler sind üblicherweise in Brückenschaltungen und Schaltungen in Form von Spannungsteilern enthalten.

Die Vorteile von Thermodioden und Thermotransistoren sind hohe Empfindlichkeit, geringe Größe und geringe Trägheit, hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten; Nachteile - ein enger Temperaturbereich und eine schlechte Reproduzierbarkeit der statischen Umwandlungseigenschaften.

Elektrolytische Konverter. Elektrolytische Konverter basieren auf der Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer Elektrolytlösung von ihrer Konzentration. Sie werden hauptsächlich verwendet, um die Konzentration von Lösungen zu messen.

Induktive Wandler. Das Funktionsprinzip der Wandler basiert auf der Abhängigkeit der Induktivität oder Gegeninduktivität der Wicklungen des Magnetkreises von der Position, den geometrischen Abmessungen und dem magnetischen Zustand der Elemente ihres Magnetkreises.

Abbildung 11-12 Magnetkreis mit Lücken und zwei Wicklungen

Die Induktivität der auf dem Magnetkreis befindlichen Wicklung, wobei Zm der magnetische Widerstand des Magnetkreises ist; ist die Anzahl der Windungen der Wicklung.

Gegeninduktivität zweier Wicklungen, die sich auf demselben Magnetkreis befinden, , wo und - die Anzahl der Windungen der ersten und zweiten Wicklung. Der magnetische Widerstand ist gegeben durch

wo - die aktive Komponente des magnetischen Widerstands (wir vernachlässigen die Streuung des magnetischen Flusses); - jeweils die Länge, die Querschnittsfläche und die relative magnetische Permeabilität des i-ten Abschnitts des Magnetkreises; mo - magnetische Konstante; d ist die Länge des Luftspalts; s - Querschnittsfläche des Luftabschnitts des Magnetkreises, - reaktive Komponente des magnetischen Widerstands; P - Leistungsverluste im Magnetkreis aufgrund von Wirbelströmen und Hysterese w - Winkelfrequenz; Ф - Magnetfluss im Magnetkreis.

Die obigen Beziehungen zeigen, dass die Induktivität und Gegeninduktivität geändert werden können, indem die Länge d, der Querschnitt des Luftabschnitts des Magnetkreises s, Leistungsverluste im Magnetkreis und auf andere Weise beeinflusst werden.

Im Vergleich zu anderen Wegaufnehmern zeichnen sich induktive Wegaufnehmer durch hohe Ausgangsleistung, Einfachheit und Zuverlässigkeit im Betrieb aus.

Ihr Nachteil ist die umgekehrte Wirkung des Wandlers auf das untersuchte Objekt (die Wirkung eines Elektromagneten auf den Anker) und die Wirkung der Ankerträgheit auf die Frequenzeigenschaften des Geräts.

Kapazitive Wandler. Kapazitive Wandler basieren auf der Abhängigkeit der elektrischen Kapazität des Kondensators von den Abmessungen, der relativen Lage seiner Platten und der Permittivität des Mediums zwischen ihnen.

Für einen Flachkondensator mit zwei Platten die elektrische Kapazität , wobei die elektrische Konstante ist; - relative Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den Platten; s ist die aktive Fläche der Platten; d ist der Abstand zwischen den Platten. Die Empfindlichkeit des Wandlers steigt mit abnehmendem Abstand d. Solche Wandler werden verwendet, um kleine Verschiebungen (weniger als 1 mm) zu messen.

Eine kleine Arbeitsbewegung der Platten führt zu einem Fehler, indem sich der Abstand zwischen den Platten bei Temperaturschwankungen ändert. Durch die Auswahl der Abmessungen der Wandlerteile und -materialien wird dieser Fehler verringert.

Die Wandler werden verwendet, um den Füllstand von Flüssigkeiten, die Feuchtigkeit von Substanzen und die Dicke von Produkten aus Dielektrika zu messen.

Reis. 11-16. Schema des Ionisationskonverters

Ionisationswandler. Die Konverter basieren auf dem Phänomen der Gasionisation oder der Lumineszenz bestimmter Substanzen unter Einwirkung ionisierender Strahlung.

Bestrahlt man eine Gas enthaltende Kammer zB mit b-Strahlen, so fließt ein Strom zwischen den Elektroden des Stromkreises (Abb. 11-16). Dieser Strom hängt von der an die Elektroden angelegten Spannung, der Dichte und Zusammensetzung des gasförmigen Mediums, der Größe der Kammer und der Elektroden sowie den Eigenschaften und der Intensität der ionisierenden Strahlung ab. Diese Abhängigkeiten werden genutzt, um verschiedene nichtelektrische Größen zu messen: die Dichte und Zusammensetzung des gasförmigen Mediums, die geometrischen Abmessungen von Teilen.

Als ionisierende Mittel werden a-, b- und g-Strahlen radioaktiver Substanzen verwendet, viel seltener - Röntgenstrahlen und Neutronenstrahlung.

Der Hauptvorteil von Geräten mit ionisierender Strahlung ist die Möglichkeit der berührungslosen Messung, was beispielsweise bei Messungen in aggressiven oder explosiven Umgebungen sowie in Umgebungen unter hohem Druck oder hohen Temperaturen von großer Bedeutung ist. Der Hauptnachteil dieser Geräte ist die Notwendigkeit, bei hoher Aktivität der Strahlungsquelle einen biologischen Schutz zu verwenden.

1. Was ist das Gerät, Arbeitsprinzip und Anwendung:

a) photoelektrische Wandler;

Photovoltaik-Konverter sind solche, bei denen sich das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem auf den Konverter einfallenden Lichtstrom ändert. Photovoltaik-Konverter oder, wie wir sie im Folgenden nennen werden, Fotozellen werden in drei Typen unterteilt:

1) Fotozellen mit externem Fotoeffekt

Sie sind vakuum- oder gasgefüllte kugelförmige Glasbehälter, auf deren Innenfläche eine Schicht aus lichtempfindlichem Material aufgebracht ist, die eine Kathode bildet. Die Anode besteht aus einem Ring oder Gitter aus Nickeldraht. Im abgedunkelten Zustand fließt ein Dunkelstrom durch die Photozelle als Ergebnis der thermionischen Emission und Leckage zwischen den Elektroden. Bei Beleuchtung ahmt die Fotokathode Elektronen unter dem Einfluss von Lichtphotonen nach. Wird zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt, bilden diese Elektronen einen elektrischen Strom. Wenn sich die Beleuchtung einer in einem elektrischen Schaltkreis enthaltenen Fotozelle ändert, ändert sich der Fotostrom in diesem Schaltkreis entsprechend.

2) Fotozellen mit internem Fotoeffekt

Sie sind eine homogene Halbleiterplatte mit Kontakten, beispielsweise aus Cadmiumselenid, die unter Einwirkung eines Lichtstroms ihren Widerstand ändert. Der innere photoelektrische Effekt besteht im Erscheinen freier Elektronen, die durch Lichtquanten aus den Elektronenbahnen der im Inneren der Substanz frei gebliebenen Atome herausgeschlagen werden. Das Auftreten freier Elektronen in einem Material wie einem Halbleiter entspricht einer Abnahme des elektrischen Widerstands. Fotowiderstände haben eine hohe Empfindlichkeit und eine lineare Strom-Spannungs-Charakteristik (CVC), d.h. ihr Widerstand hängt nicht von der angelegten Spannung ab.

3) Photovoltaik-Konverter.

Diese Konverter sind aktive lichtempfindliche Halbleiter, die bei Lichtabsorption durch photoelektrische Effekte in der Sperrschicht freie Elektronen und EMF erzeugen.

Eine Fotodiode (PD) kann in zwei Modi arbeiten – Fotodiode und Generator (Ventil). Fototransistor - ein Halbleiterempfänger für Strahlungsenergie mit zwei oder mehr p - "-Übergängen, in dem eine Fotodiode und ein Fotostromverstärker kombiniert sind.

Fototransistoren werden wie Fotodioden verwendet, um Lichtsignale in elektrische Signale umzuwandeln.

b) kapazitive Wandler;

Ein kapazitiver Wandler ist ein Kondensator, dessen Kapazität sich unter Einwirkung einer gemessenen nichtelektrischen Größe ändert. Als kapazitiver Wandler wird häufig ein flacher Kondensator verwendet, dessen Kapazität durch die Formel C \u003d e0eS / 5 ausgedrückt werden kann, wobei e0 die Dielektrizitätskonstante von Luft ist (e0 \u003d 8,85 · 10 "12 F / m; e ist die relative Permittivität des Mediums zwischen den Kondensatorplatten; S-zugewandter Bereich; 5-Abstand zwischen den Verkleidungen)

Da die gemessene nichtelektrische Größe mit jedem dieser Parameter funktional in Beziehung gesetzt werden kann, kann die Auslegung kapazitiver Wandler je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein. Zur Füllstandsmessung von flüssigen und körnigen Körpern werden zylindrische oder flache Kondensatoren verwendet; zur Messung kleiner Verschiebungen, sich schnell ändernder Kräfte und Drücke - differenzielle kapazitive Aufnehmer mit variablem Abstand zwischen den Platten. Betrachten Sie das Prinzip der Verwendung kapazitiver Wandler zur Messung verschiedener nichtelektrischer Größen.

c) thermische Konverter;

Ein Wärmewandler ist ein stromdurchflossener Leiter oder Halbleiter mit hohem Temperaturkoeffizienten, der mit der Umgebung in Wärmeaustausch steht. Es gibt mehrere Möglichkeiten des Wärmeaustauschs: Konvektion; Wärmeleitfähigkeit des Mediums; Wärmeleitfähigkeit des Leiters selbst; Strahlung.

Die Intensität des Wärmeaustauschs zwischen dem Leiter und der Umgebung hängt von folgenden Faktoren ab: der Geschwindigkeit des gasförmigen oder flüssigen Mediums; physikalische Eigenschaften des Mediums (Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität); Umgebungstemperatur; geometrische Abmessungen des Leiters. Diese Abhängigkeit der Temperatur des Leiters und folglich seines Widerstands kann von den aufgeführten Faktoren abhängen

zur Messung verschiedener nichtelektrischer Größen, die ein gasförmiges oder flüssiges Medium charakterisieren: Temperatur, Geschwindigkeit, Konzentration, Dichte (Vakuum).

d) Ionisationskonverter;

Ionisationswandler sind solche Wandler, bei denen die gemessene nichtelektrische Größe funktional mit der Stromstärke der elektronischen und ionischen Leitfähigkeit des gasförmigen Mediums zusammenhängt. Der Fluss von Elektronen und Ionen wird in Ionisationskonvertern entweder durch Ionisierung des gasförmigen Mediums unter dem Einfluss des einen oder anderen ionisierenden Mittels oder durch thermionische Emission oder durch Beschuss der Moleküle des gasförmigen Mediums mit Elektronen usw.

Obligatorische Elemente jedes Ionisationswandlers sind eine Quelle und ein Empfänger von Strahlung.

e) Rheostatwandler;

Ein Rheostat-Wandler ist ein Rheostat, dessen Motor sich unter der Wirkung einer gemessenen nichtelektrischen Größe bewegt. Ein Draht wird mit gleichmäßiger Steigung auf einen Rahmen aus Isoliermaterial gewickelt. Die Isolierung des Drahtes am oberen Rand des Rahmens wird abisoliert und die Bürste gleitet über das Metall. Die Zusatzbürste gleitet über den Schleifring. Beide Bürsten sind von der Antriebswalze isoliert. Rheostatische Wandler werden sowohl mit einem um einen Rahmen gewickelten Draht als auch vom Rheochord-Typ hergestellt. Als Drahtmaterial werden Nichrom, Manganin, Konstantan etc. verwendet In kritischen Fällen, wenn die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit der Kontaktflächen sehr hoch oder die Kontaktdrücke sehr gering sind, werden Platinlegierungen mit Iridium, Palladium etc. verwendet. Der Rheostatdraht muss entweder mit Lack oder einer Oxidschicht bedeckt sein, um benachbarte Windungen voneinander zu isolieren. Motoren bestehen aus zwei oder drei Drähten (Platin mit Iridium) mit einem Kontaktdruck von 0,003 ... 0,005 N oder Lamellen (Silber, Phosphorbronze) mit einer Kraft von 0,05 ... 0,1 N. Die Kontaktfläche des gewickelten Drahtes ist poliert; die Breite der Kontaktfläche ist gleich zwei oder drei Drahtdurchmessern. Der Rahmen des rheostatischen Wandlers besteht aus Textolith, Kunststoff oder Aluminium, das mit Isolierlack oder Oxidfilm beschichtet ist. Rahmenformen sind vielfältig. Die Reaktanz von Rheostat-Wandlern ist sehr klein und kann bei Frequenzen im Audiobereich normalerweise vernachlässigt werden.

Rheostatische Wandler können verwendet werden, um Vibrationsbeschleunigungen und Vibrationsverschiebungen mit einem begrenzten Frequenzbereich zu messen.

f) Dehnungsmessstreifen-Aufnehmer;

Ein Dehnungsmessstreifen-Aufnehmer (Dehnungsmessstreifen) ist ein Leiter, der seinen Widerstand bei Zug- oder Druckverformung ändert. Die Länge des Leiters / und die Querschnittsfläche S ändern sich mit seiner Verformung. Diese Verformungen des Kristallgitters führen zu einer Änderung des spezifischen Widerstands des Leiters p und damit zu einer Änderung des Gesamtwiderstands

Anwendung: zur Messung von Verformungen und mechanischen Spannungen sowie anderen statischen und dynamischen mechanischen Größen, die proportional zur Verformung eines elastischen Hilfselements (Feder) sind, wie z. B. Weg, Beschleunigung, Kraft, Biegung oder Drehmoment, Gas- oder Flüssigkeitsdruck, etc. Aus diesen Messgrößen können abgeleitete Größen wie Masse (Gewicht), Tankfüllstand etc. ermittelt werden. Zur Messung von relativen Dehnungen von 0,005 ... 0,02 bis 1,5 ... 2 % werden Dehnungsmessstreifen auf Papierbasis sowie Folien- und Folien-Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Mit freien Dehnungsmessstreifen können Dehnungen bis 6...10% gemessen werden. Dehnungsmessstreifen sind praktisch trägheitslos und werden im Frequenzbereich von 0...100 kHz eingesetzt.

g) induktive Wandler;

Induktive Messumformer dienen dazu, die Position (Weg) in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Sie sind die kompaktesten, störunempfindlichsten, zuverlässigsten und wirtschaftlichsten Messumformer zur Lösung der Probleme der automatisierten Messung von Längenmaßen im Maschinenbau und in der Messtechnik.

Der induktive Wandler besteht aus einem Gehäuse, in dem eine Spindel auf den Wälzführungen angeordnet ist, an deren vorderem Ende sich eine Messspitze und am hinteren Ende ein Anker befindet. Die Führung wird durch eine Gummimanschette vor äußeren Einflüssen geschützt. Der mit der Spindel verbundene Anker befindet sich innerhalb der im Körper befestigten Spule. Die Spulenwindungen wiederum sind mit dem im Gehäuse fixierten und durch eine konische Feder vor Knicken geschützten Kabel elektrisch verbunden. Am freien Ende des Kabels befindet sich ein Stecker, über den der Konverter mit dem sekundären Gerät verbunden wird. Körper und Spindel sind aus gehärtetem Edelstahl. Der Adapter, der den Anker mit der Spindel verbindet, besteht aus einer Titanlegierung. Die Feder, die die Messkraft erzeugt, ist zentriert, wodurch Reibung bei Bewegung der Spindel eliminiert wird. Diese Konstruktion des Wandlers sorgt für eine Reduzierung zufälliger Fehler und Schwankungen der Messwerte auf ein Niveau von weniger als 0,1 µm.

Induktive Wandler werden hauptsächlich zum Messen von Linear- und Winkelverschiebungen verwendet.

h) magnetoelastische Wandler;

Magnetoelastische Wandler sind eine Art elektromagnetischer Wandler. Sie beruhen auf dem Phänomen der Änderung der magnetischen Permeabilität μ ferromagnetischer Körper in Abhängigkeit von den in ihnen auftretenden mechanischen Spannungen σ, verbunden mit der Einwirkung mechanischer Kräfte P auf die ferromagnetischen Körper (Zug, Druck, Biegung, Verdrehung). Eine Änderung der magnetischen Permeabilität des ferromagnetischen Kerns bewirkt eine Änderung des magnetischen Widerstands des Kerns RM. Eine Änderung von RM führt zu einer Änderung der Induktivität der auf dem Kern befindlichen Spule L. Somit haben wir im magnetoelastischen Wandler die folgende Kette von Transformationen:

P -> σ -> μ -> Rm -> L.

Magnetoelastische Wandler können zwei Wicklungen haben (Transformatortyp). Unter Einwirkung einer Kraft aufgrund einer Änderung der magnetischen Permeabilität ändern sich die Gegeninduktivität M zwischen den Wicklungen und die induzierte EMK der Sekundärwicklung E. Die Umwandlungsschaltung hat in diesem Fall die Form

P -> σ -> μ -> Rm -> M -> E.

Der Effekt der Änderung der magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien unter dem Einfluss mechanischer Verformungen wird als magnetoelastischer Effekt bezeichnet.

Magnetoelastische Wandler werden verwendet:

Zur Messung hoher Drücke (größer als 10 N/mm2 bzw. 100 kg/cm2), da sie den Druck direkt wahrnehmen und keine zusätzlichen Aufnehmer benötigen;

Stärke zu messen. In diesem Fall wird die Messgrenze des Geräts durch die Fläche des magnetoelastischen Wandlers bestimmt. Diese Wandler verformen sich unter Krafteinwirkung nur sehr wenig. Ja, bei l= 50 mm, △ l < 10 мкм они имеют высо­кую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не дол­жны превышать 40 Н/мм2 .

i) elektrolytische Widerstandswandler;

Elektrolytische Konverter sind eine Art von elektrochemischen Konvertern. Allgemein ist ein elektrochemischer Konverter eine mit einer Lösung gefüllte Elektrolysezelle mit darin angeordneten Elektroden, die dazu dienen, den Konverter in einen Messkreis zu verwandeln. Als Element eines Stromkreises kann eine Elektrolysezelle durch die EMF, die sie entwickelt, den Spannungsabfall durch den fließenden Strom, den Widerstand, die Kapazität und die Induktivität charakterisiert werden. Indem die Beziehung zwischen diesen elektrischen Parametern und der gemessenen nichtelektrischen Größe hervorgehoben und die Wirkung anderer Faktoren unterdrückt wird, ist es möglich, Wandler zum Messen der Zusammensetzung und Konzentration flüssiger und gasförmiger Medien, Drücke, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und andere Größen. Die elektrischen Parameter der Zelle hängen von der Zusammensetzung der Lösung und der Elektroden, chemischen Umwandlungen in der Zelle, der Temperatur, der Bewegungsgeschwindigkeit der Lösung usw. ab. Die Beziehung zwischen den elektrischen Parametern elektrochemischer Wandler und nichtelektrischen Größen wird bestimmt nach den Gesetzen der Elektrochemie.

Das Funktionsprinzip elektrolytischer Konverter beruht auf der Abhängigkeit des Widerstands einer elektrolytischen Zelle von der Zusammensetzung und Konzentration des Elektrolyten sowie von den geometrischen Abmessungen der Zelle. Flüssigkeitssäulenwiderstand des Elektrolytwandlers:

R = ρh/S = k/૪

wobei ૪= 1/ρ die spezifische Leitfähigkeit des Elektrolyten ist; k - Konverterkonstante, abhängig vom Verhältnis seiner geometrischen Abmessungen, normalerweise experimentell bestimmt.

IV. Klassifizierung von Konvertern.

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Von einem gesteuerten Objekt empfangene Messinformationen werden in Form von Signalen irgendeiner Energieart an das Messsystem übertragen und von einer Energieart in eine andere umgewandelt. Die Notwendigkeit einer solchen Transformation ergibt sich aus der Tatsache, dass Primärsignale nicht immer für die Übertragung, Verarbeitung, weitere Transformation und Reproduktion geeignet sind. Daher werden bei der Messung nichtelektrischer Größen die vom empfindlichen Element wahrgenommenen Signale in universelle elektrische Signale umgewandelt.

Der Teil des Geräts, in dem das nichtelektrische Messsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wird als bezeichnet Konverter.

Es gibt viele elektrische Methoden zum Messen nichtelektrischer Größen. Zur Erleichterung des Studiums führen wir eine Klassifizierung dieser Methoden nach der Art der Beziehung zwischen elektrischen und nichtelektrischen Größen ein:

Parametrische Wandler, bei dem die gemessene nichtelektrische Größe in eine entsprechende Änderung der Parameter des elektrischen Stromkreises umgewandelt wird, der von externen EMF-Quellen gespeist wird. In diesem Fall dienen die von dem gemessenen Objekt empfangenen Signale nur dazu, die Energie einer in die Schaltung einbezogenen externen Quelle zu steuern.

Generatorkonverter, bei dem die vom Messobjekt empfangenen Signale direkt in elektrische Signale umgewandelt werden. In diesem Fall kann der gewünschte Konvertierungseffekt ohne die Verwendung externer EMF-Quellen erzielt werden.

Parametrische Methoden umfassen Methoden, die auf der Änderung des Widerstands, der Kapazität und der Induktivität elektrischer Schaltungen basieren.

Generatorverfahren umfassen elektromagnetische, thermoelektrische, piezoelektrische und andere Verfahren.

Die Eingabe ist ein bestimmter Wert X und die Ausgabe ist ein elektrisches Signal (Y).

(*)

x => ΔF => Δх => ΔR

Umwandlung einer physikalischen Größe x in ein elektrisches Signal. Um die Parameter R, L, C, M sichtbar zu machen, ist es notwendig, einen Stromgenerator zu ihnen zu bringen

(*) Für solche Schaltungen gelten die Gesetze der Stromkreisberechnung.

1.1 Widerstandsmethode.

Dieses Verfahren nutzt die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Widerständen von verschiedenen nichtelektrischen Größen.

Beispielsweise eine Änderung des ohmschen Widerstands eines Drahtwiderstands, wenn sich ein Schleifkontakt unter Einwirkung mechanischer Kräfte bewegt.

Allgemeine Bemerkungen. Parametrische Wandler, wie in Abschnitt 1 erwähnt, steuern die Parameter des Energieflusses, der von einer externen Quelle kommt, und können in einem von zwei Modi arbeiten. Im ersten Fall ist der Wandler ein Gleichstrom- oder Spannungsregler.

Messinformationen werden durch das Gesetz der Änderung des Pegels einer elektrischen Größe übertragen. Obwohl ein solcher Wandler grundsätzlich ein nichtlineares System sein muss, kann sein Ausgangssignal unter bestimmten Bedingungen als linear zum Eingang stehend betrachtet werden, und sogar es gibt eine Analogie zu Generator-MEPs. Beispielsweise wird im einfachsten Fall ein Wandler mit einer elektrischen Impedanz in Reihe zur Last geschaltet und von einer Quelle mit Innenwiderstand gespeist.

Die Nichtlinearität der Transformation führt das Produkt Ho at ein

Wenn die Impedanz linear mit dem Eingangswert des MEP zusammenhängt (normalerweise ist dies eine Verschiebung, d.h. dann können wir schreiben

Wenn im Wandler eine elektrische Kraft wirkt und wo nicht davon abhängen, dann nimmt die Kraftbilanzgleichung die Form an

Die letzten beiden Gleichungen ähneln dem Gleichungssystem (1) und (2), und wenn dann ein solcher Wandler einem Generator MEP entspricht, kann er als quasi-invertierbar bezeichnet werden. Dafür gelten weiterhin die allgemeinen Bemerkungen des Abschnitts 2. Ein gleichstromgespeister Stromrichter kann nur dann quasi reversibel sein, wenn die Energie der Stromquelle hauptsächlich dazu verwendet wird, ein elektrisches oder magnetisches Feld im Stromrichter zu erzeugen. Wenn das Feld klein ist, gibt es keine ponderomotorischen Snals.Bei Wechselstromversorgung wird aufgrund der unterschiedlichen spektralen Zusammensetzung der Eingangs- und Ausgangswerte praktisch das gleiche Ergebnis erzielt (der Konverter überträgt als Modulator die Spektrum, siehe Kapitel 10).

Das Ausgangssignal des Wandlers kann Strom (an oder Spannung an der Last (im umgekehrten Fall) sein).

Zusätzlich zum Stromreglermodus kann der parametrische MEC im Erregermodus arbeiten und ist Teil der Frequenzeinstellschaltung des Generators mit Selbsterregung. Der Messwert moduliert die Frequenz der erzeugten Spannung. Die Frequenzänderung kann direkt als Ausgangssignal verwendet oder in eine andere Form (diskret oder analog) umgewandelt werden. In diesem Modus ist der Konverter immer irreversibel.

Reis. 10. Kapazitiver Wandler: o - mit variablem Spalt (Fläche); 6 - mit variabler Durchlässigkeit; c - Differential

Das Ausgangssignal eines parametrischen MEP, das mit Wechselstrom betrieben wird, muss einer Erkennung (Demodulation) unterzogen werden, die normalerweise in Verstärkungs-Umwandlungsgeräten durchgeführt wird. Da dieses Signal vor dem Hintergrund eines anderen wirkt, das keine nützlichen Informationen trägt, aber stärker ist, weil seine Auswahl durch Differenz- oder Brückenschaltungen erfolgt.

Kapazitiver Wandler. Das Funktionsprinzip dieses Konverters basiert auf der Abhängigkeit der Kapazität zwischen den Leitern von ihrer relativen Position, Größe und Eigenschaften des Mediums zwischen ihnen. Im einfachsten Fall eines flachen Kondensators ist seine Kapazität

wo ist die Fläche der Elektroden; 6 - Lücke zwischen ihnen; effektive (d. h. unter Berücksichtigung der Inhomogenität der Eigenschaften) Dielektrizitätskonstante des Zwischenelektrodenraums. Mögliche schematische Diagramme des kapazitiven Wandlers sind in Abb. 1 dargestellt. 10. Es gibt zwei Arten von Kapazitätsabhängigkeiten von der Verschiebung x einer der Elektroden:

Der erste entspricht einer Änderung der Fläche oder der effektiven Permeabilität, der zweite einer Änderung des Spalts.

Für den ersten Typ

und zum zweiten

Somit kann Gleichung (30) in der folgenden Form geschrieben werden:

wobei bzw. für Art 1 und 2.

Der Ausdruck für hängt im Wesentlichen von der elektrischen Betriebsart des Umrichters ab. Aufgrund der Komplexität der Analyse beschränken wir uns allgemein auf zwei Extremfälle bei Speisung aus einer Konstantspannungsquelle.

1 Kapazitätsänderungen erfolgen so langsam, dass die Stromversorgung Zeit hat, die Kapazität fast ohne Verzögerung aufzuladen, wobei die gleiche Spannung an ihr aufrechterhalten wird, auch wenn keine anderen Kapazitäten mit dem Wandler in Reihe geschaltet sind. Dann nimmt (32) die folgende Form an:

Andererseits, und da gleich oder -

Da die Ladung auf der Kapazität

wo ist der variable Teil der Gebühr, dann können wir für Typ 2 schreiben:

2. Kapazitätsänderungen treten so schnell auf, dass die darauf befindliche Ladung keine Zeit hat, sich wesentlich zu ändern, und gleich dem Anfangswert bleibt. Daher ändert sich die Spannung über der Kapazität gemäß dem Gesetz. Wenn sich die Ladung nicht ändert, dann die der durch die Kapazität fließende Strom ist Null, und die Stromquelle wird im Wesentlichen nur für die anfängliche Ladung der Kapazität benötigt (unter Vernachlässigung des Leckstroms). Es fließt jedoch ein kleiner Strom durch die Last, der durch die Arbeit einer äußeren Kraft unterstützt wird. Für die Abhängigkeit des ersten Kapazitätstyps von der Verschiebung (siehe Seite 197)

d.h. neben der konstanten Kraft gibt es eine zusätzliche elektrische Elastizität. Für die zweite Art von Abhängigkeit

Gleichung (32) wird in der folgenden Form geschrieben

der zweite Term erklärt sich dadurch, dass am Anfang (bei ) die Impedanz kapazitiv ist? und nicht die Last, bestimmt die Art des Anfangsstroms.

Die Wandlergleichungen in allen Modi und ihre Lösungen sind in der Tabelle zusammengefasst. 2.

2. Gleichungen eines kapazitiven Wandlers

(siehe Scannen)

Vom Tisch. 2 Ausdrücken ist ersichtlich, dass in allen Fällen der Ausgangsstrom direkt oder indirekt davon abhängt.Bei Betrieb in einem Konstantspannungsmodus und mit elastischem Charakter ist der Wandler ein Differenzierer. Im Konstantlademodus hängt das Ausgangssignal von der Art der Last ab, insbesondere wenn die Last aktiv ist, dann ist der Strom proportional zur Kraft. In jedem Fall ist es jedoch unmöglich, konstante Kräfte oder Verschiebungen zu messen. 2 zeigt, dass der Wandler in einem der Modi quasi reversibel ist.

Wenn der Konverter von einer Wechselspannungsquelle gespeist wird, fließt Strom durch ihn, selbst wenn sich die Kapazität nicht ändert, und der Strom kann als Maß für die Kapazität für jedes Gesetz seiner Änderung dienen. Für die Berechnung sollte Gleichung (32) verwendet werden, wobei zu berücksichtigen ist, was eine Funktion ist, zum Beispiel, wenn sie mit einer Spannung mit sinusförmiger Frequenz versorgt wird, die Formeln in Tabelle. 2 können Sie die Amplitude des Ausgangsstroms bestimmen, wenn Sie anstelle des Ausdrucks vorne sein Modul bei nehmen Die Frequenz, die als Träger bezeichnet wird, wählen Sie viel mehr als die höchste Frequenz im Spektrum. Je nach Verhältnis kann der Wandler arbeiten zwei extreme Betriebsarten Kurzschluss und Leerlauf In der ersten findet die Gleichung statt

und im zweiten

Die Ausdrücke für sind in zwei Teile geteilt, der erste ist zeitunabhängig und der zweite pulsierend mit einer Frequenz, sie können fast immer vernachlässigt werden (siehe unten), der Konverter gilt als irreversibel

Die Berechnung zeigt, dass bei richtiger Wahl in jedem Modus die Amplitude der Ausgangsansteuerung des Wandlers proportional zur einwirkenden Kraft sein kann. Zum Beispiel für den Leerlauf und das variable Spiel

Daher ist es notwendig, so zu wählen, dass der Nenner konstant ist. Bei der elastischen Natur der Impedanz entspricht dies einer aktiven Last: Üblicherweise werden Brückenschaltungen zur Messung verwendet.

Die höchste spezifische Anziehungskraft der Wandlerelektroden wird durch die Durchschlagsfeldstärke bestimmt und beträgt für Luft . Wenn die wirkende Kraft in allen Modi viel größer ist als die elektrische Wechselwirkungskraft, dann engt die Verwendung des Wandlers nur den möglichen Bereich der Eingabewertänderung ein. Eine Erhöhung führt zu einem schnellen Anstieg der Nichtlinearität der Transformation, die durch verschiedene Linearisierungsverfahren verringert werden kann. Eine davon ist die Verwendung von Differenzwandlern (Abb. 10, c), bei denen sich die Kapazitäten gleichzeitig in verschiedene Richtungen ändern. In diesem Fall wird neben einer Linearisierung und einer Erhöhung der Empfindlichkeit eine gute Kompensation des Einflusses äußerer Bedingungen erreicht. Die Linearität nimmt signifikant zu, wenn der Ausgang das Inverse von AC ist, wie z. B. eine Kapazitätsänderung. Seine lineare Verbindung mit x wird beobachtet, bis die Wandlerelektroden geschlossen sind. Eine direkte Linearisierung kann durch die Umwandlung des Ausgangssignals in einer zusätzlichen mikroprozessorbasierten Einheit erfolgen, was mittlerweile auch bei autarken Geräten durchaus möglich ist.

Wenn die Kapazität in den Treiberkreis des Wechselspannungsgenerators einbezogen wird, können nicht Ströme oder Spannungen, sondern Zeitparameter - Frequenz oder Dauer - gemessen werden. Bei einem klassischen Oszillator mit Induktivität ist die Schwingungsdauer proportional, während sie bei einem RC-Oszillator linear von C abhängt. Dieses Verfahren ist sehr flexibel, da Sie immer die optimale Art des Ausgangssignals wählen können. Beispielsweise wenn der Umrichter mit variabler Lücke im Stromkreis eines ohmsch-kapazitiven Generators eingeschaltet wird, die Schwingfrequenz

Die Frequenzänderung ist proportional zu x und wird zweckmäßigerweise als Ausgangssignal verwendet. Wenn der Wandler eine variable Fläche hat, steht die Schwingungsperiode in linearem Zusammenhang mit der Verschiebung

Daher ist es in beiden Fällen möglich, ohne die obige Einschränkung mit hoher Überlasttoleranz zu arbeiten. Durch die Einbindung des Umrichters in den Schwingkreis gehen diese Eigenschaften weitgehend verloren, es wird jedoch eine wesentlich höhere Stabilität der Generatorparameter erreicht. Daher wird letzteres Verfahren häufig in hochempfindlichen und stabilen Messsystemen eingesetzt. Der Wechselrichter mit Frequenzausgang ist in jedem Fall irreversibel.

Die Empfindlichkeit eines kapazitiven Wandlers wird durch seine geometrischen Verhältnisse, Versorgungsspannung und strukturelle Stabilität bestimmt. Mit einem variablen Spalt wird die höchste Empfindlichkeit erreicht, gleichzeitig aber die obere Messgrenze reduziert. Daher sind die Einsatzgebiete von Wandlern mit variabler Fläche und variablem Abstand unterschiedlich. Transducer mit variabler Permeabilität werden selten bei mechanischen Messungen verwendet, obwohl es kristalline Substanzen mit einer großen Abhängigkeit der Permeabilität von mechanischer Beanspruchung gibt. Solche Dielektrika können in Kraft- und Druckwandlern wirksam sein.

Mit kapazitiven Aufnehmern werden Kräfte und darauf reduzierte Größen sowie insbesondere kleine und kleinste Verschiebungen gemessen.

Induktiver Wandler. Die Wirkung induktiver MEPs basiert auf der Nutzung der Abhängigkeit der Induktivität eines stromdurchflossenen Stromkreises oder der Gegeninduktivität zweier verbundener Stromkreise von ihrer Größe, Form, relativen Lage und magnetischen Permeabilität des Mediums, in dem sie sich befinden. Insbesondere hängt die Induktivität einer Spule mit einem Magnetkern mit Spalt von dessen Länge ab (Bild I).

Nehmen wir an, der Ringspalt, durch den die außerhalb der Spule verlaufenden Kraftlinien geschlossen werden, ist so klein, dass er vernachlässigt werden kann. Wenn angegeben durch die absolute magnetische Permeabilität des Kerns; I - die durchschnittliche Länge der Stromleitung im Kern; die Induktivität einer Spule ohne Kern, dann die in Abb. 11 Spulen, bei denen die effektive magnetische Permeabilität dem Spalt gegeben ist;

Diese Formel gilt für If, zusätzlich zu Then

Auf diese Weise,

wo sitzt die induktivität

Reis. 11. Induktiver Wandler: 1 - fester Kern; 2 - Spule; 3 - beweglicher Kern

Die Energie des Magnetfeldes in der Spule

wo aktuell bei Wenn wir uns auf Begriffe der 2. Ordnung der Kleinheit beschränken und das dann berücksichtigen

Setzt man diese Größen in (30), (31) ein und berücksichtigt das, so erhält man die Konvertergleichungen

Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, dass der Wandler mit einem Koeffizienten (aber nicht ) gleich umkehrbar ist

Ausgangsstrom

Wie üblich ist der Wandler im Vorresonanzbereich ein Unterscheidungsmerkmal und jenseits der Resonanz ein Skalenteil. Die Versorgung eines induktiven Wandlers mit einer konstanten Spannung wird nicht praktiziert, da er im Gegensatz zu einem kapazitiven Wandler Energie verbraucht, die nutzlos für seinen aktiven Widerstand aufgewendet wird. Wenn mit Wechselspannung betrieben, nimmt der Energieverbrauch ab und wird

mögliche Messung konstanter Werte. Die Berechnung der Ausgangsparameter erfolgt wie bei einem kapazitiven Aufnehmer. Die Schlussfolgerungen über die Möglichkeit der Verwendung von Zeit- oder Frequenzmethoden zur Messung und Linearisierung bleiben gültig.

Konverter haben viele Designvarianten. Neben Wandlern mit variabler Spaltlänge, die sich durch die größte Empfindlichkeit gegenüber der Bewegung des Kerns auszeichnen, sind Wandler mit variabler Spaltfläche bekannt; mit offenem Magnetkreis (ohne festen Kern); mit variabler Gegeninduktivität usw. Ihre Empfindlichkeit reicht aus, um Verschiebungen bis zu messen

Mit induktiven Wegaufnehmern werden Verschiebungen und die darin umgewandelten Kräfte und Drücke gemessen.

Magnetoelastischer Wandler unterscheidet sich von induktiv durch den Mechanismus der Änderung der Induktivität. Sie erfolgt durch direkte Krafteinwirkung auf einen ferromagnetischen Kern (Abb. 12). Es ist bekannt, dass die Permeabilität eines Ferromagneten von den mechanischen Spannungen im Material abhängt. Wenn die Permeabilität ohne Spannung gleich ist, ändert sich die Permeabilität durch die Erzeugung der Spannung a zu Die Empfindlichkeit eines Ferromagneten gegenüber Spannungen ist durch einen Koeffizienten gekennzeichnet, der von a und dem Feld im Ferromagneten in einem bestimmten Änderungsbereich abhängt , dann kann die Induktivität der Spule genommen werden, oberes Ende, Höhe, dann

Reis. 12. Magnetoelastischer Wandler: 1 - Kern; 2 - Spule

Setzen wir diesen Wert in (30) ein, erhalten wir eine Gleichung für den Ausgangsstrom des Wandlers. Der magnetoelastische Wandler wird immer mit Wechselspannung gespeist und ist damit praktisch irreversibel. Das Ausgangssignal wird durch eine Formel ähnlich (35) ermittelt. Da die Koeffizientenwerte mehrere Hundert erreichen können, ist der Wandler empfindlich gegenüber kleinen Spannungen. Jedoch begrenzen Rauschen in einem Ferromagneten und Hysteresephänomene die minimal messbaren Spannungen auf einen Wert in der Größenordnung

Ein natürliches Anwendungsgebiet für einen magnetoelastischen Wandler ist die Messung von Kräften und Drücken. Es wird jedoch seltener als induktiv verwendet, hauptsächlich zum Messen sich langsam ändernder Größen gleichen Vorzeichens.

Widerstandswandler. Die Wirkung von resistiven Abgeordneten beruht auf der Verwendung der Abhängigkeit der in die Formel für den elektrischen Widerstand enthaltenen Größen - der Länge des Leiters seines Querschnitts und der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Materials y - von mechanischen Einflüssen. Ein resistiver MEP ist im einfachsten Fall ein gerader oder spiralförmig gewickelter Draht mit variabler aktiver Länge, die durch die Position des Schleifkontakts bestimmt wird (Abb. 13). Ein solcher Wandler wird Rheostat genannt. Der abgebildete Wandler mit spiralförmiger Wicklung ist nicht analog, sondern diskret mit einem Schritt, der dem Abstand von Windung zu Windung entspricht. Wenn der Kontakt um x bewegt wird, ist die relative Widerstandsänderung, wobei I die Länge der Wicklung ist. Es kann also von bis eins variieren, aber normalerweise wird die Anfangsposition des Kontakts in der Mitte der Wicklung gewählt. Ein weiteres Beispiel ist ein Dehnungsmessstreifen - ein stromleitendes Element, das einer Verformung ausgesetzt ist, häufiger einachsig (Abb. 14). Dabei werden alle Größen verändert, von denen der Widerstand abhängt.

Um die Eigenschaften des Materials des Dehnungsmessstreifens zu beurteilen, wird der Deheingeführt, gleich Berechnung der Änderung der Abmessungen des Drahtes während der Verformung

ergibt für den Wert wobei Poissonzahl gleich Da sich aber zusätzlich die Dichte des Materials und damit die Ladungsträgerkonzentration ändert und das Kristallgitter verformt wird, fällt es bei Metallen viel größer aus). In Halbleitern, wo es zwei Arten von Ladungsträgern gibt und mechanische Spannungen die Struktur von Energiebändern und die Beweglichkeit von Ladungsträgern verändern, ist der Deheine Größenordnung höher, hängt jedoch von der Art der Leitfähigkeit, ihrem Wert und der Ausrichtung ab der Widerstandsachse relativ zu den kristallographischen Achsen des Materials.

Reis. 13. Rheostatischer Konverter

Reis. 14. Dehnungsmessstreifen-Wandler

Bei Widerstandswandlern kann der Einfluss der elektrischen Seite auf die mechanische Seite völlig vernachlässigt werden und beide können als unabhängig betrachtet werden. Die mechanische Impedanz des Dehnungsmessstreifens ist relativ klein und von elastischer Natur; In einem Rheostat-Wandler ist der Gleitkontakt ein nichtlineares Element (z. B. Reibung ohne Schmierung). Die Empfindlichkeit von Widerstandswandlern beider Typen, beispielsweise durch Strom, wird durch die Formeln bestimmt

wo ist der Umwandlungskoeffizient der Verformung des Objekts in die Verformung des Dehnungsmessstreifens Die Dehnungsübertragung erfolgt entweder über die gesamte Länge des Dehnungsmessstreifens oder an einzelnen Punkten. Die Designs von dehnungsresistenten MEAs sind vielfältig. Sie werden in verschiedenen Formen aus Draht, Folie, Sprühfolie oder einem Stück Einkristall hergestellt.

Die Empfindlichkeit dehnungsresistenter MEAs ermöglicht die Messung dynamischer Verformungen bis zu

Mit rheostatischen Wandlern werden relativ große Relativverschiebungen gemessen, mit tensoresistiven Wandlern Verformungen und die in sie umgewandelten Größen: Kräfte, Drücke, Momente.

Konverter mit variabler Kennlinie. Eine besondere Art parametrischer MEC sind Wandler mit einer nichtlinearen Strom-Spannungskennlinie, die sich unter mechanischer Einwirkung auf den Wandler ändert. Ein typisches Beispiel ist ein mechatronischer Konverter – ein Elektrovakuumgerät mit einer beweglichen Elektrode. Auf Abb. 15 zeigt schematisch ein Diodenmechatron mit einer beweglichen Anode. Wenn sich die Anode relativ zur Kathode bewegt, was unter dem Einfluss einer Kraft auf die elastische Membran erfolgt, ändert sich die Diode - die Abhängigkeit des Anodenstroms von der Spannung zwischen den Elektroden. Dies ist aus der Formel für den Anodenstrom ersichtlich

wobei B ein Koeffizient ist, der vom Material und der Temperatur der Kathode und der Fläche der Elektroden abhängt; Anodenspannung. Die Änderung ist in Abb. 16, in deren rechtem Quadranten ein Kennlinienfeld bei unterschiedlichen Elektrodenabständen dargestellt ist.Die Darstellung von Abhängigkeiten in Form von Graphen ist oft die einzig mögliche, wenn analytische Ausdrücke mit ausreichender Genauigkeit fehlen. Da in der Diodenschaltung ein Lastwiderstand enthalten ist, ist eine Gleichheit erfüllt, wodurch sich der Strom gemäß der dynamischen Kennlinie ändert, deren Aufbau im linken Quadranten von Abb. 16. Trotz der ausgeprägten Nichtlinearität der anfänglichen IV-Kennlinie ist die dynamische Kennlinie nahezu geradlinig.

Reis. 15. Diodenmechatronischer Konverter: 1 - Membran, 2 - bewegliches Jod

Reis. 16. Schema zur Konstruktion der dynamischen Eigenschaften des Wandlers

Zählt man die Anodenverschiebung x ab dem Anfangsabstand 60 und bezeichnet man damit, so lassen sich die Wandlergleichungen schreiben:

Somit sind beide Gleichungen unabhängig. Ausgangsstrom des Konverters

Die mechanische Impedanz des Mechanotrons ist signifikant. Im Vorresonanzbereich, der üblicherweise ein Arbeitsbereich für diese Art von MEP ist, wird der Wandler skaliert.

Das Diodenmechanotron ist der einfachste unter den Konvertern mit beweglichen Elektroden. Es wurden Konstruktionen mit zwei Anoden und einem Differenzschaltkreis entwickelt, die sowohl nach Dioden- als auch nach Triodenschaltungen mit einer Empfindlichkeit von bis zu mehreren hundert Mikroampere pro Mikrometer hergestellt wurden. Mechanotrone eignen sich aufgrund ihrer hohen Steifigkeit besser zur Messung von Kräften und Drücken.

Zusammen mit Vakuum sind Festkörperwandler bekannt - Halbleiterdioden und Trioden (Transistoren), bei denen eine Funktion der mechanischen Belastung auf den aktiven Bereich des Kristalls ausgeübt wird: -Übergang, Kanal. Für diesen Zweck können fast alle bekannten Arten von Halbleiterbauelementen verwendet werden. Der Effekt wird hier dadurch erzielt, dass sich bei einer Änderung der Größe des aktiven Bereichs die Konzentration und Beweglichkeit von Ladungsträgern ändert und bei dem Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate auch eine piezoelektrische Polarisation in der isolierenden Schicht auftritt. Halbleiter-MEAs dieses Typs haben eine viel niedrigere mechanische Impedanz als ein Mechanotron und können kleine Kräfte messen, weil ihre Empfindlichkeit hoch ist; aber

Stabilität ist nicht gut genug. Bisher haben sie sich nicht weit verbreitet.

Resonator-Konverter. Konverter dieses Typs sind Generatoren mit elektromechanischer Rückkopplung durch ein frequenzselektives Element, dessen Parameter von der darauf ausgeübten Auswirkung abhängen (Abb. 17). Ein Generator mit einem piezoelektrischen Resonator im Rückkopplungskreis wird mit einer Frequenz angeregt, die gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der verwendeten Schallwellen ist; ganze Zahl; I ist die Länge des Wellenwegs im Resonator. Wirkt eine Kraft auf den Resonator, so ändern sich dessen Abmessungen und mechanische Eigenschaften und damit die Erzeugungsfrequenz in erster Näherung proportional zur Kraft. Damit ist der Wandler ein zwangsgesteuerter Oszillator mit Frequenzmodulation und ähnelt kapazitiven oder induktiven MEAs mit Frequenzausgang, wobei letztere jedoch keine mechanische, sondern elektrische Resonanz nutzt. Aber

wo ist die Masse des Resonators; Dicke; Schubmodul in Richtung

Die Stabilität wird durch die Stabilität der Kombination aus geometrischen und elastischen Parametern in Klammern bestimmt. In diesem Fall ist die Eliminierung des Verlusts von Energie, die im Resonator erzeugt wird, von großer Bedeutung, was durch eine rationale Wahl der Art der angeregten Wellen, der Konstruktion des Resonators und der Verbindungselemente erreicht wird.

Es ist unangemessen, Resonator-MEPs durch das System der Gleichungen (1) und (2) zu beschreiben, da sie einen Frequenzausgang haben und die umgekehrte Wirkung der elektrischen Seite auf die mechanische durch schwache Effekte der zweiten Ordnung der Kleinheit bestimmt wird , und kann vernachlässigt werden.

Am gebräuchlichsten sind Resonator-MEPs eines anderen Typs - die sogenannten Vibrationsfrequenz- (Saiten-) MEPs. Ihre Wirkung beruht auf der Nutzung der Tatsache, dass die Eigenfrequenz einer mit Kraft gespannten Saite proportional ist und somit die Frequenzabweichung aus

der Anfangswert ist proportional, aber Festkörperresonatoren haben gute Aussichten, da sie vor allem in puncto Schnelligkeit eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Ihre Empfindlichkeit ermöglicht es, Kräfte zu messen, die Spannungen in der Größenordnung verursachen.Bekannt sind auch Konverter mit rein elektrischen Resonatoren vom Klystron-Typ, diejedoch wegen erheblicher betrieblicher Nachteile nicht über die Laborforschung hinauskamen. Resonator-MEPs dienen zur Messung von Kräften und Größen, die auf sie reduziert werden können.

Reis. 18. Wirbelstromwandler

Wirbelstromwandler. Die Wirkung von Wirbelstrom- (oder Wirbelstrom-) Wandlern basiert auf der Nutzung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion. Befindet sich im Magnetfeld des Stroms ein leitender Körper, werden bei Feldänderungen kurzgeschlossene (Wirbel-) Ströme darin angeregt, die die Energie des Felds absaugen.