Реферат по "Теплотехнике"

1.1

Измерительный преобразователь, средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе И. п. (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования — сохранение в выходной величине И. п. информации о количественном значении измеряемой величины.

Измерительные преобразователи по месту, занимаемому в измерительном тракте, делятся на первичные и вторичные. К первичным преобразователям относятся датчики. В них электрический сигнал возникает в результате непосредственного воздействия наблюдаемого явления (микрофоны для записи тонов сердца, потенциометры для регистрации движений). Вторичные ИП предназначены для преобразования сигнала с датчика в форму, воспринимаемую последующими элементами измерительного тракта и могут быть промежуточными (на основе АЦП, ЦАП и др. преобразователей), масштабными и передающими.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще,

Используемые  датчики весьма разнообразны и могут  быть классифицированы по различным признакам:  

 

В зависимости  от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение  доли измерений различных физических величин в промышленности: температура  – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические  и магнитные величины – менее 4%. 

 

По виду выходной величины, в которую преобразуется  входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено  следующими достоинствами электрических  измерений:

- электрические величины  удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется  с высокой скоростью; 

- электрические величины  универсальны в том смысле, что  любые другие величины могут  быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются  в цифровой код и позволяют  достигнуть высокой точности, чувствительности  и быстродействия средств измерений.  

 

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики  входную величину преобразуют в  изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. 

 

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Требования, предъявляемые  к датчикам:

- однозначная зависимость  выходной величины от входной;

- стабильность характеристик  во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного  воздействия на контролируемый  процесс и на контролируемый  параметр;

- работа при различных  условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении  индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д. 

 

В простейшем случае индуктивный  датчик представляет собой катушку  индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины. 

 

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все  токопроводящие предметы. Индуктивный  датчик является бесконтактным, не требует  механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.

Преимущества

-   нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов

-   отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания

-   высокая частота переключений до 3000 Hz

-   устойчив к механическим воздействиям

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

 

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. 

 

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e₀eS/h

Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости. 

 

Емкостные датчики, также  как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют  мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем  случае, как правило, используют зависимость  частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход. 

 

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических  полей, относительная сложность измерительных устройств

 

Емкостные датчики применяют  для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения  заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).

Термоэлектрические  преобразователи (термопары) - принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т₁ – Т₀ между спаем и концами термопары.  

 

Соединенные между собой  концы термопары, погружаемые в  среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру  этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Е_т будет зависеть только от температуры T₁ рабочего конца.                                  

 U_вых = E_т = С(Т₁ – Т₀),         

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.  

 

Наибольшее распространение  для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. 

 

Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур. 

 

Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов.

Пьезоэлектрические  датчики

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

Используются для измерения  сил, давления, вибрации и т.д.

 

Патенциометрические датчики

Измерительные преобразователи, выполненные в виде реостата, подвижный контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины, называютсяреостатными измерительными преобразователями. Чаще всего реостатные ИП включаются в измерительную цепь по схеме потенциометра, поэтому в ряде источников используется термин «потенциометрические преобразователи».

Выходной  величиной ИП является электрическое  сопротивление, функционально связанное  с положением подвижного контакта. Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых или  линейных перемещений в соответствующее  изменение сопротивления, тока или  напряжения. Так как в перемещение  могут быть преобразованы многие неэлектрические величины (давление, расход, уровень и др.), то реостатные преобразователи очень часто  используют в качестве промежуточных  преобразователей неэлектрических  величин в электрические.

В зависимости от материала чувствительного  элемента реостатные преобразователи  разделяются на проволочные и непроволочные.

Как следует из приведенной статической  характеристики, рассмотренные преобразователи относятся к однотактным элементам, т е. они не реагируют на знак входного сигнала. В ряде случаев необходимы преобразователи, учитывающие знак входного сигнала, - двухтактные измерительные преобразователи. Их можно построить на основе однотактных потенциометрических преобразователей, если снимать выходной сигнал с движка и средней точки потенциометра или с диагонали мостовой схемы, образованной двумя потенциометрическими датчиками со средней точкой. Два возможных варианта включения потенциометрических датчиков по двухтактной схеме приведены на рис. 5.3, а, б. Их статические характеристики соответственно 1 и 2 (рис. 5.3, в) имеют разную крутизну. Это объясняется тем, что при включении преобразователей по мостовой схеме (см. рис. 5.3, б), изменение входного сигнала отрабатывается двумя движками, смещающимися в разные стороны от средней точки, что приводит к появлению удвоенного выходного напряжения по сравнению со схемой, представленной на рис. 5.3, а.

Реальные характеристики реостатных преобразователей значительно отличаются от рассмотренных идеальных из-за различных погрешностей: дискретности выходного сопротивления; отклонения функции преобразования от расчетной, вызванного непостоянством диаметра намоточного  провода и его удельного электрического сопротивления; изменения температуры  преобразователя; влияния сопротивления  нагрузки и других факторов.

К достоинствам проволочных реостатных преобразователей можно отнести: простоту конструкции; малые размеры и массу; возможность получения необходимых функциональных зависимостей относительно простыми средствами; получение высокоточных линейных статических характеристик; стабильность характеристик; малое переходное сопротивление; возможность работы на переменном и постоянном токе; малый ТКС. 

Недостатками этих элементов следует считать: наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказа из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибания движка; сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий порог чувствительности; наличие шума; подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов; ограниченную скорость линейного перемещения или вращения (до 100...200 об/мин) токосъемника вследствие его вибраций при переходе с витка на виток и повышение при этом уровня динамического шума; ограниченную частоту переменного тока (до 1000 Гц); низкую износоустойчивость.

1.3.

Преобразователь частоты представляет собой статическое  преобразовательное устройство, используемое для управления скоростью вращения асинхронных электродвигателей.