КВП / Тема 8(1)

Тема 8 ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

ЕЛЕКТРИЧНИМИ МЕТОДАМИ

8.1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Для суворого виконання технології виробництва необхідна інформація щодо великої кількості параметрів виробництва. Так, у молочному тваринництві кількість основних параметрів складає більш 120, у сільськогосподарському виробництві більш 170. Наприклад, температура тіла тварини, сіна, силосу, ґрунту, вологість кормів та кормо суміші, повітря та газів, рівень рідини, сипких матеріалів, властивості та склад молока та кормо суміші, витрата та швидкість повітря.

Більшість параметрів виробництва у сільськогосподарському виробництві вимірюються за допомогою електричних засобів. Це викликано їх наступними перевагами:

- висока чутливість та мала інерційність апаратури;

- можливість вимірювання на значній відстані;

- простота автоматизації процесів вимірювання.

Особливістю методів та засобів вимірювання неелектричних величин є те, що вимірювальна неелектрична величина попередньо перетворюється у пропорційну їй електричну величину: струм, напругу, опір, частоту, яка потім вимірюється відомими прийомами.

Первинний вимірювальний перетворювач (ПВП) - це засіб вимірювання, який призначений для вироблення сигналу електричної інформації, у формі, яка зручна для передачі, обробки, подальшого перетворення та зберігання, але цей сигнал не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем.

Вторинний вимірювальний прилад – це вимірювальний прилад, який оброблює, перетворює електричну інформацію, яка надходить з ПВП, а також надає візуальну інформацію щодо неелектричної величини, яка вимірюється.

Основна вимога до кіл вимірювання неелектричних величин: мінімальні втрати інформації при її перетворенні, тобто мінімальні похибки.

Переваги вимірювання неелектричних величин електричними методами:

- прилади дозволяють здійснювати дистанційні вимірювання;

- процес вимірювання піддається автоматизації;

- прилади найбільш зручні для вирішення задач автоматичного керування;

- прилади дають можливість реєстрації як дуже повільно змінних величин, так й швидко змінних;

- прилади мають широкий діапазон меж вимірювання.

8.2 КЛАСИФІКАЦІЯ ПЕРВИННИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ (ПВП)

За призначенням: перетворювачі механічних, теплових, хімічних, біологічних, та інших фізичних величин;

За принципом дії: генераторні; параметричні.

Генераторний первинний вимірювальний перетворювач – це перетворювач, у якому вимірювальна неелектрична величина перетворюється у пропорційну ЕРС або силу струму.

Параметричний первинний вимірювальний перетворювач – це перетворювач, у якому вимірювальна неелектрична величина перетворюється у різні параметри електричних кіл – опір, ємність, індуктивність, частоту.

Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів подана на рисунку 1.

Рисунок 1 – Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

8.3 ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПАРАМЕТРИ ПВП

Характеристика градуювання ПВП– це залежність між значеннями на виході та вході перетворювача: ;

Коефіцієнт перетворення ПВП – це відношення зміни сигналу на виході ΔY, який відображає вимірювальну величину, до зміни сигналу на вході ΔX: ;

Точність ПВП – величина, яка відображає близькість до нуля його похибок;

Чутливість перетворення – це відношення зміни сигналу на виході ΔL до зміни вимірювальної величини ΔX: ;

Поріг чутливості – це найменша відносна зміна значення вимірювальної величини, яка викликає помітну зміну показань приладу;

Похибки: абсолютна, відносна,

До основних характеристик ПВП належать: взаємна заміна перетворювачів, незмінність характеристик у часі, умови експлуатації, ступінь зворотного впливу, маса та габарити.

8.4 ТЕПЛОВІ ПЕРВИННІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

Принцип дії теплових перетворювачів оснований на зміні властивостей металів та напівпровідників під впливом температури.

Вхідною величиною таких ПВП є температура.

До теплових ПВП належать: термоелектричний перетворювач - термопара, термометр опору - терморезистор, термістор, пірометр.

Класифікація теплових ПВП наведена на рисунку 2.

Рисунок 2 – Класифікація методів вимірювання температури

Розглянемо теплові перетворювачі більш детально. (див. таблиці 1 та 4)

Таблиця 1 – Термоелектричний перетворювач - термопара

Найменування перетворювача

Характеристика перетворювача

Термопара

Фізичні явища, які покладені в основу принципу дії: Дія основана на термоелектричному ефекті Зеебека: при з’єднанні різнорідних металів або напівпровідників в місці з’єднання виникає термо-ЕРС, яка залежить від виду металу та температури місця з’єднання. Чутливий елемент: місце з’єднання двох металів Схема термопари має вигляд: 1 – місце з’єднання; 2 – вільні кінці Місце з’єднання має назву гарячий (робочий) спай Характеристика градуювання: , де ЕТ – термо-ЕРС, mВ; αТ – температурний коефіцієнт матеріалів, mВ/ ºС; Т1 – температура місця з’єднання, ºС; Т2 – температура вільних кінців, ºС Конструктивні особливості: В найменуванні термопари на перше місце ставлять матеріал позитивного електрода, а на друге – негативний. Матеріалом для виготовлення термопари є: платина, вольфрам, реній та сплави металів (див. таблицю 2). У якості нормованого електрода прийнятий платиновий електрод, по відношенню до нього в матеріалах створюються термо – ЕРС (див. таблицю 3).

Таблиця 2 – Сплави металів для виготовлення термопари

Найменування сплаву	Вміст металів у сплаві, %
Хромель	89% - нікель; 9,8% - хром; 1% - залізо; 0,2 % - марганець
Алюмель	94% - нікель; 2% - алюміній; 2,5% - марганець; 1,5% - кремній
Копель	56% - мідь; 44% - нікель

Таблиця 3 – Величини термо - ЕРС матеріалів

Матеріал	Величина термо – ЕРС, mВ	Матеріал	Величина термо – ЕРС, mВ
ніхром	+2,2	константант	- 3,4
манганін	+0,76	копель	- 3,6
мідь	+0,76	нікель	- 1,5
хромель	+2,4	алюмель	- 1,7

Таблиця 4 – Термометр опору - терморезистор

Найменування перетворювача	Характеристика перетворювача
Термометр опору	Фізичні явища, які покладені в основу принципу дії: Дія основана на теплообміні провідника зі струмом з навколишнім середовищем, температуру якого необхідно виміряти та перетворити в пропорційну зміну електричного опору. Теплове збудження електронів металів, яке зростає при збільшенні температури, викликає зміну провідності Чутливий елемент: чиста електротехнічна мідь, платина, нікель Характеристика градуювання: , де R0 – опір резистора при температурі 0 ºС; α – температурний коефіцієнт матеріалу; Залежність має вигляд: (залежність 1)
	Конструктивні особливості: Термометр опору – це намотаний з металу на ізолюючому каркасі резистор, який розташований в захисній оболонці, Розглянемо конструктивні особливості терморезистора ТСП: 1 – пластмасовий циліндр; 3 – платиновий провідник; 4 – вивідні провідники; 5 – металева гільза; 2 – керамічний порошок

Продовження таблиці 4

Найменування перетворювача

Характеристика перетворювача

Напівпровідниковий терморезистор - термістор

Фізичні явища, які покладені в основу принципу дії: Дія основана на теплообміні провідника зі струмом з навколишнім середовищем, температуру якого необхідно виміряти та перетворити в пропорційну зміну електричного опору. Теплове збудження електронів напівпровідників, яке зростає при збільшенні температури, викликає зміну провідності Чутливий елемент: окисли металів: міді, кобальту, магнію, марганцю Характеристика градуювання: , де А, В – постійні, які залежать від матеріалу, розміру та форми чутливого елементу Залежність має вигляд (див. вище, залежність 2) Конструктивні особливості: Чутливий елемент виготовляється у вигляді стовпчика, кульки, шайби. Є також вивідні провідники, герметичний металевий корпус. Для захисту від зовнішніх впливів увесь термістор закладається у скло.

Теплові перетворювачі застосовуються для вимірювання температур:

• від мінус 200 до плюс 200 ºС – мідний термометр опору;

• до плюс 1200 ºС – платиновий термометр опору;

• до плюс 250…300 ºС – нікелевий термометр опору

• від мінус 100 до плюс 600 ºС – напівпровідникові термістори.