15. Линеаризация характеристики преобразования термопар

Линеаризация характеристик датчиков — нелинейное преобразование выходной величины датчика или величины (аналоговой или цифровой), ей пропорциональной, посредством которого достигается линейная зависимость между измеряемой и представляющей ее величинами.

Пользуясь линеаризацией, можно добиться линейности шкалы вторичного прибора, к которому подключен датчик с нелинейной характеристикой (например, термопара, термосопротивление, газоанализатор, расходомер и др.). Линеаризация характеристик датчиков дает возможность получить требуемую точность измерения вторичными приборами с цифровым выходом. Она необходима в ряде случаев при подключении датчиков к записывающим приборам или при выполнении над измеряемой величиной математических операций (например, интегрирования).

Для линеаризации термопар широко применяются несколько методов. Одно из решений, со стороны низких, — ограничение рабочего диапазона до того значения, при котором показание термопары все еще является линейной.

Другое решение — использование специальных разъемов термопар (системы, интегрированные или модули), предназначенные для реализации линеаризации. Как правило, ни один из этих методов не является подходящим для экономичных многоточечных систем сбора данных.

В дополнение к линеаризации термопар в аналоговой области, можно сделать такую ​​операцию и в цифровой области. Это достигается либо путем линейной аппроксимации (с использованием таблиц) или арифметическое приближение, или в некоторых случаях, комбинацию обоих методов.

Чтобы продемонстрировать, как это осуществляется типичная линеаризация термопары в цифровой области, давайте рассмотрим простой пример.

Предположим, что горячий контакт термопары находится в горячей воде при температуре 100 ° С и холодный контакт, расположенный рядом с измерительным прибором имеет комнатную температуру 25 ° С. Конечно, система должна в конечном счете, в результате измерения определить значение в 100 ° С.

 Ниже приведены шаги, которые приводят к такому результату. Следующее уравнение определяет измеряемую величину выходного сигнала термопары:

V_{измеренный} = V_{горячий} – V_{холодный},

где:

• V_{измеренный} — напряжение измеряется с помощью системы сбора данных

• V_{горячий} — напряжение горячего контакта из таблицы данных

• V_{холодный} холодный контакт напряжение считывается из справочной таблицы.

В соответствии с таблицами по термопаре типа J:

• V_{горячий} (100°C) = 5,278 мв

• V_{холодный} (25°C) = 1,019 мв

Таким образом, напряжение, измеренное с помощью прибора сбора данных будет:

• V_{измеренный} = 5,268 — 1,019 = 4,249 мв

Но на практике мы не знаем температуры горячего спая (100°C), поэтому выполняется обратный процесс. Устройство сбора данных получает два показания напряжения: первое от термопары (4,249 мв), второе значение холодного контакта из таблицы данных. Далее расчеты берет на себя программное обеспечение.

16. Тензодатчики: конструкция, принцип работы

Тензодатчики классифицируются не только по своей форме, но и по конструктивным особенностям. Конструкция прибора зависит от типа чувствительного элемента. Для контроля деформации используются следующие типы контактов:

1. Фольговые;

2. Пленочные;

3. Проволочные.

Индикатор с фольговым элементом используется как наклеиваемый тензодатчик. Это очень удобная система, которая представляет собой фольговую ленту, толщиной до 12 мкм. Часть пленки имеет плотную форму, а часть – решетчатую. Данная модель отличается от остальных тем, что можно припаивать дополнительные контакты, к тому же они нормально переносят низкие температуры.

Пленочные являются аналогом фольговых, за исключением материала, из которого изготовлены. Производители изготавливают такие модели из тензочувствительных пленок с особым напылением, которое увеличивает чувствительность системы. Такие измерительные узлы удобно использовать при необходимости измерить динамические нагрузки. Производство пленок выполняется из таких материалов, как титан, висмут, германий.

Проволочные способны измерить нагрузку от нескольких сотых грамма до целых тонн (скажем, весовой бункер и прочие). Их называют одноточечные, т. к в отличие от пленочных и фольговых моделей, они измеряют в одной точке, а не площади. Такая конструкция позволяет использовать проволочные тензодатчики для измерения деформации сжатия и растяжения.

Фото — проволочная модель

Конструктивно прибор представляет собой тензорезистор с контактным элементом. Он закреплен на верхней панели устройства, которая соприкасается с измеряемым телом. Принцип работы любого тензодатчика основан на воздействии на чувствительный элемент определенной детали. Для включения датчика в сеть применяется специальные электрические отводы, которые подключаются к чувствительной пластине. Благодаря этому в контактном элементе наблюдается постоянное напряжение. Но, при работе датчика на специальную подложку устанавливается деталь. Её вес разрывает цепь и образовывается механическая деформация, которая при помощи контрольных контактов преобразуется в электрический сигнал.

Измерительный мост тензодатчика позволяет измерить наименьшие нагрузки, благодаря чему значительно расширяется использование прибора. Мостовая схема подключения тензометрического датчика основана на законе Ома, при котором если все сопротивления имеют равное значение, то ток, проходящий через резисторы, также будет иметь одинаковое значение. Здесь воздействие из вне принято называть «внешним фактором», а преобразование сигнала – «внутренним». Тогда принцип действия основан на анализе внешнего фактора при помощи внутреннего.

В бытовом использовании работы тензодатчиков наглядно демонстрируют электронные или цифровые весы. В них установлены специальные тензорезисторы, которые контактами соединены с рабочей поверхностью весов. Питание таких приборов производится при помощи батарей.