ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

1) Які вимірювальні перетворювачі відносяться до генераторних?

До генераторних належать перетворювачі з вихідним сигналом у вигляді енергетичного процесу, наприклад, ним може бути електричний струм, ЕРС, механічна сила чи тиск тощо. Вони не потребують енергії додаткових джерел живлення, оскільки використовують енергію вхідного сигналу. Найбільшого поширення набули індукційні, термоелектричні, п’єзоелектричні, фотоелектричні перетворювачі.

2) Які вимірювальні перетворювачі відносяться до параметричних?

Параметричними є перетворювачі, в яких зміна вхідної вимірювальної величини приводить до зміни їх вихідних параметрів – електричного опору, ємності, індуктивності, механічної пружності, магнітної проникності тощо. Для отримання вихідної інформації параметричних перетворювачів у вигляді сигналу потрібні додаткові джерела енергії. Їх широко використовують для перетворення неелектричних величин (переміщення, зусилля, тиску, температури та ін.) у електричні величини (напругу, струм, частоту та ін.).

3) Який фізичний ефект або явище покладено в основу вимірювального перетворювача, що працює по принципу (електрика-теплова енергія)?

Термоелектричний ефект (Ефект Зеєбека).

Ефект Зеєбека – виникнення електрорушійної сили в неоднорідно нагрітому провіднику.

Ефект Пельтьє – нагрівання чи охолодження контакту двох провідників при проходженні через нього електричного струму.

Ефект Томсона – виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму через неоднорідно нагрітий провідник.

Термоелектричні явища широко використовуються в техніці. Термопари застосовуються для вимірювання температури, а також для прямого перетворення тепла в електрику.

Також перетворення теплової енергії в електричну грунтується на явищі термоелектронної емісії (термоемісійний перетворювач енергії). Цей ефект ще називають: ефект Річардсона, ефект Едісона.

4) Фізична сутність термоелектричного ефекта.

Принцип дії термоелектричного перетворювача (термопари) базується на використанні термоелектричного ефекту (ефекту Зеєбека), суть якого полягає у виникненні термо-ЕРС в колі, що складається з двох різнорідних провідників чи напівпровідників, які називають термоелектронами, якщо температури Т1 i Т2 відповідних частин перетворювача (так званих спаїв) piзні.

5) Які фізичні ефекти або закони покладено в основу вимірювального перетворювача, що працює по принципу (ослаблення пучка монохроматичного світла при його проходженні через поглинальну речовину)?

Закон Бугера-Ламберта-Бера – закон експоненційного зменшення інтенсивності світла в середовищі в залежності від його товщини.

6) Надійність первинного вимірювального перетворювача.

-----------------------------

7) Які характеристики відносяться до статичних характеристик вимірювального перетворювача?

Режим роботи вимірювального пристрою, при якому значення вхідного Х і вихідного Y сигналів не змінюються, називають статичним (стаціонарним чи врівноваженим).

Статичну характеристику для ВП іноді називають характеристикою шкали (градуювальною характеристикою).

Статична характеристика може бути лінійною або нелінійною.

Статичні характеристики дозволяють оцінити роботу перетворювачів у режимі, що встановився. Однак у реальних умовах датчикам іноді доводиться працювати в умовах швидкоплинних процесів, тобто в динамічному режимі, коли на вхід надходять сигнали, що змінюються в часі. У цих випадках починають проявлятися явища відставання вихідного сигналу від вхідної зміни його частоти, фази, амплітуди.

Більш точно статичну характеристику можна визначити як залежність інформативного параметра вихідного сигналу від інформативного параметра його вхідного сигналу в статичному режимі. Статична характеристика описується в загальному випадку деяким нелінійним рівнянням (рівнянням перетворення): Y = f (X). Для вимірювальних перетворювачів, а також вимірювальних приладів з неіменованою шкалою чи зі шкалою, відградуйованою в одиницях, відмінних від одиниць вимірювальної величини, статичну характеристику прийнято називати функцією перетворення. Для вимірювальних приладів іноді статичну характеристику називають характеристикою шкали. Визначення статичної характеристики пов’язано з виконанням градуювання, тому для всіх засобів вимірювань використовують поняття градуювальної характеристики, під яким розуміють залежність між значеннями величин на виході і вході засобу вимірювань, складену у вигляді таблиці, графіка чи формули.

По динамічних характеристиках більшість датчиків ставиться до підсилювальних, аперіодичним і коливальним ланкам першого й більш високих порядків. Найбільш використовувані характеристики датчиків: частотна характеристика й передатна функція, а параметри – постійна часу, час запізнювання й коефіцієнт підсилення.

8) Які типові схеми обробки вихідних сигналів є необов’язкові в первинних вимірювальних перетворюювачах?

-----------------------------

9) За якими критеріями визначають ефективність вимірювального перетворювача?

10) Коли у вимірювальних перетворювачах, похибка при наявності опору ліній повинна враховуватися?

Номінальні значення опорів лінії зв’язку враховуються при градуюванні приладу.

11) Для яких вимірювальних перетворювачів повинна враховуватися похибка від опору втрат R_втр ≠ ∞?

Для генераторних перетворювачів.

12) Для чого використовують схему еквівалентного захисту?

Із еквівалентної електричної схеми видно, що людина, доторкаючись до заземленого корпуса, який опинився під напругою, під’єднується до електричного кола однофазного струму паралельно опору заземлення. Оскільки опір заземлення малий, то основна частина струму замикання на землю пройде саме через нього, а через людину пройде малий (безпечний) струм. У цьому і полягає суть захисного заземлення. Причому струм, що пройде через людину, зменшиться у стільки разів, у скільки опір людини більший за опір заземлення.

13) Яким чином можна зменшити заваду загального виду (повздовжню заваду)?

Для зменшення впливу поздовжніх завад у засобах вимірювання з несиметричним входом у найпростішому випадку з’єднують його низькопотенціальний вхідний затискач з корпусом. Для зниження впливу поздовжніх завад можна виготовляти (виконувати) вхід приладу симетричним, щоб опори між кожним з вхідних затискачів і корпусом були великими.

14) Що впливає на виникнення електрохімічної ЕРС у вимірювальних колах?

Впливає концентрація розчину.

Хімічний потенціал іонів в розчині залежить від концентрації розчину. Таким чином, абсолютне значення електродного потенціалу експериментальне визначити неможливо, і на практиці користуються відносними величинами – ЕРС кола, яке складається із даного електрода і стандартного, потенціал якого умовно приймають рівним нулю.

15) Методи захисту вимірювальних кіл від магнітних полів.

Для захисту від зовнішніх магнітних полів вимірювальний механізм поміщають у феромагнітний екран.

16) Які матеріали використовують при виробництві реостатних давачів?

Манганин, константан, фехраль.

Для виготовлення давачів з підвищеною зносостійкістю та стійкістю до корозії використовується сплав, що складається з 90 % платини та 10 % іридію. Також у цих випадках використовується дріт з інших сплавів на основі платини, наприклад, платина-паладій, платина-рубідій. У перетворювачах низького класу точності використовується дріт діаметром 0,1…0,4 мм. Платино-іридієвий сплав дає можливість виготовити дріт діаметром до 0,03 мм, який використовується у перетворювачах високого класу точності. Щітка виготовляється з кількох дротинок платино-іридієвого чи платино-берилієвого сплаву або пластинок з фосфористої бронзи. Для виготовлення каркасу використовується ізоляційний матеріал, наприклад, гетинакс, текстоліт, кераміка. Використовуються також каркаси з алюмінію, ізольованого лаком або плівкою окислу. Завдяки високій теплопровідності алюмінієві каркаси дозволяють збільшити густину струму в провіднику резистивного елемента, що збільшує чутливість перетворювача.

17) У яких тензорезисторах коефіцієнт тензочутливості найбільший?

Напівпровідникових тензорезисторах.

Для провідників складові m (коефіцієнт Пуассона) і n (коефіцієнт еластоопору) мало відрізняються за величиною. Для напівпровідників величина n може на два порядки перевершувати m і залежить від температури, деформації, кристалографічного напряму. Тому напівпровідникові тензорезистори володіють набагато більшою тензочутливістю, але і більш схильні до впливу сторонніх дій.

18) Як оптимально зменшити вплив температури навколишнього середовища на точність тензорезистивного перетворювача?

З метою зменшення впливу зміни температури навколишнього середовища на чутливість мостової схеми досить часто в якості пасивних плечей мостової схеми R3 і R4 також використовуються тензорезистори, розташовані на об’єкті вимірювання або поруч з ним, але які не сприймають вимірюваних пружних деформацій.

19) Що є джерелом виникнення паразитних ємностей у ємнісних давачах?

Паразитні ємності С_пар створюється як конструктивними елементами, так і з’єднувальними провідниками, котрі шунтують ємність С₀ перетворювача і можуть викликати значне зменшення його чутливості.

Тому при експлуатації ємнісних перетворювачів необхідно вживати заходи до зменшення зовнішніх паразитних ємностей, зокрема, скорочуючи довжину з’єднувальних дротів та використовуючи відповідні схемні рішення.

Основними труднощами, що виникають при вимірюваннях із застосуванням ємнісних перетворювачів, є труднощі, зв’язані з усуненням впливу лінії зв’язку на результат вимірювань, особливо, коли перетворювач знаходиться на значній відстані від вимірювальних приладів. Внаслідок значної довжини в лінії можуть наводитись значні активні завади. Тому завади фільтрують, зокрема, розділенням спектра частот інформативного параметра та завади. А оскільки в умовах промислового виробництва завади здебільшого є низькочастотними (промислової частоти), перетворюють та передають інформативні параметри на порівняно високих частотах. Іншим джерелом похибки, зв’язаним з лінією зв’язку, є розподілені ємнісні опори витоку між лініями, які шунтують вихідний інформативний параметр перетворювача. Якщо врахувати, що вихідні ємності ємнісних перетворювачів становлять десятки пікофарад, то при погонній ємності між дротами лінії зв’язку, яка може досягати одиниць і навіть десятки пікофарад на метр, її шунтувальна дія може бути настільки великою, що вимірювання стають неінформативними. Для усунення впливу паразитних ємностей застосовують екранування ліній та відповідні схемні рішення, за яких шунтувальна дія паразитних ємностей була би усунена або значно зменшена.

20) Що є основним недоліком вольтметрів з електростатичними давачами?

До основних недоліків цих приладів відносяться: сильна залежність показань від зовнішніх електричних полів, мале значення обертаючого моменту, низька чутливість і нерівномірна шкала.

21) Які матеріали використовують для чутливих елементів п’єзоелектричних перетворювачів?

Кварц, турисін, титанат барію, турмалін, а також штучно поляризовану кераміку.

П’єзочутливий елемент зазвичай вирізають з кристалу кварцу у вигляді пластини (паралелепіпеда), сторони якої паралельні осям кристалу.

В якості п’єзоелектричних матеріалів використовують зазвичай природний матеріал – кварц, турмалін, а також штучно поляризовану кераміку на основі титанату барію (BaTiO3), титанату свинцю (PbTiO3) і цірконату свинцю (PbZrO3). Можна використовувати і інші матеріали.

22) Що значно впливає на роботу кварцових п’єзоелектричних перетворювачів Х-зрізу?

Модуль пружності (який залежить від виду деформації).

Важливою характеристикою п’єзоелементів є модуль пружності E_v, значення якого для цього п’єзоматеріалу залежить від типу зрізу, виду деформації, а також від зовнішніх чинників, наприклад, температури.

23) В якому діапазоні температур п’єзоелектричні перетворювачі на основі п’єзокераміки не втрачають своїх п’єзоелектричних властивостей?

Гранична температура (точка Кюрі) десь до (біля) 120 °С, 290 °С (а точка Кюрі для кварцу 530 °С).

Всі матеріали володіють п’єзоелектричними властивостями лише в певному температурному діапазоні, межа якого визначається точкою Кюрі. Для кварцу точці Кюрі відповідає температура t_К = 530 °С, для п’єзокераміки ці температури значно нижче.

П’єзокераміка на основі ніобату свинцю (НБС) і цирконату-титанату свинцю (ЦТС) більш стабільна, ніж на основі титанату барію, однак поступається їм в чутливості. Так, п’єзокераміка на основі титанату барію має точку Кюрі 120 °С при п’єзомодулі порядку 100×10¹² Кл/Н, а п’єзокераміка ЦТС-19 точку Кюрі 290 °С і в два рази більш високе значення п’єзомодуля.

24) З якою чутливістю у вимірювальних колах п’єзоелектричних перетворювачів використовують підсилювачі заряду?

Чутливість більшості підсилювачів заряду лежить в межах 0,1 до 10 мВ/пКл.

25) Чому індуктивні перетворювачі зі змінною довжиною повітряного проміжку можна використовувати для вимірювань не більше ніж у діапазоні 0,01 … 10 мм?

Такий перетворювач має високу чутливість до вхідної величини (мається на увазі велику відносну зміну індуктивності при зміні повітряного проміжку, яка зумовлена відповідним переміщенням).

26) У чому суть ефекту Баркгаузена?

Суть ефекту – стрибкоподібна зміна намагніченості (J) феромагнітної речовини при монотонному і безперервному зовнішньому впливі, при якому відбувається перебудова доменної структури матеріалу, наприклад, зміна пружних напружень, температури або напруженості магнітного поля (H).

27) Які перетворювачі можна назвати «генераторами ЕРС», значення якої пропорційне до переміщення відносно котушки в постійному магнітному полі?

Індукційні перетворювачі.

28) Що є спільним у вихідній формулі зв’язку індукційних перетворювачів швидкості лінійного та кутового переміщення?

В обох формулах присутнє значення кількості витків (w).

29) Визначення поняття магнітопружної чутливості матеріалу магнітопружного ПВП.

Магнітопружна чутливість матеріалу магнітопружного ПВП, полягає у зміні магнітної проникності та інших магнітних властивостей феромагнітного тіла під дією механічних диформацій.

30) Як можна зменшити магнітний гістерезис у магнітопружних перетворювачах?

Для зменшення погрішності, викликаної гістерезисом, рекомендується виготовляти перетворювачі з матеріалів, що мають більшу межу пружності й меншу петлю магнітного гістерезису. Погрішність, обумовлена гістерезисом, зменшується після тренування перетворювача.

Функція перетворення при збільшенні навантаження магнітопружніх перетворювачів відрізняється від функції перетворення при зменшенні навантаження. Ця відмінність має гістерезисний характер і обумовлений магнітним і механічним гістерезисом. При статичних вимірах гістерезис перетворювача більший, ніж при динамічних. Для зменшення погрішності, викликаної гістерезисом, рекомендується виготовляти перетворювачі з матеріалів, що мають можливо більшу межу пружності й можливо меншу петлю магнітного гістерезису. Максимальні механічні напруги в магніто пружному матеріалі повинні бути в 6-7 разів менше його межі пружності. Погрішність, обумовлена гістерезисом, зменшується після тренування перетворювача. Тренування проводиться 5-10-кратним навантаженням силою, що відповідає межі зміни перетворювача. Гістерезис може виникнути також у результаті сил тертя, якщо, наприклад, магнітопровід не суцільний, а складений. Наведену погрішність, викликану гістерезисом, можна знизити до 0,5-1 %.

31) Визначення фізичного ефекту (виникнення в речовині намагніченості під дією зовнішнього тиску)?

П’єзомагнетизм.

32) Коли похибка зумовлена магнітопружним гістерезисом буде найменшою у магнітопружному перетворювачі?

-----------------------------

33) В скільки раз у магнітопружних перетворювачах механічні напруження в матеріалі чутливого елемента не повинні перевищувати межі пружної деформації?

-----------------------------

34) Визначити, який це ефект: між боковими гранями пластини з металевого провідника або напівпровідника, вздовж якого перетікає електричний струм, при дії перпендикулярного поля виникає різниця потенціалів?

Це явище називається ефектом Холла або гальваномагнітним явищем.

35) Який із фізичних ефектів відноситься до гальваномагнітних?

Гальваномагнітними називаються ефекти, суть яких полягає в зміні фізичних властивостей провідників або напівпровідників при протіканні через них електричного струму і одночасної дії на них магнітного поля. До них належить ефект Холла, магніторезистивний ефект (ефект Гаусса), ефект Нериста та інші.

36) Які матеріали не використовують для виготовлення чутливих елементів перетворювачів Холла?

ВИКОРИСТОВУЮТЬ! Для виготовлення датчиків Холла найчастіше використовують напівпровідники: InP (фосфід індію), InSb (антимонід індію), GaAs (арсенід галію), Ge (германій), Si (кремній, силіцій). Використання напівпровідників обумовлене тим, що завдяки високій рухливості носіїв струму вони мають велику чутливість до впливу магнітного поля. Чутливий елемент може виготовлятися як з об’ємного матеріалу, так і на основі напівпровідникових плівок на ізолюючих підкладках. Він може мати різну форму, що впливає на лінійність залежності вихідного сигналу від магнітного поля (чутливість).

37) При яких умовах ЕРС Холла може бути сталою величиною.

ЕРС Холла може бути сталою або змінною. Якщо індукція (В) досліджуваного поля і струм (І) живлення постійні, то Е_хл – стала. Якщо ж індукція поля постійна, а струм живлення змінний (і навпаки), то Е_хл буде змінною і тієї ж самої частоти, що й частота змінної вхідної величини (індукції чи струму).

38) Від яких величин залежить коефіцієнт Холла?

Коефіцієнт Холла залежить від магнітного поля при низьких температурах. Коефіцієнт Холла повинен залежати від температури (або від зворотної температури). Також він залежить від зонної структури та форми поверхні. Знак коефіцієнта Холла залежить від знака носіїв заряду.

39) Які вимірювальні кола використовують разом із ємнісними безконтактними електролітичними перетворювачами?

-----------------------------

40) Чи може бути показник рН = 32?

Не може (максимум 14, pH + pOH = 14).

41) Які робочі рідини використовують в електрокінетичних перетворювачах?

Як робочі рідини використовують однокомпонентні полярні рідини, такі, як ацетон, нітробензол, ацетонітрил, а для перегородок – поліетилен, кварц, фторопласт-4, скло.

42) Якою залежністю описується принцип дії електрохімічних перетворювачів?

Залежність ЕРС або електричного опору (вихідної величини) від зміни хічічного складу і концентрації розчину, а також від швидкості переміщення або тиску розчину (вхідної величини).

43) У яких електрохімічних перетворювачах використовується протікання полярної рідини через пористу перегородку?

У електрокінетичних перетворювачах (ЕКП).

44) Який вираз описує принцип дії гальванічного перетворювача рН-метра?

45) Що є джерелами основної складової похибки гальванічного перетворювача?

Основними складовими похибками pH-метрів (гальванічних перетворювачів) є температурна похибка, а також дифузійні потенціали.

Для зменшення температурної похибки застосовують електричні кола температурної корекції, а для зменшення дифузійних потенціалів – з’єднання напівелементів через електролітичний ключ.

46) Яким чином зменшують температурну похибку в гальванічних перетворювачах?

Для зменшення температурної похибки застосовують електричні кола температурної корекції.

47) В діапазоні яких частот працюють електрокінетичні віброперетворювачі?

В діапазоні: 5...200 Гц.

Електрокінетичні віброперетворювачі характеризуються такими технічними даними: частота віброколивань 5...200 Гц, амплітуда 15...500 мкм, механічна стала часу від сотих часток до однієї секунди, а чутливість в робочому діапазоні 0,1...1 мВ/мкм.

48) Яка робоча область спектра в оптичних перетворювачах де використовується піроелектричний ефект?

Десь біля 400-700 нм.

49) Недоліки оптоелектронних чутливих перетворювальних елементів.

Недолік, пов’язаний з управлінням (керуванням) електричною характеристикою і неможливістю адаптації до різних видів світловипромінюючих пристроїв і фотодетекторів.

50) З якого матеріалу можуть бути виготовлені джерела випромінювання в оптичних перетворювачах?

Найбільш широко використовуються такі гетероструктури, як GaAs (арсенід галію) та АІGaAs (арсенід алюмінію-галію).

51) Якою функціональною залежністю описується принцип дії чутливого елемента оптико-акустичного газоаналізатора?

Ефект полягає в наступному: якщо пульсуючий потік інфрачервоної радіації пропустити через замкнений об’єм газу, то при поглинанні радіації підвищується температура газу і при відсутності потоку радіації знижується. Зміна температури газу в замкненому об’ємі викликає зміну тиску, коливання якого залежать від частоти пульсації, а амплітуда – від інтенсивності і ступеня поглинання радіації. Коливання тиску сприймаються мікрофоном і через підсилювач передаються вимірювальному приладу.

52) У яких речовинах спостерігається тільки конвективний теплообмін?

Явище конвективного переносу теплоти спостерігається лише в рідинах і газах, коли теплота переноситься разом з масою рухомого середовища.

53) Від чого залежить термо-ЕРС, яка розвивається електродами термоелектричного перетворювача?

Термо-ЕРС залежить від вимірюваної температури, природи матеріалів і температури в місцях спаїв.

Знак і величина термо-ЕРС в спаї двох різнорідних металів залежать від природи матеріалів і температур в місцях спаїв.

54) Який із термінів має наступне визначення: «теплообмін між поверхнею тіла і контактувальним із ним навколишнім середовищем-теплоносієм»?

Тепловіддача.

55) Чим відрізняється визначення коефіцієнта тепловіддачі для газів та рідин?

-----------------------------

56) Які матеріали дають найбільшу за модулем термо-ЕРС у парі з платиною в термопарі?

Вісмут, Сурма, Константан (можливо Родій).

57) Що впливає на значення термо-ЕРС термопари?

Домішки і неоднорідність термоелектродних матеріалів (термоелектрична неоднорідність); матеріал провідників (термоелектродів), що утворюють термопару; температура вімірюваного і вільного спаю; діапазон температур, в якому використовується термопара; опір зовнішнього ланцюга.

Термо-ЕРС термопари залежить від температури вімірюваного і вільного спаю та від складу матеріалу провідників, що утворюють термопару.

Коефіцієнт термо-ЕРС (α) залежить, в першу чергу, від матеріалу термоелектродів, а також від діапазону температур, в якому використовується термопара; в деяких випадках із зміною температури (α) змінює знак.

Із зменшенням температури погіршуються умови генерації термо-ЕРС.

58) Діапазон вимірювання температури термоелектричними перетворювачами.

Термоелектричні перетворювачі мають дуже широкий діапазон вимірювання: від -200 °C до +2200 °C (короткочасно до +2500 °C).

59) Діапазон вимірювання температури терморезистивними перетворювачами.

Терморезистивні перетворювачі (термоперетворювачі опору) призначені для перетворення температури в діапазоні: від -260 °С до +1100 °С.

Терморезистивні перетворювачі температури, що іменуються стандартом термоперетворювачами опору (ТО), бувають трьох основних різновидів: з платиновими (ТОП), мідними (ТОМ) та нікелевими (ТОН) чутливими елементами і призначені для перетворення температури в діапазоні від -260 °С до +1100 °С.

Платинові ТО призначені для перетворення температури в діапазоні від -260 °С до +1100 °С, ТОМ від -200 °С до +200 °С, ТОН від -60 °С до +180 °С.

60) Які матеріали не використовуються у термопарах для електроізоляції при вимірюванні температури більше 1500 °С?

-----------------------------

61) Причини похибок термопар.

Нестабільність температури холодних спаїв, дефекти формування робочого спаю термопари, зміна опору навантаження, відхилення параметрів подовжувальних проводів від розрахункових (електричне, теплове шунтування).

Похибки від нелінійності характеристик термопар сягають 5%. Крім того, джерелами похибок термопар є нестабільність температури холодних спаїв, зміна опору навантаження, якщо вона співрозмірна з опором термопари, відхилення параметрів подовжувальних проводів від розрахункових.

Дефекти формування робочого спаю термопари; Виникнення термоелектричної неоднорідності за довжиною термоелектродової зміни градуювальної характеристики термопари; Електричне шунтування провідників ізоляцією і можливе виникнення гальванічного ефекту; Теплове шунтування; Електричні шуми витоку.