Budowa i właściwości przetwornika U/I
Z uwagi na różne skale trudności przetwarzania sygnałów napięciowych standardowe sygnały prądowe i ze względów użytkowych dzieli się je na stałonapięciowe „silne” (0,5-10V),
słabe (<500mV), i przemienne. Źródłem pierwszych są prądnice tachometryczne i nadajniki potencjometryczne związane z nieelektrycznymi przyrządami wskazówkowymi i elementami wykonawczymi. Napięcia przemienne otrzymuje się na wyjściu czujników indukcyjnych i prądnic tachometrycznych prądu przemiennego. Źródłem małych napięć są przede wszystkim termopary i sondy elektrometryczne. Dokładne przetwarzanie sygnałów „słabych” stwarza największe trudności, a dodatkowe komplikacje wynikają z dużych rezystancji wewnętrznych źródeł, wzmocnienia tych sygnałów powinny mieć rezystancje kilka rzędów większą od rezystancji źródeł. Pewne trudności sprawiają też zakłócenia słabych sygnałów pomiarowych. Zagadnieniom wzmacniania małych napięć należy więc poświęcić więcej uwagi.
Wzmacniacze pomiarowe:
-charakteryzują się wejściem różnicowym, dużą rezystancją wejściową i dużym wzmocnieniem
-w części A układu uzyskanie dużej rezystancji wejściowej wymaga dużych wartości R1 i R2,
ale musza one spełniać warunek symetrii lecz jest to niekorzystne z powodu prądu polaryzacji, można zaradzić temu zmniejszając wartości rezystorów
- zwiększa to sygnał wejścia
Rys 1 Wzmacniacz pomiarowy
Rys 2 Monolityczny wzmacniacz pomiarowy
Znacznie lepsze właściwości ma układ trzech wzmacniaczy pokazany na rysunku 2 składający się z dwóch wtórników i wyjściowego stopnia różnicowego. Jest to układ monolityczny, ale może być też wykonany z elementów dyskretnych (trudniej wtedy zapewnić symetrię wzmacniaczy
W1 i W2 pod względem napięcia niezrównoważeni i dryftu oraz symetrię rezystorów).
Z uwagi na wejścia wtórnikowe rezystancja wejściowa układu jest bardzo duża. Wzmocnienie reguluje się przez nastawienie wartości jednego rezystora RG, zewnętrznego względem struktury monolitycznej. Na podstawie podanego schematu można się zorientować, że jeśli napięcia różnicowe we wzmacniaczach W1iW2 mogą być przemienne, to prąd w rezystorze RG ma wartość I=(U2-U1)/RG. Jeśli pominie się prądy wejściowe wzmacniaczy to prądy płynące przez rezystory R1 są równe I, a wtedy napięcie na wejściu stopnia różnicowego U=(2R1+RG)* U2-U1/RG
Stopień wyjściowy ma wzmocnienie równe 1. Zatem wzmocnienie wypadkowe wyraża się wzorem k= U0/U2-U1=1+2*R1/RG. Zależność wzmocnienia od wartości rezystancji RG jest nieliniowa.
Ekranowanie: W celu ochrony przed zakłóceniami powstającymi w warunkach przemysłowych połączenie czujnika ( źródła małego napięcia) ze wzmacniaczem pomiarowym wykonuje się kablami ekranowymi. Pojemności kabli mogą dodawać się do pojemności pasożytniczych wzmacniacza, pogarszają warunki tłumienia. Nie można podać ogólnych praktycznych zasad dotyczących ekranowania. Należy przestrzegać wskazówek zawartych w dok. Technicznej przetwornika.
Budowa i właściwości przetwornika p/I
Rys3 Sposób połączenia przetwornika dwuprzewodowego z regulatorem
Jest on połączony za pośrednictwem toru przesyłowego z zaciskiem źródła napięcia zasilającego owartości 25V w regulatorze i nie uziemionym zaciskiem rezystora zakresowego Rp=250 na jego wejściu. Od strony zacisków a, b toru przewodnika jest postrzegany ( może być) jako rezystancja, której wartość zmienia się ze zmianami różnicy ciśnień w czujniku, zapewniająca przepływ prądu o zakresie wartości 4-20mA.
Wzmacniacze elektrohydrauliczne
Służą do sterowania siłowników i silników hydraulicznych sygnałami elektrycznymi. Umożliwiają jednoczesne wykorzystanie zalet napędu hydraulicznego (m.in. dużą moc przy małym ciężarze i wymiarach) oraz układach elektronicznych, umożliwiających realizacje założonych algorytmów sterowania. Jest on sterowany sygnałem elektrycznym o malej mocy wytwarzanym przez elektroniczny układ sterujący a na jego wyjściu powstaje sygnał hydrauliczny o dużej mocy, zasilających siłownik. Moc sygnału elektrycznego wynosi od kilku watów do dziesiątych części wata. Moc siłowników hydraulicznych wynosi do kilkudziesięciu kilowatów. Do zasilania układu hydraulicznego stosuje się ciecz roboczą tłoczoną przez pompe. Jej duże ciśnienie przy odpowiedniej wydajności pompy umożliwia uzyskanie dużych mocy.
Charakterystyki statyczne wzmacniacza: Wyrażone za pomocą zależności prądu sterującego dwóch wielkości: przepływu swobodnego cieczy roboczej oraz ciśnienia różnicowego cieczy przy zatrzymanym silniku. Wzmacniacze te maja dobre właściwości dynamiczne, ich stale czasowe wynoszą setne części sekundy
Rys 4 charakterystyki wzmacniacza elektrohydraulicznego
Wzmacniacze magnetyczne
Podstawowymi elementami wzmacniaczy magnetycznych są obwody magnetyczne zawierające rdzenie z materiału ferromagnetycznego i nawinięte na tych rdzeniach uzwojenia. Rdzenie są poddane działaniu pól magnetycznych pochodzących od zasilania i sterowania. Wzmacniacz jest zasilany, napięciem przemiennym, natomiast wejściowy sygnał sterujący może być sygnałem stałym lub zmiennym, o częstotliwości zazwyczaj innej niż częstotliwości źródła zasilania. Prąd płynący przez obciążenie jest prądem zmiennym o częstotliwości takiej, jak źródła zasilania, lecz o przebiegu odkształconym. Wielkością sterowaną jest wartość skuteczna prądu lub średnia (po wyprostowaniu). Obciążeniem może być grzejnik lub silnik.
Rys 5 Schemat prostego wzmacniacza magnetycznego
Efekt wzmacniacza uzyskuje się dzięki nieliniowości charakterystyki magnesowania rdzenia B(H).
Podstawową wadą powyższego wzmacniacza jest oddziaływanie w nim źródła zasilania na obwód sterowania. W celu jej wyeliminowania, stosuje się podwójną liczbę rdzeni z tak dobranymi uzwojeniami, że wpływ zasilania jest kompensowany wzajemnie w poszczególnych uzwojeniach sterujących.
Rys 6 Wpływ stałej składowej indukcji na przebieg natężenia pola magnetycznego H
Rys7 Charakterystyki statyczne wzmacniaczy magnetycznych
Zaletami wzmacniaczy magnetycznych są : duża wydajność działania i trwałość (ze wzg. na brak części ruchomych, odporność na przeciążenia, duża czułość możliwość zasilania bezpośrednio z sieci,
oraz uzyskanie dużego wzmocnienia mocy (100-1000). Wadą wzmacniaczy mag. są: duży ciężar, dosyć długie czasowe charakteryzujące ich właściwości dynamiczne.
Przetworniki wartości średniej, szczytowej, skutecznej
Zadaniem tych przetworników jest przetwarzanie wielkości przemiennej na napięcie lub prąd jednokierunkowy. Miarą prądu lub napięcia przemiennego może być wartość skuteczna, wartość średnia lub wartość maksymalna (szczytowa).
Konstrukcyjnie przetworniki wartości średniej i szczytowej są złożonymi układami półprzewodnikowymi, zawierającymi diody prostownicze, wzmacniacze i elementy pamięci. Spadek napięcia na diodach prostowniczych jest nieliniowy i wynosi 0,3-0,6V dla diód germanowych i
0,7-1,5V dla krzemowych. Przetworniki wartości szczytowej są układy zbudowane z prostowników i kondensatorów C. W układzie mostkowym dwuprostownikowym z podwajaniem napięcia przez miernik wartości średniej płynie prąd proporcjonalny do wartości międzyszczytowej mierzonego napięcia. W woltomierzach elektronicznych w.cz. stosuje się układ równoległy z oddzieleniem składowej stałej.
Jedno połówkowy prostownik Xav=√2/∏*X .
Dwu połówkowy prostownik Xav=2√2/∏*X
Wychylenie miernika magnetycznego jest wprost proporcjonalne do średniej wartości prądu. Natomiast podziałka miernika uniwersalnego jest wywzorcowana w skutecznych wartościach prądu i napięcia. Xm=√2
Dokładne analogowe przetwarzanie sygnału przemiennego o dowolnym przebiegu czasowym x(t), zgodnie z definicją skutecznej wartości wielkości jest możliwe przy użyciu termoelementów o charakterystykach ea=a i2 lub elementów prostowniczych o charakterystykach i=bu2, gdzie a, b są wartościami stałymi. Do przetwarzania skutecznej wartości napięcia przemiennego stosuje się też układy z odcinkowo-liniową aproksymacją charakterystyki kwadratowej I=bU2
Po przekroczeniu wartości U0 włącznik zostanie zamknięty i prąd I1=Ux/R0 + Ux/R1
Obecnie stosowane są dokładniejsze układy kwantujące, zbudowane na wzmacniaczach operacyjnych z nieliniowymi sprzężeniami zwrotnymi realizującymi funkcję podnoszenia do kwadratu oraz pierwiastkowanie.
Przetworniki termoelektryczne są stosowane do przetwarzania prądu i napięcia przemiennego odkształconego o dowolnej częstotliwości jak również prądu i napięcia wielkiej częstotliwości o dowolnym przebiegu na napięcie stałe. Wadą mierników z przetwornikami termoelektrycznymi jest mała przeciążalność przeciążalność prądowa oraz nieliniowa podziałka mierników.
Rysunki
Pomiarowe dzielniki napięcia i tłumiki
Rezystancyjne dzielniki napięcia są zbudowane z wzorcowych rezystorów a dzielniki pojemnościowe z wzorcowych kondensatorów. Dzielniki przetwarzają dzielone napięcie U1 na napięcie U2 o mniejszej wartości, wg zależności gdzie kuR=R1+R2/R2 lub KuC=C1+C2/C1 jest przekładnią nieobciążonego dzielnika. Rezystancyjne dzielniki napięcia są wykonywane w klasach dokładności: 0,01; 0,02;0,05;0,1. Są stosowane przy pomiarach napięcia stałego metodą kompensacyjną, w urządzeniach pomiarowych do zmiany zakresu woltomierzy, których rezystancja wejściowa nie przekracza 100 kΩ/V. Dokładność przekładni Ku dzielnika zależy od dokładności rezystorów R1 i R2 lub kondensatorów C1 i C2 , od prądu obciążenia dzielnika oraz od częstotliwości napięcia wejściowego. Przy prądzie przemiennym przekładnia dzielnika wynosi KuN=Z1+Z2/Z2 gdzie Z1, Z2 są impedancjami odpowiednich części dzielnika. Pojemności C1 i C2 przedstawiają sumę pojemności zewnętrznej oraz pojemności własnej rezystora.
Do regulacji amplitudy sygnałów występujących w aparaturze elektronicznej w przypadku gdy wymagane jest dopasowanie impedancyjne poszczególnych bloków funkcyjnych, są stosowane czwórnikowe układy tłumiące o stałej impedancji charakterystycznej (falowej) zwane tłumikami.
Rysunki
Przetworniki mnożące
Przetworniki mnożące sygnały elektryczne są stosowane do pomiaru zarówno wielkości stałych jak i zmieniających się w czasie np. mocy elektrycznej, momentu elektrycznego, indukcji magnetycznej. Wśród układów mnożących półprzewodnikowych najbardziej są rozpowszechnione układy z modulacją impulsową oraz układy o zmiennej kondunktancji przejściowej. Um=k1U1
Rysunki