Функциональные преобразователи: измерительные, параметрические, генераторные. Первичные измерительные преобразователи и) электролитических преобразователей сопротивления

Общие сведения.

В параметрических преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи . При использовании параметрических преобразователей необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя.

Реостатные преобразователи.

Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины - перемещения. Реостатный преобразователь представляет собой реостат, щетка (подвижный контакт) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 11-5 схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового (рис. 11-5, а) и линейного (рис. 11-5, б и в) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики и металлы. Проволоку для обмотки выполняют из сплавов (сплав платины с иридием, константан, нихром и фехраль). Для обмотки обычно используют изолированный провод. После изготовления обмотки изоляцию провода счищают в местах соприкосновения его со щеткой. Щетку преобразователя выполняют либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем

Рис. 11-5. Реостатные преобразователи для угловых (а), линейных (б) перемещений и для функционального преобразования линейных перемещений (в)

используют как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза и т. д.).

Габариты преобразователя определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке.

Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер преобразования часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис. 11-5, в).

В рассматриваемых реостатных преобразователях статическая характеристика преобразования имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка. Это вызывает погрешность, максимальное значение которой где максимальное сопротивление одного витка; - полное сопротивление преобразователя. Иногда применяют реохордные преобразователи, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. У этих преобразователей отсутствует указанная погрешность. Реостатные преобразователи включают в измерительные цепи в виде равновесных и неравновесных мостов, делителей напряжения и т.

К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности преобразования, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки - наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших его перемещений, а иногда и значительного усилия для перемещения.

Применяют реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений и других неэлектрических величин (усилия, давления и т. п.), которые могут быть преобразованы в перемещение.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы).

В основу работы преобразователей положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Рис. 11-6. Тензочувствительный проволочный преобразователь

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки где - коэффициент тензочувствительности; - относительная деформация проволоки.

Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные преобразователи, широко применяемые в настоящее время (рис. 11-6), представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке проволоку 2 (проволочную решетку). Преобразователь включают в цепь с помощью привариваемых или припаиваемых выводов 3. Преобразователь наклеивают на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки.

Для изготовления преобразователей применяют главным образом константановую проволоку диаметром мм Константан обладает малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, что очень важно, так как изменение сопротивления преобразователей при деформациях, например, стальных деталей соизмеримо с изменением сопротивления преобразователя при изменении температуры. В качестве подложки используют тонкую мм) бумагу, а также пленку лака или клея, а при высоких температурах - слой цемента.

Применяют также фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга и пленочные тензорезисторы, получаемые путем возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на подложку.

Для наклеивания проволоки на подложку и всего преобразователя на деталь применяют клеи (раствор целлулоида в ацетоне, клей бакелитовый и т. д.). Для высоких температур (выше используют жаростойкие цементы, кремнийорганические лаки и клеи и т. п.

Преобразователи выполняют различных размеров в зависимости от назначения. Наиболее часто используют преобразователи с длиной решетки (базой) от 5 до 50 мм, имеющие сопротивление 30-500 Ом.

Изменение температуры вызывает изменение характеристики преобразования тензорезисторов, что объясняется температурной зависимостью сопротивления преобразователя и различием температурных коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали. Влияние температуры устраняется обычно путем применения соответствующих методов температурной компенсации.

Наклеенный тензочувствительный преобразователь невозможно снять с одной детали и наклеить на другую. Поэтому для определения характеристик преобразования (коэффициента прибегают к выборочной градуировке преобразователей, что дает значение коэффициента с погрешностью Методы определения характеристик тензорезисторов регламентированы стандартом. Достоинства этих преобразователей - линейность статической характеристики преобразования, малые габариты и масса, простота конструкции. Недостатком их является малая чувствительность.

В тех случаях когда требуется высокая чувствительность, находят применение тензочувствительные преобразователи, выполненные в виде полосок из полупроводникового материала. Коэффициент таких преобразователей достигает нескольких сотен. Однако воспроизводимость характеристик полупроводниковых преобразователей плохая. В настоящее время серийно выпускают интегральные полупроводниковые тензорезисторы, образующие мост или полумост с элементами термокомпенсации.

В качестве измерительных цепей для тензорезисторов используют равновесные и неравновесные мосты. Тензорезисторы применяют для измерения деформаций и других неэлектрических величин: усилий, давлений, моментов и т. п.

Термочувствительные преобразователи (терморезисторы).

Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.

Рис. 11-7. Устройство (а) и внешний вид арматуры (б) платинового терморезистора

теплообмена, а следовательно, и температура терморезистора зависят от его геометрических размеров и формы, от конструкции защитной арматуры, от состава, плотности, теплопроводности, вязкости и других физических свойств газовой или жидкой среды, окружающей терморезистор, а также от температуры и скорости перемещения среды.

Таким образом, зависимость температуры, а следовательно, и сопротивления терморезистора от перечисленных выше факторов может быть использована для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду. При конструировании преобразователя стремятся к тому, чтобы теплообмен терморезистора со средой в основном определялся измеряемой неэлектрической величиной.

По режиму работы терморезисторы бывают перегревные и без преднамеренного перегрева. В преобразователях без перегрева ток, проходящий через терморезистор, практически не вызывает перегрева, и температуру последнего определяет температура среды; эти преобразователи применяют для измерения температуры. В перегревных преобразователях электрический ток вызывает перегрев, зависящий от свойств среды. Перегревные преобразователи используют для измерения скорости, плотности, состава среды и т. д. Так как на перегревные терморезисторы влияет температура среды, обычно применяют схемные методы компенсации этого влияния.

Для измерения температуры наиболее распространены терморезисторы, выполненные из платиновой или медной проволоки.

Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -260 до медные - в диапазоне от -200 до +200 °С (ГОСТ 6651-78).

Низкотемпературные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877-76) применяют для измерения температуры в пределах от -261 до

На рис. 11-7, а показано устройство платинового терморезистора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изолятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру (рис. 11-7, б) из нержавеющей стали.

Начальные сопротивления (при платиновых стандартных терморезисторов равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом, медных и 100 Ом.

Допустимое значение тока, протекающего по терморезистору при включении его в измерительную цепь, должно быть таким, чтобы изменение сопротивления терморезистора при нагреве не превышало начального сопротивления.

Статические характеристики преобразования в виде таблиц (градуировочных) и допускаемые отклонения этих характеристик для стандартных терморезисторов приведены в ГОСТ 6651-78.

Аналитически зависимость сопротивления от температуры для платиновых терморезисторов выражают следующими уравнениями:

где - сопротивление при

Для медного терморезистора

Помимо платины и меди, иногда для изготовления терморезисторов используют никель.

Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов, которые характеризуются большей чувствительностью (ТКС

термисторов отрицательный и при в 10-15 раз превышает меди и платины) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов - плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования:

где и - сопротивления термистора при температурах Т и То - начальная температура рабочего диапазона; В - коэффициент.

Термисторы используют в диапазоне температур от -60 до

Для измерения температуры от -80 до применяют термодиоды и термотранзисторы, у которых под действием температуры изменяется сопротивление р-п-перехода и падение напряжения на этом переходе. Чувствительность термотранзистора по напряжению что значительно превышает чувствительность стандартных термопар (см. табл. 11-1). Эти преобразователи обычно включают в мостовые цепи и цепи в виде делителей напряжения.

Достоинствами термодиодов и термотранзисторов являются высокая чувствительность, малые размеры и малая инерционность, высокая надежность и дешевизна; недостатками - узкий температурный диапазон и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразования. Влияние последнего недостатка уменьшают применением специальных цепей.

Тепловую инерционность стандартных терморезисторов согласно ГОСТ 6651-78 характеризуют показателем тепловой инерции определяемым как время, необходимое для того, чтобы при внесении преобразователя в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее преобразователя стала равной 0,37 того значения, которое она имела в момент наступления регулярного теплового режима. Показатель тепловой инерции определяют по той части кривой переходного теплового процесса преобразователя, которая соответствует регулярному режиму, т. е. имеет экспоненциальный характер (в полулогарифмическом масштабе - прямая линия). Значение для различных типов стандартных преобразователей находится в пределах от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

Когда необходимы малоинерционные терморезисторы, для их изготовления используют очень тонкий провод (микропровод) или применяют термисторы малого объема (бусинковые) или термотранзисторы.

Рис. 11-8. Преобразователь газоанализатора, основанный на принципе измерения теплопроводности

Рис. 11-9. Зависимость теплопроводности газа от давления

Терморезисторы применяют в приборах для анализа газовых смесей. Многие газовые смеси отличаются друг от друга и от воздуха теплопроводностью. Теплопроводность смеси, состоящей из двух газов, не вступающих в реакцию друг с другом, где а- процентное содержание первого (искомого) компонента; теплопроводность, соответственно, первого и второго компонентов. Таким образом, измеряя теплопроводность газовой смеси можно судить о процентном содержании искомого компонента (при

В приборах для газового анализа - газоанализаторах - для измерения теплопроводности используют перегревный платиновый терморезистор 1 (рис. 11-8), помещенный в камеру 2 с анализируемым газом. Конструкция терморезистора, арматуры и камеры, а также значение нагревающего тока выбирают такими, чтобы теплообмен со средой осуществлялся в основном за счет теплопроводности газозой среды.

Для исключения влияния внешней температуры, кроме рабочей, используют компенсационную камеру с терморезистором, заполненную постоянным по составу газом. Обе камеры выполняют в виде единого блока, что обеспечивает камерам одинаковые температурные условия. Рабочий и компенсационный терморезисторы при измерениях включают в соседние плечи моста, что приводит к компенсации влияния температуры.

Терморезисторы применяют в приборах для измерения степени разреженности. На рис. 11-9 показана зависимость теплопроводности газа, находящегося между телами Л и Б, от его давления. Характер этой зависимости объясняют следующим образом.

Теплопроводность газа где - коэффициент пропорциональности; плотность газа; средняя длина пути свободного пробега молекул. В свою очередь, где и кг - коэффициенты пропорциональности; число молекул в единице объема. Следовательно, при давлениях Газа, близких к атмосферному,

При разрежении газа, когда длина пути свободного пробега молекул теоретически станет равной расстоянию между телами Ли Б или больше него, практически длина пути свободного пробега молекул будет ограничена расстоянием т. е. в этом случае и теплопроводность газа

Таким образом, теплопроводность газа становится зависимой от числа молекул в единице объема, т. е. от давления (степени разреженности). Зависимость теплопроводности газа от давления используют в вакуумметрах - приборах для измерения степени разреженности.

Для измерения теплопроводности в вакуумметрах используют металлические (платиновые) и полупроводниковые терморезисторы, помещаемые в стеклянный или металлический баллон, который соединяют с контролируемой средой.

Терморезисторы применяют в приборах для измерения скорости газового потока - термоанемометрах. Установившаяся температура перегрезного терморезистора, помещенного на пути газового потока, зависит от скорости потока. В этом случае основным путем теплообмена терморезистора со средой будет конвекция (принудительная). Изменение сопротивления терморезистора вследствие уноса теплоты с его поверхности движущейся средой функционально связано со скоростью среды.

Конструкцию и тип терморезистора, арматуру и нагревающий терморезистор ток выбирают такими, чтобы были снижены или исключены все пути теплообмена, кроме конвективного.

Достоинствами термоанемометров являются высокая чувствительность и быстродействие. Эти приборы позволяют измерять скорости от 1 до 100-200 м/с при использовании измерительной цепи, с помощью которой температура терморезистора автоматически поддерживается почти неизменной.

Электролитические преобразователи.

Электролитические преобразователи основаны на зависимости электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации. В основном их применяют для измерения концентраций растворов.

На рис. 11-10 для примера показаны графики зависимостей удельной электрической проводимости у некоторых растворов электролитов от концентрации с растворенного вещества. Из этого рисунка следует, что в определенном диапазоне изменения концентрации зависимость электрической проводимости от

Рис. 11-10. Зависимость удельной электрической проводимости растворов электролитов от концентрации растворенного вещества

Рис. 11-11. Лабораторный электролитический преобразователь

концентрации однозначна и может быть использована для определения с.

Преобразователь, применяемый в лабораторных условиях для измерения концентрации, представляет собой сосуд с двумя электродами (электролитическая ячейка) (рис. 11-11). Для промышленных непрерывных измерений преобразователи выполняют проточными, причем часто используют конструкции, в которых роль второго электрода играют стенки сосуда (металлические).

Электрическая проводимость растворов зависит от температуры. В первом приближении эту зависимость выражают уравнением где - электрическая проводимость при начальной температуре ; Р - температурный коэффициент электрической проводимости (для растворов кислот, оснований и солей

Таким образом, при использовании электролитических преобразователей необходимо устранять влияние температуры. Эту задачу решают путем стабилизации температуры раствора с помощью холодильника (нагревателя) или применения цепей температурной компенсации с медными терморезисторами, так как температурные коэффициенты проводимости меди и растворов электролитов имеют противоположные знаки.

При прохождении постоянного тока через преобразователь происходит электролиз раствора, что приводит к искажению результатов измерения. Поэтому измерения сопротивления раствора обычно проводят на переменном токе (700-1000 Гц), чаще всего с помощью мостовых цепей.

Индуктивные преобразователи.

Принцип действия преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения,

Рис. 11-12. Магнитопровод с зазорами и двумя обмотками

геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

Индуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе (рис. 11-12), где - магнитное сопротивление магнитопровода; - число витков обмотки.

Взаимная индуктивность двух обмоток, расположенных на том же магнитопроводе, где - число витков первой и второй обмоток.

Магнитное сопротивление определяется выражением

где - активная составляющая магнитного сопротивления (рассеиванием магнитного потока пренебрегаем); - соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость участка магнитопровода; - магнитная постоянная; - длина воздушного зазора; 5 - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода; - реактивная составляющая магнитного сопротивления; Р - потери мощности в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; - угловая частота; Ф - магнитный поток в магнитопроводе.

Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, воздействуя на длину сечение воздушного участка магнитопровода на потери мощности в магнитопроводе и другими путями. Этого можно достичь, например, перемещением подвижного сердечника (якоря) 1 (рис. 11-12) относительно неподвижного 2, введением немагнитной металлической пластины 3 в воздушный зазор и т.

На рис. 11-13 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис. 11 -13, а) с переменной длиной воздушного зазора характеризуется нелинейной зависимостью Такой преобразователь обычно применяют при перемещениях якоря на мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 11-13, б). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10-15 мм.

Рис. 11-13. Индуктивные преобразователи с изменяющейся длиной зазора (а), с изменяющимся сечением зазора (б), дифференциальный (в), дифференциальный трансформаторный дифференциальный трансформаторный с разомкнутой магнитной цепью и магнитоупругий

Якорь в индуктивном преобразователе испытывает усилие (нежелательное) притяжения со стороны электромагнита

где - энергия магнитного поля; - индуктивность преобразователя; - ток, проходящий через обмотку преобразователя.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 11-13, в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи.

На рис. 11-13, г показана схема включения дифференциального индуктивного преобразователя, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразователи называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на

Рис. 11-14. Устройство (а) и вид печатной обмотки (б) индуктосина

выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50-100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рис. 11-13, (9).

Применяют трансформаторные преобразователи угла поворота, состоящие из неподвижного статора и подвижного ротора с обмотками. Обмотку статора питают переменным током. Поворот ротора вызывает изменение значения и фазы наводимой в его обмотке ЭДС. При повороте ротора на угол - число полюсов статора) фаза этой ЭДС изменяется на 180°. Такие преобразователи используют при измерении больших угловых перемещений.

Для измерения малых угловых перемещений используют индуктосины (рис. 11-14). Ротор 1 и статор индуктосина снабжают печатными обмотками 3, имеющими вид радиального растра. Принцип действия индуктосина аналогичен описанному выше. Нанесением обмоток печатным способом удается получить большое число полюсных шагов обмотки, что обеспечивает высокую чувствительность преобразователя к изменению угла поворота.

Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействию то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника изменится магнитное сопротивление цепи, что повлечет за собой изменение индуктивности и взаимной индуктивности М обмоток. На этом принципе основаны магнитоупругие преобразователи (рис. 11-13, е).

Конструкция преобразователя определяется диапазоном измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают исходя из необходимой мощности выходного сигнала.

Для измерения выходного параметра индуктивных преобразователей наибольшее применение получили мостовые (равновесные и неравновесные) цепи, а также компенсационная (в автоматических приборах) цепь для дифференциальных трансформаторных преобразователей.

Индуктивные преобразователи используют для преобразования перемещения и других неэлектрических величин, которые

Рис. 11-15. Емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами (а), дифференциальный (б), дифференциальный с переменной активной площадью пластин (в) и с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами (г)

могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д.).

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Недостаток их - обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Емкостные преобразователи.

Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость где - электрическая постоянная; - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; - активная площадь обкладок; - расстояние между обкладками. Из выражения для емкости видно, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей

На рис. 11-15 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей. Преобразователь на рис. 11-15, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразования нелинейна. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Малое рабочее перемещение пластин приводит к погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры. Выбором размеров деталей преобразователя и материалов добиваются снижения этой погрешности.

В емкостных преобразователях возникает усилие (нежелательное) притяжения между пластинами

где - энергия электрического поля; - соответственно напряжение и емкость между пластинами.

Применяют также дифференциальные преобразователи (рис. 11-15, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины этих преобразователей одновременно изменяются емкости На рис. 11-15, в показан дифференциальный емкостной преобразователь с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразования путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис. 11-15, г) дано устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10-7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Рис. 11-16. Схема ионизационного преобразователя

Рис. 11-17. Вольт-амперная характеристика ионизационного преобразователя

включения и необходимость в специальных источниках питания повышенной частоты.

Ионизационные преобразователи.

Преобразователи основаны на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения.

Если камеру, содержащую газ, подвергнуть облучению, например, -лучами, то между электродами, включенными в электрическую цепь (рис. 11-16), потечет ток. Этот ток зависит от приложенного к электродам напряжения, от плотности и состава газовой среды, размера камеры и электродов, свойств и интенсивности ионизирующего излучения и т. д. Эти зависимости используют для измерения различных неэлектрических величин: плотности и состава газовой среды, геометрических размеров деталей и т. д.

В качестве ионизирующих агентов применяют и у-лучи радиоактивных веществ, значительно реже - рентгеновские лучи и нейтронное излучение.

Для измерения степени ионизации используют преобразователи - ионизационные камеры и ионизационные счетчики, действие которых соответствует различным участкам вольт-амперной характеристики газового промежутка между двумя электродами. На рис. 11-17 показана зависимость тока I в камере (рис. 11-16) с постоянным составом газа от приложенного напряжения и интенсивности излучения На участке Л характеристики ток увеличивается прямо пропорционально напряжению, затем рост его замедляется и на участке Б достигает насыщения. Это указывает на то, что все ионы, образующиеся в камере, достигают электродов. На участке Б ионизационный ток снова начинает расти, что вызывается вторичной ионизацией при ударениях первичных электронов и ионов о нейтральные молекулы. При дальнейшем увеличении напряжения (участок Г) ионизационный перестает зависеть от первоначальной ионизации и наступает

непрерывный разряд (участок Д), который уже не зависит от воздействия радиоактивного излучения.

Участки А и Б вольт-амперной характеристики описывают действие ионизационных камер, а участки Б и Г - ионизационных счетчиков. Кроме ионизационных камер и счетчиков, в качестве ионизационных преобразователей применяют сцинтилляционные (люминесцентные) счетчики. Принцип действия этих счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах - фосфорах (активированные серебром сернистый цинк, сернистый кадмий и др.) - под действием радиоактивных излучений световых вспышек (сцинтилляций), которые в счетчиках регистрируются фотоумножителями. Яркость этих вспышек, а следовательно, и ток фотоумножителя определяются радиоактивным излучением.

Выбор типа ионизационного преобразователя зависит в значительной мере от ионизирующего излучения.

Альфа-лучи (ядра атома гелия) обладают большой ионизирующей способностью, но имеют малую проникающую способность. В твердых телах а-лучи поглощаются в очень тонких слоях (еди-ницы-десятки микрометров). Поэтому при использовании а-лучей а-излучатель помещают внутрь преобразователя.

Бета-лучи представляют собой поток электронов (позитронов); они обладают значительно меньшей ионизирующей способностью, чем а-лучи, но зато имеют более высокую проникающую способность. Длина пробега р-частиц в твердых телах достигает нескольких миллиметров. Поэтому -излучатель может располагаться как внутри, так и вне преобразователя.

Изменение расстояния между электродами, площади перекрытия электродов или положения источника радиоактивного -излучения относительно ионизационных камер или счетчиков сказывается на значении ионизационного тока. Поэтому указанные зависимости используют для измерения различных механических и геометрических величин.

Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения.

Для регистрации отдельных частиц, а также измерения небольших -излучений широко применяют так называемые газоразрядные счетчики, действие которых описывают участки В и Г вольт-амперной характеристики. Устройство газоразрядного счетчика показано на рис. 11-19. Счетчик состоит из металлического цилиндра 1, внутри которого натянута тонкая вольфрамовая проволока 2. Оба эти электрода помещены в стеклянный цилиндр 3 с инертным газом. При ионизации газа в цепи счетчика появляются импульсы тока, число которых подсчитывается.

В качестве источников и у-излучений обычно используют радиоактивные изотопы. Источники излучения, применяемые в измерительной технике, должны иметь значительный период полураспада и достаточную энергию излучения (кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др.).

Основное достоинство приборов, использующих ионизирующие излучения, заключается в возможности бесконтактных измерений, что имеет большое значение, например, при измерениях в агрессивных или взрывоопасных средах, а также в средах, находящихся под большим давлением или имеющих высокую температуру. Основной недостаток этих приборов - необходимость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения.

Важнейшими метрологическими характеристиками преобразователей являются: номинальная статическая характеристика преобразования, чувствительность, основная погрешность, дополнительные погрешности, или функции влияния, вариация выходного сигнала, выходное полное сопротивление, динамические характеристики и т. д.

К важнейшим неметрологическим характеристикам относят габариты, массу, удобство монтажа и обслуживания, взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, надежность, стоимость изготовления и эксплуатации и т. п.

В зависимости от вида выходного сигнала все измерительные преобразователи делят на параметрические и генераторные. Их классифицируют также по принципу действия. Ниже рассматриваются только измерительные преобразователи, получившие наибольшее применение.

13.1 Параметрические измерительные преобразователи

Общие сведения. В параметрических преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, М, С). При использовании параметрических преобразователей необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя.

Реостатные преобразователи. Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины - перемещения. Реостатный преобразователь представляет собой реостат, щетка (подвижный контакт) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 11-5 схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового (рис. 11-5, а) и линейного (рис. 11-5, б и в) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики и металлы. Проволоку для обмотки выполняют из сплавов (сплав платины с иридием, константан, нихром и фехраль). Для обмотки обычно используют изолированный провод. После изготовления обмотки изоляцию провода счищают в местах соприкосновения его со щеткой. Щетку преобразователя выполняют либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем ис пользуют как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза и т. д.).

Рис. 11-5. Реостатные преобразователи для угловых (а), линейных (б) перемещений и для функционального преобразования линейных перемещений (в)

В рассматриваемых реостатных преобразователях статическая характеристика преобразования имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка, что вызывает погрешность. Иногда применяют реохордные преобразователи, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. У этих преобразователей отсутствует указанная погрешность. Реостатные преобразователи включают в измерительные цепи в виде равновесных и неравновесных мостов, делителей напряжения и т. п.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы). В основу работы преобразователей положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Рис. 11-6. Тензочувствительный проволочный преобразователь

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например растяжению, то сопротивление ее изменится. Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные преобразователи, широко применяемые в настоящее время (рис. 11-6), представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке /) проволоку 2 (проволочную решетку). Преобразователь включают в цепь с помощью привариваемых или припаиваемых выводов 3. Преобразователь наклеивают на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки.

Для изготовления преобразователей применяют главным образом константановую проволоку диаметром 0,02-0,05 мм (S = = 1,9 - 2,1). Константан обладает малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, что очень важно, так как изменение сопротивления преобразователей при деформациях, например, стальных деталей соизмеримо с изменением сопротивления преобразователя при изменении температуры. В качестве подложки используют тонкую (0,03-0,05 мм) бумагу, а также пленку лака или клея, а при высоких температурах - слой цемента.

Для наклеивания проволоки на подложку и всего преобразователя на деталь применяют клеи (раствор целлулоида в ацетоне, клей БФ-2, БФ-4, бакелитовый и т. д.). Для высоких температур (выше 200 °С) используют жаростойкие цементы, кремнийорганические лаки и клеи и т. п.

Преобразователи выполняют различных размеров в зависимости от назначения. Наиболее часто используют преобразовате ли с длиной решетки (базой) от 5 до 50 мм, имеющие сопротивление 30-500 Ом.

Наклеенный тензочувствительный преобразователь невозможно снять с одной детали и наклеить на другую. Поэтому для определения характеристик преобразования (коэффициента S) прибегают к выборочной градуировке преобразователей, что дает значение коэффициента S с погрешностью ±1 %. Методы определения характеристик тензорезисторов регламентированы стандартом. Достоинства этих преобразователей - линейность статической характеристики преобразования, малые габариты и масса, простота конструкции. Недостатком их является малая чувствительность.

В тех случаях когда требуется высокая чувствительность, находят применение тензочувствительные преобразователи, выполненные в виде полосок из полупроводникового материала. Коэффициент S у таких преобразователей достигает нескольких сотен. Однако воспроизводимость характеристик полупроводниковых преобразователей плохая. В настоящее время серийно выпускают интегральные полупроводниковые тензорезисторы, образующие мост или полумост с элементами термокомпенсации.

Термочувствительные преобразователи (терморезисторы). Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников или пвлупроводников от температуры.

Между терморезистором и исследуемой средой в процессе измерения происходит теплообмен. Так как терморезистор при этом включен в электрическую цепь, с помощью которой производят измерение его сопротивления, то по нему протекает ток, выделяющий в нем теплоту. Теплообмен терморезистора со средой происходит из-за теплопроводности среды и конвекции в ней, теплопроводности самого терморезистора и арматуры, к которой он крепится, и, наконец, из-за излучения. Интенсивность теплообмена, а следовательно, и температура терморезистора зависят от его геометрических размеров и формы, от конструкции защитной арматуры, от состава, плотности, теплопроводности, вязкости и других физических свойств газовой или жидкой среды, окружающей терморезистор, а также от температуры и скорости перемещения среды.

Рис. 11-7. Устройство (а) и внешний вид арматуры (б) платинового терморезистора

Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -260 до + 1100°С, медные - в диапазоне от - 200 до +200 °С (ГОСТ 6651- 78). Низ котемпературные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877-76) применяют для измерения температуры в пределах от -261 до - 183 °С.

На рис. 11-7, а показано устройство платинового терморезистора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью /. Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изолятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру (рис. 11-7, б) из нержавеющей стали.

Начальные сопротивления (при О °С) платиновых стандартных терморезисторов равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом, медных - 10, 50, 53 и 100 Ом.

Помимо платины и меди, иногда для изготовления терморезисторов используют никель.

Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов, которые характеризуются большей чувствительностью (ТКС терми-

сторов отрицательный и при 20 °С в 10-15 раз превышает ТКС меди и платины) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов - плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования:

где rt и Ro - сопротивления термистора при температурах Т и То; То - начальная температура рабочего диапазона; В - коэффициент.

Термисторы используют в диапазоне температур от -60 до + 120°С.

Для измерения температуры от -80 до -f- 150 °С применяют термодиоды и термотранзисторы, у которых под действием температуры изменяется сопротивление р - я-перехода и падение напряжения на этом переходе. Чувствительность термотранзистора по напряжению 1,5-2,0 мВ/К, что значительно превышает чувствительность стандартных термопар (см. табл. 11-1). Эти преобразователи обычно включают в мостовые цепи и цепи в виде делителей напряжения.

Тепловую инерционность стандартных терморезисторов согласно ГОСТ 6651-78 характеризуют показателем тепловой инерции в^, определяемым как время, необходимое для того, чтобы при внесении преобразователя в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее преобразователя стала равной 0,37 того значения, которое она имела в момент наступления регулярного теплового режима. Показатель тепловой инерции определяют по той части кривой переходного теплового процесса преобразователя, которая соответствует регулярному режиму, т. е. имеет экспоненциальный характер (в полулогарифмическом масштабе - прямая линия). Значение е^ для различных типов стандартных преобразователей находится в пределах от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

Рис. 11-8. Преобразователь газоанализатора, основанный на принципе измерения теплопроводности

Рс. 11-9. Зависимость теплопроводности газа от давления

Терморезисторы применяют в приборах для анализа газовых смесей. Многие газовые смеси отличаются друг от друга и от воздуха теплопроводностью.

В приборах для газового анализа - газоанализаторах - для измерения теплопроводности используют перегревный платиновый терморезистор (рис. 11-8), помещенный в камеру 2 с анализируемым газом. Конструкция терморезистора, арматуры и камеры, а также значение нагревающего тока выбирают такими, чтобы теплообмен со средой осуществлялся в основном за счет теплопроводности газовой среды.

Для исключения влияния внешней температуры, кроме рабочей, используют компенсационную камеру с терморезистсром, заполненную постоянным по составу газом. Обе камеры выполняют в виде единого блока, что обеспечивает камерам одинаковые температурные условия. Рабочий и компенсационный терморезисторы при измерениях включают в соседние плечи моста, что приводит к компенсации влияния температуры.

Терморезисторы применяют в приборах для измерения степени разреженности. На рис. 11-9 показана зависимость теплопроводности газа, находящегося между телами А и Б, от его давления.

Терморезисторы применяют в приборах для измерения скорости газового потока - термоанемометрах. Установившаяся температура перегревного терморезистора, помещенного на пути газового потока, зависит от скорости потока. В этом случае основным путем теплообмена терморезистора со средой будет конвекция (принудительная). Изменение сопротивления терморезистора вследствие уноса теплоты с его поверхности движущейся средой функционально связано со скоростью среды.

Электролитические преобразователи. Электролитические преобразователи основаны на зависимости электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации. В основном их применяют для измерения концентраций растворов.

Рис. 11-11. Лабораторный электролитический преобразователь

Электрическая проводимость растворов зависит от температуры. Таким образом, при использовании электролитических преобразователей необходимо устранять влияние температуры. Эту задачу решают путем стабилизации температуры раствора с помощью холодильника (нагревателя) или применения цепей температурной компенсации с медными терморезисторами, так как температурные коэффициенты проводимости меди и растворов электролитов имеют противоположные знаки.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

Рис. 11-12. Магнитопровод с зазорами и двумя обмотками

Индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, воздействуя на длину б, сечение воздушного участка магнитопровода s, на потери мощности в магнитопроводе и другими путями. Этого можно достичь, например, перемещением подвижного сердечника (якоря) / (рис. 11-12) относительно неподвижного 2, введением немагнитной металлической пластины 3 в воздушный зазор и т. п.

На рис. 11-13 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис. 11-13, а) с переменной длиной воздушного зазора б характеризуется нелинейной зависимостью L = f (б). Такой преобразователь обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01-5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f (s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 11-13, б). Эти преобразователи используют при перемещениях до 10-15 мм.

Рис. 11-13. Индуктивные преобразователи с изменяющейся длиной зазора (а), с изменяющимся сечением зазора (б), дифференциальный (в), дифференциальный трансформаторный (г), дифференциальный трансформаторный с разомкнутой магнитной цепью (д) магнитоупругий (е)

Якорь в индуктивном преобразователе испытывает усилие (нежелательное) притяжения со стороны электромагнита

где W m - энергия магнитного поля; L - индуктивность преобразователя; / - ток, проходящий через обмотку преобразователя.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. 11-13, в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи.

На рис. 11-13, г показана схема включения дифференциального индуктивного преобразователя, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразователи называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симмет-ричнорл положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50-100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рис. 11-13, о).

Применяют трансформаторные преобразователи угла поворота, состоящие из неподвижного статора и подвижного ротора с обмотками. Обмотку статора питают переменным током. Поворот ротора вызывает изменение значения и фазы наводимой в его обмотке ЭДС. Такие преобразователи используют при измерении больших угловых перемещений.

Для измерения малых угловых перемещений используют индуктосины (рис. 11-14). Ротор / и статор 2 индуктосина снабжают печатными обмотками 3, имеющими вид радиального растра. Принцип действия индуктосина аналогичен описанному выше. Нанесением обмоток печатным способом удается получить большое число полюсных шагов обмотки, что обеспечивает высокую чувствительность преобразователя к изменению угла поворота.

Рис. 11-14. Устройство (а) и вид печатной обмотки (б) индуктосина

Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействию F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника изменится магнитное сопротивление цепи, что повлечет за собой изменение индуктивности L и взаимной индуктивности М обмоток. На этом принципе основаны магнитоупругие преобразователи (рис. 11-13, е).

Индуктивные преобразователи используют для преобразования перемещения и других неэлектрических величин, которыемогут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д.).

Емкостные преобразователи. Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

На рис. 11-15 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей. Преобразователь на рис. 11-15, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразования С (б) нелинейна. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния 6. Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

В емкостных преобразователях возникает усилие (нежелательное) притяжения между пластинами

где W 3 - энергия электрического поля; U и С - соответственно напряжение и емкость между пластинами.

Применяют также дифференциальные преобразователи (рис. 11-15, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости. На рис. 11-15, в показан дифференциальный емкостной преобразователь с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразования путем профилирования пластин.

Преобразователи (e) применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис. 11-15, г) дано устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10~ 7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Ионизационные преобразователи. Преобразователи основаны на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения.

Если камеру, содержащую газ, подвергнуть облучению, например, р-лучами, то между электродами, включенными в электрическую цепь (рис. 11-16), потечет ток. Этот ток зависит от приложенного к электродам напряжения, от плотности и состава газовой среды, размера камеры и электродов, свойств и интенсивности ионизирующего излучения и т. д. Эти зависимости используют для измерения различных неэлектрических величин: плотности и состава газовой среды, геометрических размеров деталей и т. д.

Рис. 11-16. Схема ионизационного преобразователя

Рис. 11-17. Вольт-амперная характеристика ионизационного преобразователя

В качестве ионизирующих агентов применяют а-, р- и у-лучи радиоактивных веществ, значительно реже - рентгеновские лучи и нейтронное излучение.

Для измерения степени ионизации используют преобразователи - ионизационные камеры и ионизационные счетчики, действие которых соответствует различным участкам вольт-амперной характеристики газового промежутка между двумя электродами. На рис. 11-17 показана зависимость тока в камере (рис. 11-16) с постоянным составом газа от приложенного напряжения U и интенсивности излучения. На участке А характеристики ток увеличивается прямо пропорционально напряжению, затем рост его замедляется и на участке Б достигает насыщения. Это указывает на то, что все ионы, образующиеся в камере, достигают электродов. На участке В ионизационный ток снова начинает расти, что вызывается вторичной ионизацией при ударениях первичных электронов и ионов о нейтральные молекулы. При дальнейшем увеличении напряжения (участок Г) ионизационный ток перестает зависеть от первоначальной ионизации и наступает

непрерывный разряд (участок Д), который уже не зависит от воздействия радиоактивного излучения.

Участки А и Б вольт-амперной характеристики описывают действие ионизационных камер, а участки В и Г - ионизационных счетчиков. Кроме ионизационных камер и счетчиков, в качестве ионизационных преобразователей применяют сцинтилляционные (люминесцентные) счетчики. Принцип действия этих счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах- фосфорах (активированные серебром сернистый цинк, сернистый кадмий и др.) - под действием радиоактивных излучений световых вспышек (сцинтилляций), которые в счетчиках регистрируются фотоумножителями. Яркость этих вспышек, а следовательно, и ток фотоумножителя определяются радиоактивным излучением.

Выбор типа ионизационного преобразователя зависит в значительной мере от ионизирующего излучения.

Альфа-лучи (ядра атома гелия) обладают большой ионизирующей способностью, но имеют малую проникающую способность. В твердых телах а-лучи поглощаются в очень тонких слоях (единицы-десятки микрометров). Поэтому при использовании а-лучей а-излучатель помещают внутрь преобразователя.

Бета-лучи представляют собой поток электронов (позитронов); они обладают значительно меньшей ионизирующей способностью, чем а-лучи, но зато имеют более высокую проникающую способность. Длина пробега в твердых телах достигает нескольких миллиметров. Поэтому излучатель может располагаться как внутри, так и вне преобразователя.

Изменение расстояния между электродами, площади перекрытия электродов или положения источника радиоактивного излучения относительно ионизационных камер или счетчиков сказывается на значении ионизационного тока. Поэтому указанные зависимости используют для измерения различных механических и геометрических величин.

На рис. 11-18 в качестве примера показан ионизационный мембранный манометр, где / -излучатель; 2 - мембрана; 3 - неподвижный электрод, изолированный от мембраны. Между электродами 2 а 3 приложена разность потенциалов, достаточная для достижения тока насыщения. При изменении давления р мембрана прогибается, изменяя расстояние между электродами и значение ионизационного тока.

Рис. 11-18. Ионизационный мембранный манометр

Рис. 11-19. Газоразрядный счетчик

Гамма-лучи - электромагнитные колебания весьма малой длины волны (10~ 8 -10~" см), возникающие при радиоактивных превращениях. Гамма-лучи обладают большой проникающей способностью.

Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения.

Для регистрации отдельных частиц, а также измерения небольших у-излучений широко применяют так называемые газоразрядные счетчики, действие которых описывают участки В и Г вольт-амперной характеристики. Устройство газоразрядного счетчика показано на рис. 11-19. Счетчик состоит из металлического цилиндра /, внутри которого натянута тонкая вольфрамовая проволока 2. Оба эти электрода помещены в стеклянный цилиндр 3 с инертным газом. При ионизации газа в цепи счетчика появляются импульсы тока, число которых подсчитывается.

В качестве источников а-, р- и у-излучений обычно используют радиоактивные изотопы. Источники излучения, применяемые в измерительной технике, должны иметь значительный период полураспада и достаточную энергию излучения (кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др.).

13.2 Генераторные измерительные преобразователи

Общие сведения. В генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Термоэлектрические преобразователи. Эти преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.

При разности температур точек / и 2 соединения двух разнородных проводников А и В (рис. 11-20, а), образующих термопару, в цепи термопары возникает термо-ЭДС.

Для измерения термо-ЭДС электроизмерительный прибор (милливольтметр, компенсатор) включают в цепь термопары (рис. 11-20, б). Точку соединения проводников (электродов) называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2" - свободными концами.

Чтобы термо-ЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной.

Рис. 11-20. Термопара (а) и способ включения прибора в цепь термопары (б)

Градуировку термоэлектрических термометров - приборов, использующих термопары для измерения температуры, производят обычно при температуре свободных концов О °С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов О °С. При практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары обычно не равна О °С и поэтому необходимо вводить поправку.

Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используют в основном специальные сплавы.

Для измерения высоких температур используют термопары типов ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют при измерениях с повышенной точностью. В остальных случаях применяют термопары из неблагородных металлов (ТХА, ТХК).

Для защиты от внешних воздействий (давления, агрессивных газов и т. д.) электроды термопар помещают в защитную арматуру, конструктивно похожую на арматуру терморезисторов (рис. 11-7, б).

Для удобства стабилизации температуры свободных концов иногда термопару удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных температур свободных концов (обычно от О до 100 °С). Иначе говоря, удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термо-ЭДС от температуры, как и у основной термопары.

Инерционность термопар характеризуют показателем тепловой инерции. Известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет 5-20 с. Термопары в обычной арматуре имеют показатель тепловой инерции, равный нескольким минутам.

Индукционные преобразователи применяют для измерения скорости линейных и угловых перемещений. Выходной сигнал этих преобразователей может быть проинтегрирован или продифференцирован во времени с помощью электрических интегрирующих или дифференцируюш,их устройств. После этих преобразований информативный параметр сигнала становится пропорциональным, соответственно, перемещению или ускорению. Поэтому индукционные преобразователи используют также для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений.

Наибольшее применение индукционные преобразователи получили в приборах для измерения угловой скорости (тахометрах) и в приборах для измерения параметров вибраций.

Индукционные преобразователи для тахометров представляют собой небольшие (1 -100 Вт) генераторы постоянного или переменного тока обычно с независимым возбуждением от постоянного магнита, ротор которых механически связан с испытуемым валом. При использовании генератора постоянного тока об угловой скорости судят по ЭДС генератора, а в случае применения генератора переменного тока угловую скорость можно определить по значению ЭДС или ее частоте.

На рис. 11-21 показан индукционный преобразователь для измерения амплитуды, скорости и ускорения возвратно-поступательного движения. Преобразователь представляет собой цилиндрическую катушку /, перемещающуюся в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней возникает ЭДС, пропорциональная скорости перемещения.

Рис. 11-21. Индукционный преобразователь

Погрешности индукционных преобразователей определяются главным образом изменением магнитного поля во времени и при изменении температуры, а также температурными изменениями сопротивления обмотки.

Основные достоинства индукционных преобразователи заключаются в сравнительной простоте конструкции, надежности работы и высокой чувствительности. Недостаток - ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

Пьезоэлектрические преобразователи. Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнето-вой соли и др.) под влиянием механических напряжений.

Из кристалла кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси Oz, механической оси Оу и электрической оси Ох кристалла (рис. 11-22, а и б).

F x вдоль электрической оси на гранях х появляются заряды Q x = kF x , где k - пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия F y вдоль механической оси на тех же гранях х возникают заряды Q y = kF y a/b, где а и b - размеры граней пластины.

Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси не вызывает появления зарядов.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения переменного давления газа показано на рис. 11-23. Давление р через металлическую мембрану / передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3.

Рис. 11-22. Кристалл кварца (а) и пластинка (б), вырезанная из него

Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала. При воздействии давления р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца.

Рис. 11-23. Пьезоэлектрический преобразователь для измерения давления

Размеры пластин и их число выбирают исходя из конструктивных соображений и требуемого значения заряда.

Заряд, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, «стекает» по изоляции и входной цепи измерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность потенциалов на пьезоэлектрических преобразователях, должны иметь высокое входное сопротивление (10 12 -10 15 Ом), что практически обеспечивается применением электронных усилителей с высоким входным сопротивлением.

Из-за «стекания» заряда эти преобразователи используют для измерения только быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т. д.).

Находят применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезорезонаторы, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты. Последний заключается в том, что если на электроды преобразователя подать переменное напряжение, то в пьезочувствительной пластине возникнут механические колебания, частота которых (резонансная частота) зависит от толщины h пластины, модуля упругости Е и плотности р ее материала. При включении такого преобразователя в резонансный контур генератора частота генерируемых электрических колебаний определяется частотой f p . При изменении значений h, Е или р под влиянием механических или температурных воздействий частота /р изменится и, соответственно, изменится частота генерируемых колебаний. Этот принцип используют для преобразования давления, усилия, температуры и других величин в частоту.

Гальванические преобразователи. Преобразователи основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от химической активности ионов электролита, т. е. от концентрации ионов и окислительно-восстановительных процессов в электролите. Эти преобразователи применяют для определения реакции раствора (кислая, нейтральная, щелочная), которая зависит от активности водородных ионов раствора.

Дистиллированная вода имеет слабую, но вполне определенную электрическую проводимость, что объясняется ионизацией воды Химическая активность а равна произведению эквивалентной концентрации на коэффициент активности (стремящийся к единице при бесконечном разбавлении раствора).

Если в воде растворить кислоту, образующую при диссоциации ионы Н + , то концентрация ионов Н + в растворе станет больше, чем в чистой воде, а концентрация ионов ОН~ меньше за счет воссоединения части ионов Н + с ионами ОН.

Таким образом, химическая активность водородных ионов раствора является характеристикой реакции раствора. Реакцию раствора численно характеризуют отрицательным логарифмом активности ионов водорода - водородным показателем рН Для дистиллированной воды водородный показатель равен 7 единицам рН.

Диапазон изменения водородного показателя водных растворов при t = 22 °С составляет 0-14 единиц рН.

Для измерения рН применяют метод, основанный на измерении электродного (пограничного) потенциала.

Если металлический электрод погрузить в раствор, содержащий его одноименные ионы, то электрод приобретает потенциал. Аналогично ведет себя и водородный электрод.

Для получения электродного потенциала между водородом и раствором, необходимо иметь так называемый водородный электрод. Водородный электрод можно создать, воспользовавшись свойством водорода адсорбироваться на поверхности платины, иридия и палладия. Обычно водородным электродом служит покрытый платиновой чернью платиновый электрод, к которому непрерывно подводится газообразный водород. Потенциал такого электрода зависит от концентрации водородных ионов в растворе.

Практически измерить абсолютное значение пограничного потенциала нельзя. Поэтому гальванический преобразователь всегда состоит из двух полуэлементов, электрически соединенных друг с другом: рабочего (измерительного) полуэлемента, представляющего собой исследуемый раствор с электродом, и сравнительного (вспомогательного) полуэлемента с неизменным пограничным потенциалом, состоящего из электрода и раствора с постоянной концентрацией. В качестве сравнительного полуэлемента используют водородный электрод с нормальной постоян ной концентрацией водородных ионов. При промышленных измерениях применяют более удобный сравнительный каломельный электрод.

Рис. 11-24. Гальванический преобразователь

На рис. 11-24 показан преобразователь для измерения концентрации водородных ионов. Сравнительным полуэлементом служит каломельный электрод. Он представляет собой стеклянный сосуд 4, на дно которого помещено небольшое количество ртути, а поверх нее - паста из каломели (Hg2Cb). Сверху пасты налит раствор хлористого калия (КС1). Потенциал возникает на границе каломель - ртуть. Для контакта со ртутью в дно сосуда впаян платиновый электрод 5. Потенциал каломельного электрода зависит от концентрации ртути в каломели, а концентрация ионов ртути, в свою очередь, зависит от концентрации ионов хлора в растворе хлористого калия.

В исследуемый раствор погружен водородный электрод. Оба полуэлемента соединены электролитическим ключом, представляющим собой трубку 2, обычно заполненную насыщенным раствором КС1 и закрытую полупроницаемыми пробками 3. ЭДС такого преобразователя является функцией рН.

В приборах промышленного типа вместо рабочих водородных электродов используются более удобные сурьмяные или хингидронные электроды. Широко применяют также так называемые стеклянные электроды.

Для измерения ЭДС гальванических преобразователей в основном используют компенсационные приборы. Для стеклянных электродов измерительная цепь должна иметь высокое входное сопротивление, так как внутреннее сопротивление стеклянных электродов достигает 100-200 МОм. При измерении рН с помощью гальванических преобразователей необходимо вносить поправки на влияние температуры.

Основными элементами большинства применяемых средств измерений являются первичные измерительные преобразователи, назначение которых - преобразование измеряемой физической величины (входная величина) в сигнал измерительной информации (выходная величина), как правило, электрический, удобный для дальнейшей обработки.

Первичные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные. В параметрических преобразователях выходная величина представляет собой изменение какого-либо параметра электрической цепи {сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.), в генераторных выходная величина - ЭДС, электрический ток или заряд, возникающие вследствие энергии измеряемой величины.

Существует большой класс измерительных преобразователей, у которых входными величинами являются давление, сила или крутящий момент. Как правило, в этих преобразователях входная величина воздействует на упругий элемент и вызывает его деформацию, которая затем преобразуется или в сигнал, воспринимаемый наблюдателями (механические показывающие приборы), или в электрический сигнал.

В значительной степени инерционные свойства преобразователя определяются частотой собственных колебаний упругого элемента: чем она выше, тем менее инерционным является преобразователь. Максимальное значение этих частот при использовании конструкционных сплавов составляет 50...100 кГц. Для изготовления упругих элементов особо точных преобразователей применяются кристаллические материалы (кварц, сапфир, кремний).

Резистивные преобразователи - это параметрические преобразователи, выходной величиной которых является изменение электрического сопротивления, которое может вызываться воздействием разнообразных по физической природе величин - механических, тепловых, световых, магнитных и др.

Потенциометрический преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемешается под воздействием измеряемой величины (входная величина). Выходной величиной является сопротивление.

Потенциометрические преобразователи применяются для измерения положения регулирующих органов (линейных и угловых), в уровнемерах, в датчиках (например, давления) для измерения деформации упругого чувствительного элемента. Достоинство потенциометрических преобразователей - большой выходной сигнал, стабильность метрологических характеристик, высокая точность, незначительная температурная погрешность. Основной недостаток - узкий частотный диапазон (несколько десятков герц).

Работа тензорезисторов основана на изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации (тензоэффект). Проволочный (или фольговый) тензорезистор представляет собой зигзагообразную изогнутую тонкую проволоку диаметром 0,02...0,05 мм или ленту из фольги толщиной 4...12 мкм (решетка), которая наклеивается на подложку из электроизоляционного материала. К концам решетки присоединяются выводные медные проводники. Преобразователи, будучи приклеенными к детали, воспринимают деформацию ее поверхностного слоя.

При измерениях деформаций и напряжений в деталях и конструкциях, как правило, отсутствует возможность градуировки измерительных каналов и погрешность измерений составляет 2...10 %. В случае применения тензорезисторов в первичных измерительных преобразователях погрешность может быть снижена до 0.5...1 % путем градуировки. Основной недостаток тензорезисторов данного типа - малый выходной сигнал.

Для измерений малых деформаций упругих чувствительных элементов измерительных преобразователей используются полупроводниковые тензорезисторы, выращенные непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира.

При измерениях динамических деформаций с частотой до 5 кГц должны применяться проволочные или фольговые тензорезисторы с базой не более 10 мм, причем максимальная деформация для них не должна превышать 0,1 % (0,02 % для полупроводниковых).

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на возникновении электрических зарядов при деформации кристалла (прямой пьезоэффект).

Пьезоэлектрические преобразователи обеспечивают возможность измерения быстропеременных величин (собственная частота преобразователей достигает 200 кГц), отличаются высокой надежностью и имеют малые габаритные размеры и массу. Основной недостаток - трудность при измерении медленно изменяющихся величин и при проведении статической градуировки из-за утечек электричества с поверхности кристалла.

Электростатический преобразователь схематично можно представить в виде двух электродов (пластин) площадью F, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью е.

Обычно эти преобразователи устроены таким образом, что их выходной величиной является изменение емкости (в этом случае они называются емкостными), а входными величинами могут быть механические перемещения, изменяющие зазор d или площадь F, или изменение диэлектрической проницаемости среды e вследствие изменения ее температуры, химического состава и т.п.

Кроме емкости, в качестве выходной величины электростатических преобразователей используется ЭДС. генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическим поле (генераторный режим). Например, в генераторном режиме работают конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию акустических колебаний в электрическую.

Достоинством электростатических преобразователей является отсутствие шумов и самонагрева. Однако с целью защиты от наводок соединительные линии и сами преобразователи должны тщательно экранироваться.

У индуктивных преобразователей выходной величиной является изменение индуктивности, а входными величинами могут быть перемещения отдельных частей преобразователя, приводящие к изменению сопротивления магнитной цепи, взаимоиндукции между контурами и т.д.

Достоинствами преобразователей являются: линейность характеристики, малая зависимость выходного сигнала от внешних воздействий, ударов и вибраций; высокая чувствительность. Недостатки - малый выходной сигнал и необходимость в питающем напряжении повышенной частоты.

Принцип действия вибрационно-частотных преобразователей основан на изменении частоты собственных колебаний струны или тонкой перемычки при изменении ее натяжения.

Входной величиной преобразователя является механическое усилие (или величины, преобразуемые в усилие. - давление, крутящий момент и др.). которое воспринимается упругим элементом, связанным с перемычкой.

Применение вибрационно-частотных преобразователей возможно при измерении постоянных или медленно изменяющихся во времени величин (частота не более 100...150 Гц). Они отличаются высокой точностью, а частотный сигнал - повышенной помехоустойчивостью.

В оптоэлектрических преобразователях используются закономерности распространения и взаимодействия с веществом электромагнитных волн оптического диапазона.

Основным элементом преобразователей являются приемники излучения. Простейшие из них - тепловые преобразователи - предназначены для преобразования всей падающей на них энергии излучения в температуру (интегральный преобразователь).

В качестве приемников излучения используются также различные фотоэлектрические преобразователи, в которых используется явление фотоэффекта. Фотоэлектрические преобразователи являются селективными, т.е. они обладают высокой чувствительностью в сравнительно узком диапазоне длин волн. Например, внешний фотоэффект (испускание электронов под действием света) используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах и фотоумножителях.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, на внутренней поверхности которого нанесен слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из металлической проволоки. При освещении катода возникает ток фотоэмиссии. Выходные токи этих элементов не превышают нескольких микроампер. В газонаполненных фотоэлементах (для заполнения применяются инертные газы Ne, Аr, Кr, Хе) выходной ток увеличивается в 5...7 раз из-за ионизации газа фотоэлектронами.

В фотоумножителях усиление первичного фототока происходит вследствие вторичной электронной эмиссии - "выбивания" электронов из вторичных катодов (эмиттеров), установленных между катодом и анодом. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях может достигать сотен тысяч, а выходной ток - 1 мА. Фотоумножители и вакуумные, элементы могут использоваться при измерениях быстро изменяющихся величин, так как явление фотоэмиссии практически безынерционно.

Измерение давлений

Для измерения полного или статического давления в поток помешают специальные приемники с приемными отверстиями, которые трубками небольшого диаметра (пневмомагистралями) соединяются с соответствующими первичными преобразователями или измерительными приборами.

Простейшим приемником полного давления является цилиндрическая трубка с перпендикулярно срезанным торцом, изогнутая под прямым углом и ориентированная навстречу потоку. Для уменьшения чувствительности приемника к направлению потока (например, при измерениях в потоках с небольшой закруткой) применяются специальные конструкции приемников. Например, приемники полного давления с протоком (рис. 3.3) характеризуются погрешностью измерения не более 1 % при углах скоса до 45° при числе М<0,8.

При измерении статических давлений вблизи стенок каналов приемные отверстия диаметром 0,5...1 мм выполняются непосредственно в стенках (дренажные отверстия). В месте дренажа не должно быть неровностей, а кромки отверстий не должны иметь заусенцев. Этот вид измерений весьма распространен при исследовании течений в трубах и каналах в камерах сгорания, диффузорах и соплах.

Рис. 3.3. Схема приемника полного давления:

Рис. 3.4. Схема приемника статического давления:

а - клиновидный;

б - дисковый;

в - Г-образный для измерений при М£1,5

Для измерений статических давлений в потоке применяются клиновидные и дисковые приемники, а также приемники в виде трубок Г-образной формы (рис. 3.4) с приемными отверстиями, расположенными на боковой поверхности. Указанные приемники хорошо работают при дозвуковых и небольших сверхзвуковых скоростях.

Для исследования распределения давлений в поперечных сечениях каналов получили распространение гребенки полного и статического давлений, содержащие несколько приемников, или комбинированные гребенки, имеющие приемник как полного, так и статического давлений. При измерениях в потоках со сложной структурой течения (камеры сгорания, межлопаточные каналы турбомашин) применяются ориентируемые и неориентируемые приемники давления, позволяющие определить значения полного и статического давлений и направление вектора скорости. Первые из них предназначены для измерений в двумерных потоках, и их конструкция позволяет путем поворота устанавливать приемник в определенном положении относительно вектора местной скорости потока.

Неориентируемые приемники снабжены несколькими приемными отверстиями (5...7), которые выполнены в стенках цилиндра или сферы небольшого диаметра (3...10 мм) или располагаются в концах срезанных под определенными углами трубок (диаметр 0,5...2 мм), объединенных в единый конструктивный узел (рис. 3.5). При обтекании приемника потоком вокруг него формируется определенное распределение давлений. Используя измеренные с помощью приемных отверстий значения давлений и результаты предварительной градуировки приемника в аэродинамической трубе, можно определить значения полного и статического давлений и местное направление скорости потока.

При сверхзвуковых скоростях течений перед приемниками давлений возникают скачки уплотнения, и это необходимо учитывать при обработке результатов измерений. Например, по измеренным значениям статического давления в потоке р и полного за прямым скачком уплотнения р*" можно определить с помощью формулы Релея число М, а затем и значение полного давления в потоке:

При испытаниях двигателей и их элементов для измерения давлений применяются различные приборы (стрелочные деформационные, жидкостные, групповые регистрирующие манометры), позволяющие оператору контролировать режимы работы экспериментальных объектов. В информационно-измерительных системах используются разнообразные первичные преобразователи. Как правило, давление, точнее разность давлений (например, между измеряемым и атмосферным, между полным и статическим и т.д.), воздействует на упругий чувствительный элемент (мембрану), деформация которого преобразуется в электрический сигнал. Наиболее часто для этого применяются индуктивные и тензочувствительные преобразователи при измерении постоянных и медленно изменяющихся давлений и пьезокристаллические и индуктивные преобразователи при измерении переменных давлений.

Рис. 3.5. Схема пятиканального приемника давлений:

С x , С y , С z - составляющие вектора скорости; р i - измеряемые значения давления

В качестве примера на рис. 3.6 представлена схема преобразователя «Сапфир-22ДД». Преобразователи этого типа выпускаются в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления, разности давлений, вакуума, абсолютного давления, избыточного давления и вакуума в различных диапазонах. Упругий чувствительный элемент представляет собой металлическую мембрану 2, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми тензорезисторами. Измеряемая разность давлений воздействует на блок, состоящий из двух диафрагм 5. При смещении их центра усилие с помощью тяги 4 передается на рычаг 3, что приводит к деформации мембраны 2 с тензорезисторами. Электрический сигнал от тензорезисторов поступает в электронный блок 4, где преобразуется в унифицированный сигнал - постоянный ток 0...5 или 0...20 мА. Электрическое питание преобразователя осуществляется от источника постоянного тока напряжением 36 В.

При измерениях переменных (например, пульсирующих) давлений целесообразно максимальное приближение первичного преобразователя к месту измерения, так как наличие пневмомагистрали вносит существенные изменения в амплитудно-частотную характеристику системы измерений. Предельным в этом смысле является бездренажный метод, при котором миниатюрные преобразователи давления крепятся заподлицо с поверхностью, обтекаемой потоком (стенкой канала, лопаткой компрессора и т.д.). Известны преобразователи, имеющие высоту 1,6 мм и диаметр мембраны 5 мм. Используются также системы с приемниками давления и волноводами (l~100 мм) (метод вынесенных приемников давления), в которых для улучшения динамических

характеристик используются корректирующие акустические и электрические звенья.

При большом числе точек измерения в измерительных системах могут применяться специальные быстродействующие пневмокоммутаторы, которые обеспечивают поочередное подключение к одному преобразователю нескольких десятков точек измерения.

Для обеспечения высокой точности необходимо в рабочих условиях периодически контролировать средства измерения давления с помощью автоматических задатчиков.

Измерение температур

Для измерения температур применяются разнообразные средства измерений. Термоэлектрический термометр (термопара) представляет собой два проводника из различных материалов, соединенные (сваренные или спаянные) между собой концами (спаи). Если температуры спаев будут различны, то в цепи потечет ток под действием термоэлектродвижущей силы, значение которой зависит от материала проводников и от температур спаев. При измерениях, как правило, один из спаев термостатируется (для этого применяется тающий лед). Тогда ЭДС термопары будет однозначно связана с температурой «горячего» спая.

В термоэлектрический контур можно включить разнородные проводники. При этом результирующая ЭДС не изменится, если все места соединений будут находиться при одинаковой температуре. На этом свойстве основано применение так называемых удлинительных проводов (рис. 3.7), которые присоединяются к термоэлектродам ограниченной длины, и таким образом достигается экономия дорогостоящих материалов. При этом необходимо обеспечить равенство температур в местах присоединения удлинительных проводов (Т с) и термоэлектрическую идентичность их основной термопаре в диапазоне возможного изменения температур Т с и Т 0 (обычно не более 0...200°С). При практическом использовании термопар возможны случаи, когда температура Т 0 отлична от 0°С. Тогда для учета этого обстоятельства ЭДС термопары следует определить как E=Е изм +DE(T 0) и по градуировочной зависимости найти значение температуры. Здесь Е изм - измеренное значение ЭДС; DE(T 0) – значение ЭДС, соответствующее величине T 0 и определенное по градуировочной завиcимости. Градуировочные зависимости для термопар получают при температуре «холодных» спаев Т 0 , равной 0°С. Эти зависимости несколько отличаются от линейных. В качестве примера на рис. 3.8 приведена градуировочная зависимость для термопары платинородий-платина.

Некоторые характеристики наиболее распространенных термопар даны в табл. 3.1.

На практике наиболее распространены термопары с диаметром электродов 0,2...0,5 мм. Электроизоляция электродов достигается путем обмотки их асбестовой или кремнеземной нитью последующей пропиткой термостойким лаком, помещением термоэлектродов в керамические трубки или нанизыванием на них кусочков этих трубок («бусы»). Получили распространение термопары кабельного типа, представляющие собой два термоэлектрода, помещенные в тонкостенную оболочку, изготовленную из жаропрочной стали. Для изоляции термоэлектродов внутренняя полость оболочки набивается порошком MgO или Al 2 О 3 . Наружный диаметр оболочки - 0,5...6 мм.

Таблица 3.1

Для правильного измерения температуры конструктивных элементов термопары должны заделываться таким образом, чтобы горячий спай и термоэлектроды вблизи него не выступали над поверхностью и чтобы условия теплоотдачи от термометрируемой поверхности не нарушались из-за установки термопары. Для уменьшения погрешности измерений вследствие оттока (или притока) тепла от горячего спая по термоэлектродам за счет теплопроводности термоэлектроды на некотором расстоянии вблизи спая (7...10 мм) должны прокладываться примерно по изотермам. Схема заделки термопары, удовлетворяющей указанным требованиям, приведена на рис. 3.9. В детали выполнена канавка глубиной 0,7 мм, в которую укладываются спай и прилегающие к нему термоэлектроды; спай приваривается к поверхности контактной сваркой; канавка закрывается фольгой толщиной 0,2...0,3 мм.

Вывод термоэлектродов из внутренних полостей двигателя или его узлов осуществляется через штуцера. При этом необходимо следить за тем, чтобы термоэлектроды не слишком сильно нарушали структуру течения и не повреждалась их изоляция из-за трения друг о друга и об острые кромки конструкции.

При измерении температур вращающихся элементов показания термопар выводятся с помощью щеточных или ртутных токосъемников. Разрабатываются также бесконтактные токосъемники.

Схемы термопар, применяемых для измерения температуры потока газа, приведены на рис. 3.10. Горячий спай 1 представляет собой сферу диаметром d 0 (термоэлектроды могут также свариваться встык); термоэлектроды 2 вблизи спая закрепляются в изолирующей двухканальной керамической трубке 3, а затем выводятся из корпуса 4. На рисунке корпус 4 показан водоохлаждаемым (охлаждение необходимо при измерениях температур, превышающих 1300...1500 К), подвод и отвод охлаждающей воды осуществляются через штуцера 5.

При высоких значениях температуры газа возникают методические погрешности, обусловленные отводом тепла от спая вследствие теплопроводности по термоэлектродам к корпусу термопары и излучением в окружающую среду. Потери тепла из-за теплопроводности практически полностью можно устранить, обеспечив вылет изолирующей трубки, равный 3...5 ее диаметрам.

Для уменьшения отвода тепла излучением применяется экранирование термопар (рис. 3.10, б, в). Этим обеспечивается также защита спая от повреждений, а торможение потока внутри экрана способствует повышению коэффициента восстановления температуры при измерениях в высокоскоростных потоках.

Разработан также метод определения температуры газа по показаниям двух термопар, имеющих термоэлектроды различного

Рис. 3.9. Схема заделки термопары при измерении температуры элементов камер сгорания

Рис. 3.10. Схемы термопар для измерения температуры газа:

а - термопара с открытым спаем: б, в - экранированные термопары; г - двухспайная термопара; 1 - спай: 2 – термоэлектроды; 3 - керамическая трубка; 4 - корпус; 5 - штуцера для подвода и отвода воды

диаметра (рис. 3.10, г), позволяющий учесть отвод тепла излучением.

От конструктивного выполнения зависит инерционность термопар. Так, постоянная времени изменяется от 1...2 с для термопар с открытым спаем, до 3...5 с для экранированных термопар.

При исследовании полей температур (например, за турбиной, камерой сгорания и т.д.) применяются гребенки термопар, причем в ряде случаев они устанавливаются во вращающихся турелях, что позволяет достаточно подробно определять распределение температур во всем поперечном сечении.

Действие термометра сопротивления основано на изменении сопротивления проводника при изменении температуры. В качестве электросопротивления применяется проволока диаметром 0,05... 0,1 мм, выполненная из меди (t=-50...+150°С), никеля (t=-50...200°С) или платины (t=-200...500°С).

Проволока наматывается на каркас и помещается в чехол. Термометры сопротивления обладают высокой точностью и надежностью, однако они характеризуются большой инерционностью и не пригодны для измерения локальных температур. Термометры сопротивления применяются для измерений температуры воздуха на входе в двигатель, температур топлив, масел и т.д.

В жидкостных термометрах используется свойство теплового расширения жидкости. В качестве рабочих жидкостей применяются ртуть (t=-30...+700°C), спирт (t=-100...+75°C) и др. Жидкостные термометры используются при измерениях температуры жидких и газообразных сред в лабораторных условиях, а также при градуировке других приборов.

Оптические методы измерения температуры основаны на закономерностях теплового излучения нагретых тел. На практике могут быть реализованы три типа пирометров: яркостные пирометры, работа которых основана на изменении теплового излучения тела с температурой при некоторой фиксированной длине волн; цветовые пирометры, использующие изменение с температурой распределения энергии в пределах некоторого участка спектра излучения; радиационные пирометры, основанные на зависимости от температуры общего количества излучаемой телом энергии.

В настоящее время при испытаниях двигателей для измерений температур элементов конструкции нашли применение яркостные пирометры, созданные на базе фотоэлектрических приемников лучистой энергии. В качестве примера схема установки пирометра при термометрировании лопаток турбины на работающем двигателе представлена на рис. 32.11. С помощью линзы 2 «поле зрения» первичного преобразователя ограничено небольшим (5...6 мм) участком. Пирометр «осматривает» кромку и часть спинки каждой лопатки. Защитное стекло 1, выполненное из сапфира, предохраняет линзу от загрязнения и перегрева. Сигнал по световоду 3 передается к фотодетектору. Благодаря малой инерционности пирометр позволяет контролировать температуру каждой лопатки.

Для измерения температур конструктивных элементов двигателя могут применяться цветовые индикаторы температуры (термокраски или термолаки) - сложные вещества, которые при достижении определенной температуры (температура перехода) резко изменяют свой цвет из-за химического взаимодействия компонентов или происходящих в них фазовых переходов.

Рис. 3.11. Схема установки пирометра на двигателе:

(а) (1 - подвод обдувочного воздуха; 2 - первичный преобразователь) и схема первичного преобразователя

(б) (1 - защитное стекло; 2 - линза; 3 - световод)

Термокраски и термолаки, будучи нанесенными на твердую поверхность, после высыхания затвердевают и образуют тонкую пленку, которая способна изменять свой цвет при температуре перехода. Например, термокраска ТП-560 белого цвета при достижении t=560 °С становится бесцветной.

С помощью термоиндикаторов можно обнаружить зоны перегрева в элементах двигателя, в том числе и в труднодоступных местах. Трудоемкость измерений невелика. Однако их применение ограничено, так как не всегда можно установить, на каком режиме была достигнута максимальная температура. Кроме того, окраска термоиндикатора зависит от времени воздействия температуры. Поэтому термоиндикаторы, как правило, не могут заменить других методов измерений (например, с помощью термопар), но позволяют получить дополнительную информацию о тепловом состоянии исследуемого объекта.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники"

Кафедра метрологии и стандартизации

Параметрические измерительные преобразователи

Методические указания к лабораторной работе Э.5Б

для студентов специальности 54 01 01 ‑ 02

"Метрология, стандартизация и сертификация"

всех форм обучения

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10я73

Составители В.Т. Ревин, Л.Е. Батай

Методические указания содержат цель работы, краткие сведения из теории, описание лабораторной установки, лабораторное задание и порядок выполнения работы, а также указания по оформлению отчета и контрольные вопросы для проверки знаний студентов. Рассмотрены основные виды параметрических измерительных преобразователей (реостатные, индуктивные и емкостные), их основные характеристики и схемы включения в измерительную цепь. Выполнение лабораторной работы предполагает определение основных метрологических характеристик (функция преобразования, чувствительность, основная погрешность, погрешность определения чувствительности) рассмотренных измерительных преобразователей, а также овладение методикой измерения неэлектрических величин с помощью измерительных преобразователей и нахождения погрешностей определения значений неэлектрических величин.

УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10 я 73

1 Цель работы

1.1 Изучение принципа действия, конструкции и основных характеристик реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

1.2 Изучение методов измерения неэлектрических величин с помощью реостатных, емкостных и индуктивных измерительных преобразователей.

1.3 Практическое определение основных характеристик измерительных преобразователей и измерение с их помощью линейных и угловых перемещений.

2 Краткие сведения из теории

Особенностью современных измерений является необходимость определения значений множества физических величин, среди которых большую часть составляют неэлектрические величины. Для измерения неэлектрических величин широко используются электрические средства измерений, что обусловлено рядом их существенных достоинств. К ним относятся высокая точность измерения, высокие чувствительность и быстродействие средств измерений, возможность проведения дистанционных измерений, автоматического преобразования измерительной информации, автоматического управления процессом измерения и т.п. Особенностью электрических средств измерений, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую.

Первичный измерительный преобразователь устанавливает однозначную функциональную связь между выходной электрической величиной Y и входной неэлектрической величиной Х: Y = f ( X ).

В зависимости от вида выходного сигнала первичные измерительные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные.

В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи: сопротивление R, индуктивность L, взаимная индуктивность M или емкость C. При использовании параметрических измерительных преобразователей всегда необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя.

В генераторных измерительных преобразователях выходными величинами являются ЭДС, ток, напряжение, или заряд. При использовании генераторных измерительных преобразователей вспомогательные источники питания применяются только для усиления полученного сигнала.

По принципу действия параметрические измерительные преобразователи подразделяются на реостатные, тензочувствительные (тензорезисторы), термочувствительные (терморезисторы, термисторы), емкостные, индуктивные, ионизационные.

Зависимость выходной величины измерительного преобразователя Y от входной величины X, описываемая выражением Y = f (X ), называется функцией преобразования. Часто выходная величина преобразователя Y зависит не только от входной измеряемой величины X , но и от некоторого внешнего фактора Z . Поэтому в общем виде функцию преобразования можно представить функциональной зависимостью: Y = f (X , Z ).

При разработке измерительных преобразователей неэлектрических величин стремятся получить линейную функцию преобразования. Для описания линейной функции преобразования достаточно задать два параметра: начальное значение выходной величины Y 0 (нулевой уровень), соответствующее нулевому или иному начальному значению входной величины X, и параметр S, характеризующий наклон функции преобразования.

В этом случае функция преобразования может быть представлена в следующем виде:

Параметр S, характеризующий наклон функции преобразования, называется чувствительностью преобразователя. Чувствительность преобразователя  это отношение изменения выходной величины измерительного преобразователя ΔY к вызвавшему его изменению входной величины ΔX:

. (2)

Чувствительность преобразователя является величиной, имеющей размерность, причем размерность зависит от природы входной и выходной величин. Для реостатного преобразователя, например, чувствительность имеет размерность Ом/мм, для термоэлектрического преобразователя  мВ/К, для фотоэлемента  мкА/лм, для двигателя  об/(сВ) или Гц/В, для гальванометра  мм/мкА и т. д.

Важнейшей проблемой при проектировании и использовании измерительного преобразователя является обеспечение постоянства его чувствительности. Чувствительность должна как можно меньше зависеть от значений входной величины Х (в этом случае функция преобразования линейна), скорости изменения X, времени работы преобразователя, а также воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение (такие величины называются влияющими). При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от значений входной величины: S = S (X ) .

Диапазон значений неэлектрических величин, преобразуемых с помощью измерительного преобразователя, ограничивается с одной стороны пределом преобразования, а с другой – порогом чувствительности.

Предел преобразования преобразователя – это максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без его повреждения или искажения функции преобразования.

Порог чувствительности – это минимальное изменение значения входной величины, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя.

Соотношение Y = f (X) выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные в основу работы преобразователей. На практике функция преобразования определяется экспериментально в численной форме в результате градуировки преобразователя. В этом случае для ряда точно известных значений X измеряют соответствующие значения Y, что позволяет построить градуировочную кривую (рисунок 1,а ). Используя построенную градуировочную кривую, по полученным в результате измерения значениям электрической величины Y можно найти соответствующие значения искомой неэлектрической величины X (рисунок 1,б ).

а – построение градуировочной кривой по измеренным значениям величин Х и Y;

б  использование градуировочной кривой для определения входной величины Х

Рисунок 1  Градуировочная характеристика измерительного преобразователя

Важнейшей характеристикой любого измерительного преобразователя является его основная погрешность , которая обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции преобразователя или технологии его изготовления и проявляется при нормальных значениях влияющих величин или нахождении их в пределах области нормальных значений.

Основная погрешность измерительного преобразователя может иметь несколько составляющих, обусловленных:

Неточностью образцовых средств измерений, с помощью которых проводилось определение функции преобразования;

Отличием реальной градуировочной характеристики от номинальной функции преобразования; приближенным (табличным, графическим, аналитическим) выражением функции преобразования;

Неполным совпадением функции преобразования при возрастании и убывании измеряемой неэлектрической величины (гистерезис функции преобразования);

Неполной воспроизводимостью характеристик измерительного преобразователя (чаще всего чувствительности).

При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

Градуировка измерительного преобразователя (определение реальной функции преобразования) производится с использованием средств измерений неэлектрических и электрических величин. В качестве примера на рисунке 2 представлена структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя. В качестве средства измерения линейного перемещения (неэлектрической величины) используется линейка, а средства измерения электрической величины – активного сопротивления – цифровой измеритель L, C, R E7-8.

Рисунок 2 – Структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя

Процесс градуировки преобразователя заключается в следующем. С помощью механизма перемещения подвижный контакт (движок) реостатного преобразователя последовательно устанавливается на оцифрованные отметки шкалы линейки, и на каждой отметке производится измерение активного сопротивления преобразователя с помощью прибора Е7-8. Измеренные значения линейного перемещения и активного сопротивления заносятся в градуировочную таблицу 1.

Таблица 1

В этом случае получаем функцию преобразования измерительного преобразователя, заданную в табличной форме. Для получения графического изображения функции преобразования необходимо воспользоваться рекомендациями, приведенными на рисунке 1,а .

Следует, однако, иметь в виду, что измерение линейного перемещения и активного сопротивления произведено с погрешностью, обусловленной инструментальными погрешностями используемых средств измерений. В связи с этим и определение функции преобразования было произведено также с некоторой погрешностью (рисунок 3).

Рисунок 3 – Погрешности определения функции преобразования

Поскольку чувствительность преобразователя S , задаваемая наклоном функции преобразования, определяется по формуле (2), то расчет погрешности определения чувствительности преобразователя Δ S должен проводиться на основе алгоритма расчета погрешности результата косвенного измерения. В общем виде расчетная формула для Δ S выглядит следующим образом:

где
,

Δ y 1 и Δ y 2 – погрешности определения выходных величин y 1 и y 2 ,

Δ x 1 и Δ x 2 – погрешности определения входных величин x 1 и x 2 .

Дополнительные погрешности измерительного преобразователя, обусловленные его принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления, проявляются при отклонении влияющих величин от нормальных значений.

Кроме рассмотренных выше характеристик, измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические характеризуются: вариацией выходного сигнала, выходным полным сопротивлением, динамическими характеристиками . К важнейшим техническим характеристикам также относятся: габариты, масса, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, надежность, удобство монтажа и обслуживания, взрывобезопасность, стоимость изготовления и т.п. .

Измерительные преобразователи различаются по принципу преобразования сигнала .

В случае аналогового прямого преобразования (рисунок 4) измеряемая неэлектрическая величина X подается на вход первичного измерительного преобразователя (ПИП). Выходная электрическая величина Y преобразователя измеряется электрическим измерительным прибором (ЭИП), в состав которого входят измерительный преобразователь и индикаторное устройство.

Рисунок 4  Блок-схема прибора с аналоговым прямым преобразованием измеряемой неэлектрической величины

В зависимости от рода выходной величины и требований, предъявляемых к прибору, электрический измерительный прибор может быть различной степени сложности. В одном случае это  магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом  цифровой измерительный прибор. Обычно шкалу индикаторного устройства ЭИП градуируют в единицах измеряемой неэлектрической величины. Измеряемая неэлектрическая величина может неоднократно преобразовываться для согласования пределов ее измерения с пределами преобразования ПИП и получения более удобного для ПИП вида входного воздействия. Для выполнения подобных преобразований в прибор вводят предвари тельные преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические.

При большом количестве промежуточных преобразователей в приборах прямого преобразования существенно возрастает суммарная погрешность. Для снижения погрешности применяют дифференциальные из мерительные преобразователи, которые имеют меньшую аддитивную погрешность, менее нелинейную функцию преобразования и более высокую чувствительность по сравнению с устройствами прямого преобразования.

На рисунке 5 показана структурная схема прибора с дифференциальным измерительным преобразователем (ДИП). Преобразователь включает в себя дифференциальное звено ДЗ с двумя выходами, два канала преобразования (П1 и П2) и вычитающее устройство ВУ. При изменении входной измеряемой величины x от начального значения x 0 до значения (x 0 + Δx) выходные величины x 1 и x 2 на выходе ДЗ получают приращения с разными знаками. После их преобразования в П1 и П2 значения на выходе преобразователей y 1 и y 2 вычитаются. В результате выходная величина ДИП (y = y 1 -y 2), поступающая на измерительный механизм ИМ, пропорциональна только приращению Δx измеряемой неэлектрической величины.

Рисунок 5 – Блок-схема прибора с дифференциальным преобразованием измеряемой неэлектрической величины

В приборах с преобразованием, основанным на принципе компенсации (уравновешивания) в устройстве сравнения УС преобразователя происходит сопоставление измеряемой величины и однородной ей изменяемой величины, создаваемой узлом обратной связи УОС (рисунок 6) Сравнение величин производится до их полного уравновешивания. В качестве узлов обратной связи используются обратные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую (например, лампы накаливания, электромеханические преобразователи и др.).

Рисунок 6 – Блок-схема прибора с компенсационным измерительным преобразователем

Приборы компенсационного сравнения по сравнению с приборами прямого преобразования позволяют получить более высокую точность, большее быстродействие, меньше потребляют энергии от объекта исследования.

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть как аналоговыми, так и цифровыми .

Реостатные преобразователи

Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – линейного или углового перемещения. Реостатный преобразователь представляет собой реостат (каркас с нанесенной на него проволочной обмоткой), подвижный контакт которого совершает линейное или угловое перемещение под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Схематические изображения некоторых конструкций реостатных преобразователей приведены на рисунке 6, а-в. Габариты преобразователя определяются предельными значениями измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и электрической мощностью, рассеиваемой в обмотке. Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный вид функции преобразования достигается профилированием каркаса преобразователя (рисунок 6, в ).

В реостатных преобразователях статическая характеристика преобразования имеет ступенчатый характер, поскольку сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка. Это вызывает появление соответствующей погрешности, максимальное значение которой можно представить в виде:

, (4)

где R  максимальное сопротивление одного витка;

R  полное сопротивление преобразователя.

В реохордных преобразователях, в которых подвижный контакт скользит вдоль оси проволоки, этой погрешности можно избежать.

Реостатные преобразователи включают в измерительные цепи в виде равновесных и неравновесных мостов, делителей напряжения и т.д.

Рисунок 7 – Реостатные измерительные преобразователи

Основными недостатками реостатных преобразователей являются наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших его перемещений, а иногда и значительного усилия для перемещения. К достоинствам относятся простота конструкции и возможность получения значительных по уровню выходных сигналов.

Применяют реостатные преобразователи для измерения сравнительно больших линейных и угловых перемещений, а также других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление и т.п.).

Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости собственной или взаимной индуктивностей обмоток на магнитопроводе от взаимного положения, геометрических размеров и магнитного сопротивления элементов магнитной цепи. Из электротехники известно, что индуктивность L обмотки, расположенной на магнитном сердечнике (магнитопроводе), определяется выражением:

, (5)

где Z M  магнитное сопротивление магнитопровода;

w  число витков обмотки.

Взаимная индуктивность M двух обмоток, расположенных на одном магнитопроводе c магнитным сопротивлением Z M , определяется как

, (6)

где w 1 и w 2  число витков первой и второй обмоток.

Магнитное сопротивление определяется выражением:

, ` (7)

где	 активная составляющая магнитного сопротивления;
l i , S i ,  i	 соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i-го участка магнитопровода;
	 магнитная постоянная;
	 длина и площадь поперечного сечения воздушного участка магнитной цепи;

	 реактивная составляющая магнитного сопротивления;
	 потери мощности в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом;
	 угловая частота;
	 магнитный поток в магнитопроводе.

Приведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, меняя длину δ или сечение S воздушного участка магнитной цепи, потери мощности Р в магнитопроводе и т. д.

На рисунке 8 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Изменение взаимной индуктивности может быть достигнуто, например, перемещением подвижного сердечника (якоря) 1 относительно неподвижного сердечника 2, введением немагнитной металлической пластины 3 в воздушный зазор (рисунок 8 а ).

Рисунок 8 – Индуктивные измерительные преобразователи

Индуктивный преобразователь с переменной длиной воздушного зазора  (рисунок 8,б ) характеризуется нелинейной зависимостью L = f ( ). Такой преобразователь имеет высокую чувствительность и обычно применяется при перемещении якоря магнитопровода в пределах от 0,01  5 мм.

Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью функции преобразования L = f (S ) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рисунок 8, в ). Такие преобразователи используют при измерении перемещений до 10  15 мм.

Широко распространение получили индуктивные дифференциальные преобразователи (рисунок 8, г ), в которых подвижный якорь помещен между двумя неподвижными сердечниками с обмотками. При перемещении якоря под воздействием измеряемой величины одновременно и с различными знаками изменяются длины δ 1 и δ 2 воздушных зазоров преобразователя, при этом индуктивность одной обмотки будет возрастать, а другой – уменьшаться. Дифференциальные преобразователи применяются в сочетании с мостовыми измерительными схемами. По сравнению с недифференциальными преобразователями они имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность функции преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50 - 100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью (рисунок 8, д ).

Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействию силой F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника изменится магнитное сопротивление цепи, что также повлечет изменение индуктивности L и взаимной индуктивности М обмоток. На этой зависимости основан принцип действия магнитоупругих преобразователей (рисунок 8,е ).

Индуктивные преобразователи используют для измерения линейных и угловых перемещений, а также других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент сил и т.п.). Конструкция преобразователя определяется диапазоном измеряемых перемещений. Габариты преобразователя выбираются, исходя из необходимой мощности выходного сигнала.

Для измерения выходного параметра индуктивных преобразователей наибольшее применение получили мостовые (равновесные и неравновесные) и генераторные измерительные цепи, а также цепи с использованием резонансных контуров, которые обладают наибольшей чувствительностью вследствие большой крутизны функции преобразования.

Их основными недостатками являются: обратное воздействие на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора.

Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними.

Электрическая емкость плоского конденсатора с двумя обкладками описывается выражением:

, (8)

Из данного выражения видно, что емкостной преобразователь может быть построен на основе использования зависимостей С = f ( ), С = f (S ) или C = f ( ).

На рисунке 9 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей.

Рисунок 9 – Емкостные измерительные преобразователи

Преобразователь на рисунке 9, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины X относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразователя, использующего зависимость С = f ( ) является нелинейной. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния между обкладками . Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Применяют также дифференциальные емкостные преобразователи (рисунок 9, б ), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины X у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2.

На рисунке 9, в показан дифференциальный емкостной преобразователь с переменной активной площадью пластин, в котором используется зависимость С = f (S ) . Преобразователи с такой конструкцией используют для измерения сравнительно больших перемещений. В этих преобразователях требуемая характеристика преобразования легко может быть получена путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости С = f ( ) применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т.п. В качестве примера на рисунке 9, г приведено устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости.

Для измерения выходного параметра емкостных измерительных преобразователей применяют мостовые, генераторные измерительные цени и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, которые способны реагировать на линейные перемещения порядка 10 мкм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков МГц).

Преобразователи физических величин в электрический сигнал - один из основных элементов автоматических систем контроля и управления измерительных и регулирующих приборов, во многом определяющий их эксплуатационные характеристики, например степень автоматизации, точность, быстродействие. Разработка многофункциональных преобразователей (МФП) основывается на достижениях в области автоматики, вычислительной техники, радиоэлектроники, информационно-измерительной техники, метрологии.

Канал передачи информации о физической величине состоит из последовательно включенных звеньев, осуществляющих преобразование ее в электрический сигнал, функциональное преобразование электрического сигнала, масштабное преобразование, преобразование к виду, пригодному для дальнейшего использования (индикации, измерения, регистрации, документирования, формирования управляющего воздействия). Совокупность последовательно включенных звеньев, осуществляющих перечисленные операции, - преобразователь физической величины. В соответствии с этим определением обобщенная структурная схема преобразователя может быть представлена (рис. 1), состоящей из чувствительного элемента ЧЭ, первичного преобразователя ПП, функционального преобразователя ФП, масштабного преобразователя МП, вторичного (выходного) преобразователя ВП.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема преобразователя

Функциональный и масштабный преобразователи часто называют промежуточными. В зависимости от конкретного назначения преобразователя в целом и вида преобразуемой физической величины ФП и МП в структуре могут и отсутствовать. В ряде случаев их функции выполняют звенья ПП и ВП.

Основное уравнение преобразования - зависимость между входной преобразуемой величиной x(t) и выходной yo(t). Эта зависимость иногда называется функцией преобразования. Для идеализированного случая - отсутствия каких-либо внешних возмущающих и дестабилизирующих воздействий, влияющих на преобразователь, зависимость имеет вид:

yo(t)=Fo.

Измерительные преобразователи

Измерительный преобразователь - техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования:

-Аналоговый измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);

-Аналого-цифровой измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

-Цифро-аналоговый измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.

По месту в измерительной цепи:

-Первичный измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;

-Датчик - конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;

-Детектор - датчик в области измерений ионизирующих излучений;

-Промежуточный измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

По другим признакам:

-Передающий измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;

-Масштабный измерительный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.

Параметрические преобразователи

Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими преобразователями (ЭСП). Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала.

1. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей . Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.

Электростатический преобразователь

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = C U ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:

Где - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице), - электрическая постоянная, численно равная Ф/м (эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин).

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

Конструкция емкостного датчика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов.

Основным недостатком емкостных преобразователей является малая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток - сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

Пример применения: Ёмкостный сенсорный экран в общем случае представляет собой стеклянную панель, на которую нанесён слой прозрачного резистивного материала. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение. Поскольку тело человека способно проводить электрический ток и обладает некоторой ёмкостью, при касании экрана в системе появляется утечка. Место этой утечки, то есть точку касания, определяет простейший контроллер на основе данных с электродов по углам панели.

2. Резистивными называют преобразователи, в которых переносчиком измерительной информации является электрическое сопротивление. Резистивные преобразователи составляют две большие группы: электрические и механоэлектрические. В основу принципа преобразования электрических резистивных преобразователей (шунтов, добавочных резисторов, резистивных делителей и т. п.) положена зависимость между напряжением, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома, и зависимость электрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротивления.

Принцип работы механоэлектрических резистивных преобразователей (например, реостатных) основан на изменении электрического сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины. К резистивным преобразователям часто относят и тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления различных материалов под действием механической деформации. Тензорезисторы могут измерять и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы и широко применяются в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента. В качестве материалов таких преобразователей используются проводники с проволочными и фольговыми чувствительными элементами или полупроводники. В последнее время для построения тензопреобразователей стали применять эффекты изменения характеристик р-п переходов под давлением механического воздействия (тензодиоды и тензотранзисторы).

3. Электромагнитные преобразователи составляют очень большую и разнообразную по принципу действия и по назначению группу преобразователей, объединенных общностью теории, принципа преобразования, основанного на использовании электромагнитных явлений.

Это масштабные электромагнитные преобразователи (измерительные трансформаторы, индуктивные делители напряжения и тока), индуктивные трансформаторные и автотрансформаторные преобразователи неэлектрических величин, а также индуктивные и индукционные преобразователи.

4. Генераторные преобразователи (датчики) выдают на выход измеритель-ный сигнал за счет собственной внутренней энергии и не нуждаются в каких-либо внешних источниках. Характерным примером такого рода датчика может служить датчик скорости вращения типа тахогенератора. Развиваемая тахогенератором ЭДС может быть пропорциональной скорости вращения его ротора.

К генераторным датчикам относятся:

- термоэлектрические;

- индукционные;

- пьезоэлектрические;

- фотоэлектрические.

Основные параметры датчиков

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины

y=f(x)

Чувствительность датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины

S = Ay/Ax

Порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе.

Инерционность датчика - время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине.