Термометры сопротивления. Термометры сопротивления как и термопары, предназначены для измерения температуры газообразных, твердых и жидких тел, а также температуры поверхности. Принцип действия термометров основан на использовании свойства металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с температурой. Для проводников из чистых металлов эта зависимость в области температур от –200 °С до 0 °С имеет вид:

R t =R 0 ,

а в области температур от 0 °С до 630 °С

R t =R 0 ,

где R t , R 0 - сопротивление проводника при температуре t и 0 °С; А, В, С - коэффициенты; t - температура, °С.

В диапазоне температур от 0 °С до 180 °С зависимость сопротивления проводника от температуры описывается приближенной формулой

R t =R 0 ,

где α - температурный коэффициент сопротивления материала проводника (ТКС).

Для проводников из чистого металла α≈ 6-10 -3 ...4-10 -3 град -1 .

Измерение температуры термометром сопротивления сводится к измерению его сопротивления R t , с последующим переходом к температуре по формулам или градуировочным таблицам.

Различают проволочные и полупроводниковые термометры сопротивления. Проволочный термометр сопротивления представляет собой тонкую проволоку из чистого металла, закрепленную на каркасе из температуростойкого материала (чувствительный элемент), помещенную в защитную арматуру (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Чувствительный элемент термометра сопротивления

Выводы от чувствительного элемента подведены к головке термометра. Выбор для изготовления термометров сопротивления проволок из чистых металлов, а не сплавов, обусловлен тем, что ТКС чистых металлов больше, чем ТКС сплавов и, следовательно, термометры на основе чистых металлов обладают большей чувствительностью.

Промышленностью выпускаются платиновые, никелевые и медные термометры сопротивления. Для обеспечения взаимозаменяемости и единой градуировки термометров стандартизованы величины их сопротивления R 0 и ТКС.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) представляют собой бусинки, диски или стержни из полупроводникового материала с выводами для подключения в измерительную цепь.

Промышленность серийно выпускает множество типов термисторов в различном конструктивном оформлении.

Размеры термисторов, как правило, малы - около нескольких миллиметров, а отдельные типы десятых долей миллиметра. Для предохранения от механических повреждений и воздействия среды термисторы защищаются покрытиями из стекла или эмали, а также металлическими чехлами.

Термисторы обычно имеют сопротивление от единиц до сотен килоом; их ТКС в рабочем диапазоне температур на порядок больше, чем у проволочных термометров. В качестве материалов для рабочего тела термисторов используют смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со связующим веществом, придают ему требуемую форму и спекают при высокой температуре. Применяют термисторы для измерения температур в диапазоне от -100 до 300°С. Инерционность термисторов сравнительно невелика. К числу их недостатков следует отнести нелинейность температурной зависимости сопротивления, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, а также необратимое изменение сопротивления во времени.

Для измерения в области температур, близких к абсолютному нулю, применяются германиевые полупроводниковые термометры.

Измерение электрического сопротивления термометров производится с помощью мостов постоянного и переменного тока или компенсаторов. Особенностью термометрических измерений является ограничение измерительного тока с тем, чтобы исключить разогрев рабочего тела термометра. Для проволочных термометров сопротивления рекомендуется выбрать такой измерительный ток, чтобы мощность, рассеиваемая термометром, не превышала 20 ... 50 мВт. Допустимая рассеиваемая мощность в термисторах значительно меньше и ее рекомендуется определять экспериментально для каждого термистора.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы). В конструкторской практике часто необходимы измерения механических напряжений и деформаций в элементах конструкций. Наиболее распространенными преобразователями этих величин в электрический сигнал являются тензорезисторы. В основе работы тензорезисторов лежит свойство металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенных к ним сил. Простейшим тензорезистором может быть отрезок проволоки, жестко сцепленный с поверхностью деформируемой детали. Растяжение или сжатие детали вызывает пропорциональное растяжение или сжатие проволоки, в результате чего изменяется ее электрическое сопротивление. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относительным удлинением соотношением

ΔR/R=K Τ Δl/l,

где l, R - начальные длина и сопротивление проволоки; Δl , ΔR - приращение длины и сопротивления; K Τ - коэффициент тензочувствительности.

Величина коэффициента тензочувствительности зависит от свойств материала, из которого изготовлен тензорезистор, а также от способа крепления тензорезистора к изделию. Для металлических проволок из различных металлов K Τ = 1... 3,5.

Различают проволочные и полупроводниковые тензорезисторы. Для изготовления проволочных тензорезисторов применяются материалы, имеющие достаточно высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления. Наиболее употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов является константановая проволока диаметром 20 ... 30 мкм.

Конструктивно, проволочные тензорезисторы представляют собой решетку, состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (или иную) подложку (рис. 5.5). В зависимости от материала подложки тензорезисторы могут работать при температурах от -40 до +400 °С.

Рис. 5.5. Тензометр

Существуют конструкции тензорезисторов, прикрепляемых к поверхности деталей с помощью цементов, способные работать при температурах до 800 °С.

Основными характеристиками тензорезисторов являются номинальное сопротивление R, база l и коэффициент тензочувствительности K Τ . Промышленностью выпускается широкий ассортимент тензорезисторов с величиной базы от 5 до 30мм, номинальными сопротивлениями от 50 до 2000 Ом, с коэффициентом тензочувствительности 2±0,2.

Дальнейшим развитием проволочных тензорезисторов являются фольговые и пленочные тензорезисторы, чувствительным элементом которых являются решетка из полосок фольги или тончайшая металлическая пленка, наносимые на подложки на лаковой основе.

Тензорезисторы выполняются, на основе полупроводниковых материалов. Наиболее сильно тензоэффект выражен у германия, кремния и др. Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большое (до 50 %) изменение сопротивления при деформации благодаря большой величине коэффициента тензочувствительности.

Индуктивные преобразователи. Индуктивные преобразователи применяются для измерения перемещений, размеров, отклонений формы и расположения поверхностей. Преобразователь состоит из неподвижной катушки индуктивности с магнитопроводом и якоря, также являющегося частью магнитопровода, перемещающегося относительно катушки индуктивности. Для получения возможно большей индуктивности магнитопровод катушки и якорь выполняются из ферромагнитных материалов. При перемещении якоря (связанного, например, со щупом измерительного устройства) изменяется индуктивность катушки и, следовательно, изменяется ток, протекающий в обмотке. На рис. 5.6 приведены схемы индуктивных преобразователей с переменным воздушным зазором d (рис. 5.6а ) применяемых для измерения перемещения в пределах 0,01…10 мм; с переменной площадью воздушного зазора S δ (рис. 5.6б ), применяемых в диапазоне 5 … 20 мм.

Рис. 5.6. Индуктивные преобразователи перемещений

5.2. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением

Для упрощения конструкторских расчетов предполагается, что идеальный ОУ имеет следующие характеристики.

1. Коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи равен бесконечности.

2. Входное сопротивление R d равно бесконечности.

3. Выходное сопротивление R 0 = 0.

4. Ширина полосы пропускания равна бесконечности.

5. V 0 = 0 при V 1 = V 2 (отсутствует напряжение смещения нуля).

Последняя характеристика очень важна. Так как V 1 -V 2 = V 0 / А, то если V 0 имеет конечное значение, а коэффициент А бесконечно велик (типичное значение 100000) будем иметь

V 1 - V 2 = 0 и V 1 = V 2.

Поскольку входное сопротивление для дифференциального сигнала(V 1 - V 2)

также очень велико, то можно пренебречь током через R d .Эти два допущения существенно упрощают разработку схем на ОУ.

Правило1. При работе ОУ в линейной области на двух его входах действуют одинаковые напряжения.

Правило2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

Рассмотрим базовые схемные блоки на ОУ. В большинстве этих схем ОУ используется в конфигурации с замкнутой петлей обратной связи.

5.2.1. Усилитель с единичным коэффициентом усиления

(повторитель напряжения)

Если в неинвертирующеи усилителе положить R i равным бесконечности, а R f равным нулю, то мы придем к схеме, изображенной на рис. 5.7.

Согласно правилу 1, на инвертирующем входе ОУ тоже действует входное напряжение V i , которое непосредственно передается на выход схемы. Следовательно, V 0 = V i , и выходное напряжение отслеживает (повторяет) входное напряжение. У многих аналого-цифровых преобразователей входное сопротивление зависит от значения аналогичного входного сигнала. С помощью повторителя напряжения обеспечивается постоянство входного сопротивления.

5.2.2. Сумматоры

Инвертирующий усилитель может суммировать несколько входных напряжений. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор. Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Базовая принципиальная схема суммирующего усилителя представлена на рис. 5.8.

Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе должно быть равно нулю, следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ. Таким образом,

i f = i 1 + i 2 + . . . + i n

Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то после соответствующих подстановок, получаем

V 0 = -R f ( +. . . + ).

Резистор R f определяет общее усиление схемы. Сопротивления R 1, R 2, . . . R n задают значения весовых коэффициентов и входных сопротивлений соответ-ствующих каналов.

5.2.3. Интеграторы

Интегратор – это электронная схема, которая вырабатывает выходнойсигнал, пропорциональный интегралу (по времени) от входного сигнала.

На рис. 5.9 показана принципиальная схема простого аналогового интегратора.Один вывод интегратора присоединен к суммирующему узлу, а другой – к выходу интегратора. Следовательно, напряжение на конденсоторе одновре-менно является выходным напряжением. Выходной сигнал интегратора не удается описать простой алгебраической зависимостью, поскольку при фикси-рованном входном напряжении выходное напряжение изменяется со скорос-тью, определяемом параметрами V i ,R и C. Таким образом, для того, чтобы найти выходное напряжение, нужно знать длительность действия входного сигнала. Напряжение на первоначально разряженном конденсаторе

где i f – через конденсатор и t i - время интегрирования. Для положительного

Vi имеем i i = V i /R. Поскольку i f = i i , то с учетом инверсии сигнала получаем

Из этого соотношения следует, что V 0 определяется интегралом (с обратным знаком) от входного напряжения в интервале от 0 до t 1 , умноженным на масштабный коэффициент 1/RC. Напряжение V ic - это напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (t = 0).

5.2.4. Дифференциаторы

Дифференциатор вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения во времени входного сигнала. На рис. 5.10 показана принципиальная схема простого дифференциатора.

Ток через конденсатор .

Если производная положительна, ток i i течет в таком направлении, что формируется отрицательное выходное напряжение V 0.

Таким образом,

Этот метод дифференцирования сигнала кажется простым, но при его практической реализации возникают проблемы с обеспечением устойчивости схемы на высоких частотах. Не всякий ОУ пригоден для использования в дифференциаторе. Критерием выбора является быстродействие ОУ: нужно выбирать ОУ с высокой максимальной скоростью нарастания выходного напряжения и высоким значением произведения коэффициента усиления на ширину полосы. Хорошо работают в дифференциаторах быстродействующие ОУ на полевых транзисторах.

5.2.5. Компараторы

Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора показана на рис. 5.11.

Как видим, здесь ОУ работает с разомкнутой петлей обратной связи. На один из его входов подается опорное напряжение, на другой – неизвестное (сравниваемое) напряжение. Выходной сигнал компаратора указывает: выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного входного сигнала. В схеме на рис.5.11 опорное напряжение V r подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход поступает неизвестный сигнал V i .

При V i > V r на выходе компаратора устанавливается напряжение V 0 = - V r (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае получаем V 0 = +V r .Можно поменять местами входы – это приведет к инверсии выходного сигнала.

5.3. Коммутация измерительных сигналов

В информационно-измерительной технике при реализации аналоговых измерительных преобразований часто приходится осуществлять электрические соединения между двумя и более точками измерительной схемы с целью вызвать необходимый переходный процесс, рассеять запасенную реактивным элементом энергию (например, разрядить конденсатор), подключить источник питания измерительной цепи, включить ячейку аналоговой памяти, взять выборку непрерывного процесса при дискретизации и т. д. Кроме того, многие измерительные средства осуществляют измерительные преобразования последовательно над большим числом электрических величин, распределенных в пространстве. Для реализации сказанного используются измерительные коммутаторы и измерительные ключи.

Измерительным коммутатором называется устройство, которое преобразует пространственно разнесенные аналоговые сигналы в сигналы, разделенные во времени, и наоборот.

Измерительные коммутаторы аналоговых сигналов характеризуются следующими параметрами:

динамическим диапазоном коммутируемых величин;

погрешностью коэффициента передачи;

быстродействием (частотой переключении или временем, необходимым для выполнения одной коммутационной операции);

числом коммутируемых сигналов;

предельным числом переключений (для коммутаторов с контактными измерительными ключами).

В зависимости от типа используемых в коммутаторе измерительных ключей различаются контактные и бесконтактные коммутаторы .

Измерительный ключ представляет собой двухполюсник с явно выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Переход ключа из одного состояния (закрытого) в другое (открытое) выполняется с помощью управляющего элемента.

5.4. Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровое преобразование составляет неотъемлемую часть измерительной процедуры. В показывающих приборах эта операция соответствует считыванию числового результата экспериментатором. В цифровых и процессорных измерительных средствах аналого-цифровое преобразование выполняется автоматически, а результат либо поступает непосредственно на индикацию, либо вводится в процессор для выполнения последующих измерительных преобразований в числовой форме.

Методы аналого-цифрового преобразования в измерениях разработаны глубоко и основательно и сводятся к представлению мгновенных значений входного воздействия в фиксированные моменты времени соответствующей кодовой комбинацией (числом). Физическую основу аналого-цифрового преобразования составляет стробирование и сравнение с фиксированными опорными уровнями. Наибольшее распространение получили АЦП поразрядного кодирования, последовательного счета, следящего уравновешивания и некоторые другие. К вопросам методологии аналого-цифрового преобразования, которые связаны с тенденциями развития АЦП и цифровых измерений на ближайшие годы относятся, в частности:

Устранение неоднозначности считывания в наиболее быстродействующих АЦП сопоставления, получающих все большее распространение с развитием интегральной технологии;

Достижение устойчивости к сбоям и улучшение метрологических характеристик АЦП на основе избыточной системы счисления Фибоначчи;

Применение для аналого-цифрового преобразования метода статистических испытаний.

5.4.1 Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемой частью автоматических систем контроля управления и регулирования. Кроме того, поскольку по­давляющее большинство измеряемых физических величин являются аналоговыми, а их обработка индикация и регистрация, как правило, осуществляются цифровыми методами, ЦАП и АЦП нашли широкое применение в автоматических средствах измерений. Так, ЦАП и АЦП входят в состав цифровых измерительных приборов (вольтметров, осциллографов, анализаторов спектра, корреляторов и т. п.), программируемых источников питания, дисплеев на электроннолучевых трубках, графопостроителей, радиолокационных систем установок для контроля элементов и микросхем, являются важными компонентами различных преобразователей и генераторов, устройств ввода вывода информации ЭВМ. Широкие перспективы применения ЦАП и АЦП открываются в телеметрии и телевидении. Серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых ЦАП и АЦП даст возможность еще более широкого использования методов дискретно непрерывного преобразования в науке и технике.

Существует три разновидности конструктивно технологического исполнения ЦАП и АЦП: модульное, гибридное и интегральное. При этом доля производства интегральных схем (ИС) ЦАП и АЦП в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает, чему в значительной степени способствует широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. ЦАП - устройство, которое создает на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), пропорциональный входному цифровому сигналу. При этом значение выходного сигнала зависит от значения опорного напряжения U оп, определяющего полную шкалу выходного сигнала. Если в качестве опорного напряжения использовать какой либо аналоговый сигнал, то выходной сигнал ЦАП будет пропорционален произведению входных цифрового и анало­гового сигналов.В АЦП цифровой код на выходе определяется отношением пpeобразуемого входного аналогового сигналa к опорному сигналy, соответствующему полной шкале. Это соотношение выполняется и в том случае, если опорный сигнал изменяется по какому-либо за­кону. АЦП можно рассматривать как измеритель отношений или делитель напряжений с цифровым выходом.

5.4.2. Принципы действия, основные элементы и структурные схемы АЦП

В настоящее время разработано большое количество типов АЦП, удовлетворяющее разнообразным требованиям. В одних случаях преобладающим требованием является высокая точность, в других - скорость преобразования.

По принципу действия все существующие типы АЦП можно разделить на две группы: АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений и АЦП интегрирующего типа.

В АЦП со сравнением входного преобразуемого сигнала с дискретными уровнями напряжений используется процесс преобразования, сущность которого заключается в формировании напряжения с уровнями, эквивалентными соответствующим цифровым кодам, и сравнении этих уровней напряжения с входным напряжением с целью определения цифрового эквивалента входного сигнала. При этом уровни напряжения могут формироваться одновременно, последовательно или комбинированным способом.

АЦП последовательного счета со ступенчатым пилообразным напряжением является одним из простейших преобразователей (рис. 5.12).

По сигналу "Пуск" счетчик устанавливается в нулевое состояние, после чего по мере поступления на его вход тактовых импульсов с частотой f т линейно-ступенчато возрастает выходное напряжение ЦАП.

При достижении напряжением U вых значения U вх схема сравнения прекращает подсчет импульсов в счетчике Сч, а код с выходов последнего заносится в регистр памяти. Разрядность и разрешающая способность таких АЦП определяется разрядностью и разрешающей способностью используемого в его составе ЦАП. Время преобразования зависит от уровня входного преобразуемого на-пряжения. Для входного напряжения, соответствующего значению полной шка-лы, Сч должен быть заполнен и при этом он должен сформировать на входе ЦАП код полной шкалы. Это требует для n- разрядного ЦАП времени преобразования в (2 n - 1) раз больше периода тактовых импульсов. Для быстрого аналого-цифрового преобразования использование подобных АЦП нецелесообразно.

В следящем АЦП (рис. 5.13) суммирующий Сч заменен на реверсивный счетчик РСч, чтобы отслеживать изменяющееся входное напряжение. Выходной сигнал КН определяет направление счета в зависимости от того превышает или нет входное напряжение АЦП выходное напряжение ЦАП.

Перед началом измерений РСч устанавливается в состояние, соответствующее середине шкалы (01 ... 1). Первый цикл преобразования следящего АЦП аналогичен циклу преобразования в АЦП последовательного счета. В дальнейшем циклы преобразования существенно сокращаются, так как данный АЦП успевает отследить малые отклонения входного сигнала за несколько тактовых периодов, увеличивая или уменьшая число импульсов, записанное в РСч, в зависимости от знака рассогласования текущего значения преобразуемого напряжения U вх и выходного напряжения ЦАП.

АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) нашли наиболее широкое распространение в силу достаточно простой их реализации при одновременном обеспечении высокой разрешающей способ-ности, точности и быстродействия, имеют несколько меньшее быстродействие, но существенно большую разрешающую способность в сравнении с АЦП, реализующими метод параллельного преобразования.

Для повышения быстродействия в качестве управляющего устройства используется распределитель импульсов РИ и регистр последовательного приближения. Сравнение входного напряжения с опорным (напряжением обратной связи ЦАП) ведется, начиная с величины, соответствующей старшему разряду формируемого двоичного кода.

При пуске АЦП с помощью РИ устанавливается в исходное состояние РПП:

1000 . . .0. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее половине диапазона преобразования, что обеспечивается включением его старшего разряда. Если входной сигнал меньше, чем сигнал от ЦАП, в следующем такте с помощью РПП на цифровых входах ЦАП формируется код 0100. . . 0, что соответствует включению 2-го по старшинству разряда. В результате выходной сигнал ЦАП уменьшается вдвое.

Если входной сигнал превышает сигнал от ЦАП, в очередном такте обеспечивается формирование кода 0110 ... 0 на цифровых входах ЦАП и включение дополнительного 3-го разряда. При этом выходное напряжение ЦАП, возросшее в полтора раза, вновь сравнивается с входным напряжением и т. д. Описанная процедура повторяется n раз (где n - число разрядов АЦП).

В результате на выходе ЦАП сформируется напряжение, отличающееся от входного не более, чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования снимается с выхода РПП.

Достоинством данной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразователей сравнительно высокого быстродействия (с временем преобразования порядка несколько сот наносекунд).

В АЦП непосредственного считывания(параллельного типа) (рис. 5.15) входной сигнал одновременно прикладывается ко входам всех КН, число m которых определяется разрядностью АЦП и равно m = 2 n - 1, где n - число разрядов АЦП. В каждом КН сигнал сравнивается с опорным напряжением, соответствующем весу определенного разряда и снимаемым с узлов резисторного делителя, питаемого от ИОН.

Выходные сигналы КН обрабатываются логическим дешифратором, вырабатывающим параллельный код, являющийся цифровым эквивалентом входного напряжения. Подобные АЦП обладают самым высоким быстродействием. Недостаток таких АЦП заключается в том, что с ростом разрядности количество требуемых элементов практически удваивается, что затрудняет построение многоразрядных АЦП подобного типа. Точность преобразования ограничивается точностью и стабильностью КН и резисторного делителя. Чтобы увеличить разрядность при высоком быстродействии реализуют двухкаскадные АЦП, при этом с выходов второй ступени ДШ снимаются младшие разряды выходного кода, а с выходов ДШ первой ступени - старшие разряды.

АЦП с модуляцией длительности импульса (однотактный интегрирующий)

АЦП характеризуется тем, что уровень входного аналогового сигнала U вх преобразуется в импульс, длительность которого t имп является функцией значения входного сигнала и преобразуется в цифровую форму с помощью подсчета числа периодов опорной частоты, которые укладываются между началом и концом импульса. Выходное напряжение интегратора под действием подклю-

ченного к его входу U оп изменяется от нулевого уровня со скоростью

В момент, когда выходное напряжение интегратора становится равным входному U вх, КН срабатывает, в результате чего заканчивается формирование длительности импульса, в течение которого в счетчиках АЦП происходит подсчет числа периодов опорной частоты. Длительность импульса определяется временем, за которое напряжение U вых изменяется от нулевого уровня до U вх:

Достоинство данного преобразователя заключается в его простоте, а недостатки - в относительно низком быстродействии и низкой точности.

испытание кузов автомобиль надежность

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. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают следующие преобразователи:

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

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

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

По месту в измерительной цепи различают следующие преобразователи:

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

Датчик -- это конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;

Детектор -- это датчик в области измерений ионизирующих излучений;

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

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 преобразователи делятся на генераторные и параметрические.

Генераторные - это такие преобразователи, которые под действием входной величины сами генерируют электрическую энергию (с выходной величиной - напряжение, или ток). Генераторные измерительные преобразователи могут включаться в измерительную цепь, где отсутствует источник энергии. Примерами генераторных измерительных преобразователей являются термоэлектрические и фотоэлектрические измерительные преобразователи.

Параметрические - это такие преобразователи, которые под действием измеряемой величины изменяют значение выходной величины в зависимости от принципа действия (с выходной величиной в виде изменения сопротивления, емкости и в зависимости от значения входной величины), к ним относятся терморезистивные, емкостные измерительные преобразователи.

По физической закономерности, на которой основано действие преобразователя, все измерительные преобразователи можно разделить на следующие группы:

Резистивные;

Тепловые;

Электромагнитные;

Электростатические;

Электрохимические;

Пьезоэлектрические;

Фотоэлектрические;

Электронные;

Квантовые.

Рассмотрим некоторые группы измерительных преобразователей подробнее.

Резистивные измерительные преобразователи в настоящее время являются самыми распространенными. Принцип действия основан на изменении их электрического сопротивления при изменении входной величины.

Рисунок 1. - Схема резистивного измерительного преобразователя

При построении резистивного измерительного преобразователя стремятся к тому, чтобы изменение сопротивления R происходило под действием одной входной величины (реже двух).

К достоинствам данного преобразователя относятся: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Электромагнитные измерительные преобразователи - такие преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и в зависимости от принципа действия бывают параметрическими и генераторными.

К параметрическим относятся преобразователи, в которых преобразуется выходное механическое воздействие в изменение параметров магнитной цепи - магнитной проницаемости, магнитного сопротивления RМ, индуктивность обмотки L.

К генераторным - преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин. Последняя группа - это тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы.

Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор, изменяя положение якоря, изменяя сечение S магнитного потока, поворачивая якорь относительно неподвижной части магнитной цепи, вводя в воздушный зазор пластину из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая 0 и магнитное сопротивление зазора.

Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности называют индуктивными.

Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности М, принято называть трансформаторными.

Рисунок 2 - Схема измерительного преобразователя основанного на изменении магнитного сопротивления

В трансформаторных преобразователях изменение взаимоиндуктивности М можно получить не только при изменении магнитного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток вдоль или поперек магнитной цепи.

Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжимающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость 0 сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника и соответственно к изменению L или М.

Преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов.

Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку, то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная

где - скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки W.

Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то преобразователь имеет естественную входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходная в виде индуктируемой ЭДС. Такие преобразователи называют индукционными.

Пьезоэлектрические преобразователи - принцип действия таких датчиков основан на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Прямой эффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки.

Обратный эффект - в изменении механического напряжения или геометрических размеров образует материала под воздействием электрического поля.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют естественный материал - кварц, турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титанита бария, титанита свинца и цирконата свинца.

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем Кd, устанавливающем зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F, который можно выразить формулой:

Рассмотрим еще один тип измерительного преобразователя тепловые преобразователи.

Их принцип действия основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена) и входной величиной таких датчиков является температура.

Однако они применяются как преобразователи не только температуры, но и таких величин, как тепловой поток, скорость потока газа, влажность, уровень жидкости.

При построении тепловых преобразователей наиболее часто используют такие явления, как возникновение термо-ЭДС, зависимость сопротивления вещества от температуры.

Термопара представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур.

Знак и значение термо-ЭДС в цепи зависят от типа материала и разности температур в местах спаев.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур:

С помощью термопары можно определять температуру.

В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий и их сплавы), а также неблагородные металла (сталь, никель, хром, сплавы нихрома).

Сравнительно редко применяют термопары из кремния и селена (полупроводники), они имеют малую механическую прочность, обладают большим внутренним сопротивлением, хотя и обеспечивают большую термо-ЭДС по сравнению с металлами.

Термо-ЭДС возникает только в спаях разнородных материалов. При сравнении различных материалов в качестве базовой принимают термо-ЭДС платины, по отношению к которой определяют термо-ЭДС других материалов.

Для повышение выходной ЭДС используют последовательное включение термопар, образующее термобатарею.

Достоинства термопар - возможность измерений в большом диапазоне температур; простота устройства; надежность в эксплуатации.

Недостатки - не высокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Терморезисторные преобразователи работают на основе свойства проводника или полупроводника изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Для таких датчиков используют материалы, обладающие высокой стабильностью, высокой воспроизводимостью электрического сопротивления при данной температуре, значительным удельным сопротивлением, стабильностью химических и физических свойств при нагревании, инертностью к воздействию исследуемой среды.

К таким материалам в первую очередь относятся платина, медь, никель, вольфрам. Наиболее распространены платиновые и медные терморезисторы.

Платиновые терморезисторы используют в диапазоне от 0 до 6500 С; от 0 до - 2000 С. Их недостаток - теряет стабильность характеристик, и возрастает хрупкость материала при высоких температурах.

Медные терморезисторы используются в диапазоне температур от 50 до 1800С, они довольно стойки к коррозии, дешевы.

Их недостатки: высокая окисляемость при нагревании, вследствие чего их применяют в сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими размерами и инерционностью. Недостаток - нелинейная зависимость сопротивления от температуры.

Терморезисторы обычно применяют для измерения температуры. При этом нагрузочный ток, проходящий через них должен быть мал. Если этот ток будет велик, то перегрев терморезистора по отношению к окружающей среде может стать значительным. Установившее значение перегрева и соответственно сопротивление при этом будет определяться условиями теплоотдачи поверхности терморезистора.

Рисунок 3 - Общий вид термоэлектрического преобразователя

Если нагретый терморезистор поместить в среду с переменными теплофизическими характеристиками, то появляется возможность измерения ряда физических величин: скорости потока жидкости и газов, плотности газов.

Чувствительность проволочных медных терморезисторов постоянна, а чувствительность платиновых изменяется с изменением температуры. При одинаковых значениях R 0 чувствительность медных терморезисторов выше.

Диапазон измеряемых температур с помощью терморезисторами с платиновыми и медными чувствительными элементами от - 200 до + 1100 0 С.

При измерении высоких температур применяются бесконтактные средства измерений - пирометры, которые измеряют температуру по тепловому излучению. Серийно выпускают пирометры, обеспечивающие измерение температур в диапазоне от 20 до 6000 0 С.

В основе бесконтактного метода измерения температур лежит температурная зависимость излучения абсолютно черного тела, т.е. тела, способного полностью поглощать падающее на него излучение любой длины волны.

1. Каковы устройство, принцип работы и применение:

а) фотоэлектрических преобразователей;

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы делятся на три типа:

1)фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Они представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затемненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток, как следствие термоэлектронной эмиссии и утечки между электродами. При освещении фотокатод под влиянием фотонов света имитирует электроны. Если между анодом и катодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи.

2)фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

Они представляют собой однородную полупроводниковую пластину с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов, остающихся свободными внутри вещества. Появление свободных электронов в материале, например в полупроводнике, эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения.

3)фотогальванические преобразователи.

Данные преобразователи представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС.

Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах - фотодиодном и генераторном (вентильном). Фототранзистор - полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом р - «-переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.

Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические

б) емкостных преобразователей;

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор,емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлек­трической величины. В качестве емкостного преобразователя широко используют плос­кий конденсатор, емкость которого можно выразить формулой C =e0eS/5, где е0- диэлектрическая постоянная воздуха (е0= 8,85 10"12Ф/м;е - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; S-площадь обкладки; 5-расстояние между обкладками)

Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с любым из этих параметров, то устрой­ство емкостных преобразователей может быть самым различным в зависимости от области применения. Для измерения уровней жид­ких и сыпучих тел используют цилиндрические или плоские кон­денсаторы; для измерения малых перемещений, быстроизменяющихся сил и давлений - дифференциальные емкостные преоб­разователи с переменным зазором между обкладками. Рассмотрим принцип использования емкостных преобразователей для изме­рения различных неэлектрических величин.

в) тепловых преобразователей;

Тепловой преобразователь представляет собой проводник илиполупроводник с током, с большим температурным коэффици­ентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Име­ется несколько путей теплообмена: конвекцией; теплопроводнос­тью среды; теплопроводностью самого проводника; излучением.

Интенсивность теплообмена проводника с окружающей сре­дой зависит от следующих факторов: скорости газовой или жид­кой среды; физических свойств среды (плотности, теплопровод­ности, вязкости); температуры среды; геометрических размеров проводника. Эту зависимость температуры проводника, а следова­тельно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно

использовать для измерения различных неэлектрических величин,характеризующих газовую или жидкую среду: температуры, ско­рости, концентрации, плотности (вакуума).

г) ионизационных преобразователей;

Ионизационными преобразователями называют такие преобра­зователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина функ­ционально связана с током электронной и ионной проводимости газовой среды. Поток электронов и ионов получается в ионизационных пре­образователях либо ионизацией газовой среды под воздействием того или иного ионизирующего агента, либо путем термоэлек­тронной эмиссии, либо путем бомбардировки молекул газовой среды электронами и т.д.

Обязательные элементы любого ионизационного преобразова­теля - источник и приемник излучений.

д) реостатных преобразователей;

Реостатный преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. На каркас из изоляционного ма­териала намотана с равномерным ша­гом проволока. Изоляция проволоки на верхней границе каркаса зачищает­ся, и по металлу скользит щетка. До­бавочная щетка скользит по токосъемному кольцу. Обе щетки изоли­рованы от приводного валика. Реостатные преобразователи вы­полняются как с проводом, намотан­ным на каркас, так и реохордного типа. В качестве материала провода применяют нихром, манганин, константан и др. В ответственных случаях, когда требования к износоустойчивости контактных поверхностей очень вели­ки или когда контактные давления очень малы, применяют сплавы платины с иридием, палладием и т.д. Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем оксидов для изоляции соседних витков друг от друга. Движ­ки бывают из двух-трех проволочек (платина с иридием) с кон­тактным давлением 0,003...0,005 Н или пластинчатые (серебро, фосфористая бронза) с усилием 0,05...0,1 Н. Контактная поверх­ность намотанного провода полируется; ширина контактной по­верхности равна двум-трем диаметрам провода. Каркас реостат­ного преобразователя выполняется из текстолита, пластмассы или из алюминия, покрытого изоляционным лаком, или оксидной пленкой. Формы каркасов разнообразные. Реактивное сопротив­ление реостатных преобразователей очень мало и им обычно можно пренебречь на частотах звукового диапазона.

Реостатные преобразователи могут быть использованы для измерения виброускорений и виброперемещений с ограниченным частотным диапазоном.

е) тензорезисторных преобразователей;

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации растяжения или сжатия. Длина проводника / и площадь поперечного сечения S изменяются при его деформациях. Эти деформации кристаллической решетки приводят к изменению удельного сопротивления проводника р и, следовательно, к изменению полного сопротивления

Применение: для измерения деформаций и механических на­пряжений, а также других статических и динамических механи­ческих величин, которые пропорциональны деформации вспомогательного упругого элемента (пружины), например пути, ус­корения, силы, изгибающего или вращающего момента, дав­ления газа или жидкости и т.д. По этим измеряемым величинам можно определить производные величины, например массу (вес), степень заполнения резервуаров и т.д. Проволочные тензорезисторы на бумажной основе, а так­же фольговые и пленочные применяют для измерения относительных деформаций от 0,005... 0,02 до 1,5...2 %. Свободные проволочные тензорезисторы могут быть использованы для измерения деформаций до 6... 10 %. Тензорези­сторы практически безынерционны и применяются в диапазоне частот 0... 100 кГц.

ж) индуктивных преобразователей;

Индуктивные измерительные преобразователи предназначены для преобразования положения (перемещения) в электрический сигнал. Они являются наиболее компактными, помехоустойчивыми, надежными и экономичными измерительными преобразователями при решении задач автоматизации измерения линейных размеров в машино- и приборостроении.

Индуктивный преобразователь состоит из корпуса, в котором на направляющих качения размещен шпиндель, на переднем конце которого расположен измерительный наконечник, а на заднем – якорь. Направляющая защищена от внешних воздействий резиновым манжетом. Связанный со шпинделем якорь находится внутри закрепленной в корпусе катушки. В свою очередь обмотки катушки электрически связаны с кабелем, закрепленным в корпусе и защищенным от перегибов конической пружиной. На свободном конце кабеля имеется разъем, служащий для подключения преобразователя к вторичному прибору. Корпус и шпиндель выполнены из закаленной нержавеющей стали. Переходник, соединяющий якорь со шпинделем состоит из титанового сплава. Пружина, создающая измерительное усилие, отцентрирована, что исключает трение при движении шпинделя. Такая конструкция преобразователя обеспечивает снижение случайной погрешности и вариации показаний до уровня менее 0,1 мкм.

Индуктивные преобразователи широко применяют в основном для измерения линейных и угловых перемещений.

з) магнитоупругих преобразователей;

Магнитоупругие преобразователи являются разновидностью электромагнитных преобразователей. Они основаны на явлении изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений σ, связанных с воздействием на ферромагнитные тела механичес­ких сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручи­вающих). Изменение магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления сер­дечника RM. Изменение же RM ведет к изменению индуктивности катушки L , находящейся на сердечнике. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе имеем следующую цепь преобра­зований:

Р -> σ -> μ -> Rм -> L .

Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки (трансформаторного типа). Под действием силы вследствие изме­нения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и наводимая ЭДС вторичной обмотки Е. Цепь преобразования в этом случае имеет вид

Р -> σ -> μ -> Rм -> М -> Е.

Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных мате­риалов под влиянием механических деформаций называют магнитоупругим эффектом.

Магнитоупругие преобразователи применяют:

Для измерения больших давлений (больше 10 Н/мм2 , или 100 кГ/см2), так как они непосредственно воспринимают давление и не нуждаются в дополнительных преобразователях;

Для измерения силы. В этом случае предел измерения прибора определяется площадью магнитоупругого преобразователя. Дан­ные преобразователи деформируются под действием силы очень незначительно. Так, при l = 50 мм, △l < 10 мкм они имеют высо­кую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не дол­жны превышать 40 Н/мм2 .

и) электролитических преобразователей сопротивления;

Электролитические преобразователи относятся к типу электрохимических преобразователей. В общем случае электрохимический преобразователь представляет собой электролитическую ячей­ку, заполненную раствором с помещенными в нее электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную цепь. Как элемент электрической цепи электролитическая ячейка мо­жет характеризоваться развиваемой ею ЭДС, падением напряжения от проходящего тока, сопротивлением, емкостью и индук­тивностью. Выделяя зависимость между этими электрическими параметрами и измеряемой неэлектрической величиной, а также подавляя действие других факторов, можно создать преобразователи для измерения состава и концентрации жидких и газообразных сред, давлений, перемещений, скорости, ускорения и других величин. Электрические параметры ячейки зависят от состава ра­створа и электродов, химических превращений в ячейке, темпе­ратуры, скорости перемещения раствора и др. Связи между электрическими параметрами электрохимических преобразователей и неэлектрическими величинами определяются законами электро­химии.

Принцип действия электролитических пре­образователей основан на зависимости сопротивления электро­литической ячейки от состава и концентрации электролита, а также от геометрических размеров ячейки. Сопротивление столба жид­кости электролитического преобразователя:

R = ρh/S = k/૪

где ૪= 1/ρ - удельная проводимость электролита; k - постоянная преобразователя, зависящая от соотношения его геометрических размеров, определяемая обычно экспериментально.

• 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.

Краткие сведения из теории

Характерной особенностью современных измерений является необходимость определения значений множества физических величин, значительное число которых является неэлектрическими. Для измерения неэлектрических величин широкое распространение получили электрические средства измерений, что обусловлено рядом их достоинств (высокая точность измерения, высокая чувствительность и быстродействие средств измерении, возможность передачи измерительной информации на большие расстояния и т.д.). Особенностью электрических средств измерений, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) устанавливает однозначную, функциональную зависимость естественной выходной электрической величины Yот естественной входной неэлектрической величины Х. В зависимости от вида выходного сигнала все первичные измерительные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные. В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (сопротивлениеR, индуктивностьL, взаимная индуктивностьMи емкостьC). При использовании параметрических измерительных преобразователей необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя. В генераторных измерительных преобразователях выходной величиной является ЭДС, ток или напряжение, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

По принципу действия параметрические измерительные преобразователи подразделяются на реостатные, терморезистивные, тензорезистивиые, индуктивные, емкостные и ионизационные.

Зависимость выходной величины измерительного преобразователя Yот входной величиныXназывается функцией преобразования и описывается выражениемY=f(X). Часто у преобразователей выходная величинаYзависит не только от входной измеряемой величиныX, но и от внешнего фактораZ. Поэтому в общем виде функцию преобразования можно представить следующей функциональной зависимостью:Y=f(X,Z).

При создании измерительных преобразователей неэлектрических величин стремятся получить линейную функцию преобразования. Для описания линейной функции преобразования достаточно двух параметров: начального значения выходной величины Y 0 (нулевом уровня), соответствующего нулевому или какому-либо другому характерному значению входной величиныX, и показателя относительного наклона функции преобразования

называемого чувствительностью преобразователя. Чувствительность преобразователя?это отношение изменения выходной величины измерительного преобразователя к вызывающему ее изменению входной величины. Как правило, это именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величин. Для реостатного преобразователя, например, единица чувствительности?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.

В этом случае функция преобразования может быть представлена в виде выражения

Важнейшей проблемой при проектировании и использовании преобразователя является обеспечение постоянства чувствительности, которая должна как можно меньше зависеть от значений Х (определяя линейность характеристики преобразования) и частоты их изменений, от времени и воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение (они называются влияющими на результаты измерений величинами).

Однако чувствительность каждого преобразователя постоянна только на определенном участке функции преобразования, который ограничивается, с одной стороны, пределом преобразования, а с другой, – порогом чувствительности.

Предел преобразования данного преобразователя – это максимальное значение входной величины, которое еще может быть им воспринято без искажения и повреждения преобразователя.

Порог чувствительности – это минимальное изменение значения входной величины, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя. Значение порога чувствительности принято определять равным половине полосы неоднозначности функции преобразования при малых значениях входной величины.

При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от значения входной величины.

Измерив значение выходного сигнала Y преобразователя, можно определить тем самым значение входной величины X (рисунок 1). Соотношение Y = = F(X) выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные в основу работы преобразователей. Для всех преобразователей функция преобразования - соотношение Y = F(X) ? в численной форме определяется экспериментально в результате градуировки. В этом случае для ряда точно известных значений X измеряют соответствующие значения Y , что позволяет построить градуировочную кривую (рисунок 1,а ). Из этой кривой для всех полученных в результате измерения значений Y можно найти соответствующие значения искомой величины X (рисунок 1,б ).

а – получение градуировочной кривой по известным значениям измеряемой величины Х;

б ? использование градуировочной кривой для определения Х

Рисунок 1 ? Градуировочные характеристики измерительного преобразователя

Важной характеристикой любого измерительного преобразователя является его основная погрешность, которая может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции или технологии его изготовления и проявляется при нормальных значениях влияющих величин или нахождении их в пределах нормальной области. 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. Структурная схема установки для градуировки реостатного преобразователя представлена на рисунке 2. В качестве средства измерения линейного перемещения (неэлектрической величины) используется линейка, а средства измерения электрической величины – активного сопротивления – цифровой измеритель L,C, RE7-8.

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. При получении графического изображения функции преобразования необходимо воспользоваться рекомендациями, приведенными на рисунке 1,а . Но при этом следует 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 произведено также с погрешностью (рисунок 3). Поскольку определение функции преобразования проводилось путем косвенных измерений, то и оценка ее погрешности должна проводиться как погрешности результата косвенного измерения по формуле

где,?частные производные;?Y,?X– инструментальные погрешности средств измерений.

Рисунок 3 – Определение функции преобразования и ее погрешности

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 величии в электрические характеризуются: номинальной статической характеристикой преобразования, вариацией выходного сигнала, выходным полным сопротивлением, динамическими характеристиками . К важнейшим неметрологическим характеристикам относятся: габариты, масса, удобство монтажа и обслуживания, взрывобезонасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, надежность, стоимость изготовления и т.п. .

Как уже отмечалось, особенностью измерительных приборов, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую. Упрошенная структурная схема электрического прибора прямого преобразования для изменения неэлектрических величин представлена на рисунке 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 (ИП) и индикаторное устройство ИУ. 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 ЭИП градуируют в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Рисунок 4 ? Схема включения первичного измерительного преобразователя

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 предварительные преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические.

При большом числе промежуточных преобразований в приборах непосредственной оценки существенно возрастает суммарная погрешность. Для снижения погрешности применяют дифференциальные измерительные преобразователи (ДИП), которые имеют меньшую аддитивную погрешность, меньшую нелинейность функции преобразования и повышенную чувствительность по сравнению с аналогичными недифференциальными преобразователями.

На рисунке 5 показана структурная схема прибора, включающая в себя дифференциальный измерительный преобразователь (ДИП). Особенность этой схемы заключается в наличии двух каналов преобразования и дифференциального звена ДИП, имеющего один вход и два выхода. При измерении входной величины Xотносительно начального значения Х 0 выходные величины ДИП получают приращения с разными знаками относительно начального значения. Следовательно, при изменении входной величины информативный параметр сигнала одного канала увеличивается, а другого?уменьшается. Выходные величины каналов вычитаются в вычитающем устройстве (ВУ) и образуют выходную величину?Y, которая измеряется электроизмерительным прибором.

В настоящее время для измерения неэлектрических величин находят применение приборы сравнения, позволяющие по сравнению с приборами прямого преобразования получить более высокую точность, большее быстродействие и обеспечить меньшее потребление энергии от объекта исследования. В качестве узлов обратной связи используют обратные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую .

Рисунок 5 – Схема включения дифференциального измерительного преобразователя

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть не только аналоговыми, но и цифровыми .

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)

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, 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.

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. 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.

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 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.

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 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.

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 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

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 + 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.

Допустимое значение тока, протекающего по терморезистору при включении его в измерительную цепь, должно быть таким, чтобы изменение сопротивления терморезистора при нагреве не превышало 0,1 % начального сопротивления.

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

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.

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 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.

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

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.

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 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.

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 кон центрации однозначна и может быть использована для определения с.

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

Рис. 11-11. Лабораторный электролитический преобразователь

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. 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, 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).

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, которыемогут 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.

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)

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).

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 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.).

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.

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.