2.1.7 Перетворювачі неелектричних величин. Тензоперетворювачі.

Сучасні технології стають все більш складними і вимагають вимірювання великої кількості різних фізич­них величин. Різко зростають вимоги до точності, чут­ливості та інших метрологічних характеристик засобів вимірювання.

Вимірювання електричних величин є однією з найбільш розвинутих галузей вимірювальної техніки, де створені засоби вимірювання з високими метрологічними характеристиками. Крім того, електричні засоби вимірю­вання добре узгоджуються із засобами автоматизації, комп'ютерними пристроями, засобами телекомунікації. Зважаючи на все це, доцільно вимірювати неелектричні величини, перелік яких постійно зростає, електричними засобами вимірювання, оскільки тут уже створено відповідну базу.

Для вимірювання неелектричних величин електрични­ми засобами вимірювання необхідно мати вимірювальні перетворювачі неелектричних величин в електричні. Здебільшого неелектричні величини перетворюють у частоту, напругу або струм.

Вимірювальні перетворювачі (датчики) неелектричних величин в електричні поділяються на параметричні і генераторні.

У параметричних вимірювальних перетворювачах неелектрична величина перетворюється на параметр електричного кола: опір, ємність, індуктивність, взаємну індуктивність. Здебільшого параметричний ви­мірювальний перетворювач вмикається в мостову схему вимірювання.

У генераторних вимірювальних перетворювачах неелектрична величина перетворюється в частоту, на­пругу, струм.

Розглянемо перетворювачі, які найчастіше застосову­ються на практиці.

Рис. 2.1.7.7 Тензоперетворювач (Терморезистор)

Принцип роботи тензорезистора ґрунтується на тензо- ефекті, який полягає в зміні опору провідника або напівпровідника під дією механічної напруги і дефор­мації. Під дією механічної сили виникає деформація тен­зорезистора, яка спричинює зміну його опору:

ΔR/R=S*Δl/l

де Δl/l — відносна деформація тензорезистора; ΔR/R — відносна зміна опору тензорезистора; S — коефіцієнт тензочутливості, який залежить від геометричних розмірів тензорезистора і матеріалу, з якого його виго­товлено.

Конструкція тензорезистора наведена на рисунку 10.1. Тензорезистор 1 виготовляють з константанового дроту діаметром 0,02...0,05 мм, зигзагоподібно викладають, при­клеюють до смужки паперу 2 і з'єднують з вимірювальною схемою за допомогою виводів 3. Тензорезистор наклеюють на поверхню досліджуваної деталі таким чином, щоб напрямок деформації збігався з напрямком поздовжньої осі тензоперетворювача.

Зміст

2.1.8 Терморезистивний, індуктивний та ємнісний перетворювачі.

Терморезистивний перетворювач (терморезистор).

Опір провідників і напівпровідників, як відомо, залежить від температури, і це явище використовується ДЛЯ вимірювання температури. Терморезистивний перетворювач виготовляється з платинового або мідного провідника. Часто застосовують також напівпровідникові терморезистори (термістори). Залежність опору металевого теp

морезистора від температури, як правило, виражають лінійною функцією:

R(t)=R0(1+αt)

де R0 — опір терморезистора при 0 °С; а температурний коефіцієнт опору (ТКО), значення якого для міді дорівнює αcu=4,2810~3К_1, а для платини αРt;=3,91 10~3К_1.

Залежність опору напівпровідникового резистора (термістора) від температури апроксимують виразом

R(T)=Aexp(B/T)

де R(Т) — опір термістора при температурі Т; А, В — сталі, значення яких залежать від напівпровідникового матеріалу і технології виготовлення.

На рисунку 2.1.8.1 показано структуру приладу для вимірювання температури.

Рис. 2.1.8.1

Терморезистор Rt увімкнений в одне з плечей мостової схеми. У інші три плеча ввімкнені манганінові резистори R1, R2, R3. Резистор Rо призначений для врівноважування моста при початковій температурі. Резистор Rдод (врівноважувальний) доповнює опір проводів до значення, прийнятого під час градуювання (5 або 150м).

Для встановлення значення опору Rдод у схемі передбачено контрольний резистор Rк, опір якого дорівнює опору терморезистора в контрольній точці шкали. Увімкнувши резистор Rк заміст Rt змінюють Rдод до досягнення контрольної точки.

Індуктивний перетворювач

Принцип дії індуктивного перетворювача ґрунтується на залежності індуктивності Lх або взаємної індуктивності Мх від положення, геометричних розмірів і магнітного стану ділянок магнітного кола. Індуктивність або взаємна індуктивність змінюються, наприклад, від зміни довжини чи поперечного перерізу повітряного зазору в ма- гнітопроводі у результаті переміщення рухомого якоря 1 (Рис. 2.1.8.2) відносно нерухомого осердя 2 або введення електропровідної пластинки 3 у повітряний зазор. Індуктивні перетворювачі застосовують у приладах неруйнівного контролю якості металовиробів: для вимірювання товщини електропровідних і діелектричних покриттів, виявлення дефектів у структурі металу, визначення марки сталі тощо. У цих приладах ділянка деталі, яка підлягає контролю, замикає полюси магнітопроводу.

Рис. 2.1.8.2

зміною контрольованого параметра змінюються магнітні характеристики деталі (магнітна проникність, втрати від вихрових струмів), а отже, магнітний опір магнітопроводу.

Рис. 2.1.8.3

Ємнісні перетворювачі

Принцип дії ємнісного перетворювача ґрунтується на залежності ємності конденсатора від розмірів і взаємного розміщення пластин та від діелектричної проникності матеріалу між пластинами. Як ємнісний перетворювач часто застосовують плоский конденсатор (рис. 2.1.8.3), ємність якого визначається за формулою:

C=εε0S/δ

де δ — відстань між пластинами; S — площа пластин; ε — відносна проникність діелектрика, що знаходиться між пластинами; εо — діелектрична стала, εо=(1/36л)10-9Ф/м.

Ємнісний перетворювач вмикається або у коливальний контур, або у мостову схему. Ємнісні перетворювачі застосовують для вимірювання мікропереміщень, рівнів рідини (рівнемір), неруйнівного контролю якості діелектриків тощо.

Зміст

2.1.9 Реостатний,термоелектричний, індукційний та п’єзоелектричний перетворювачі

Реостатні перетворювачі

Реостатний перетворювач — це точний (прецизійний) реостат, повзунок якого переміщується під дією вимірюваної величини.

Вхідною величиною реостатного перетворювача є лінійне або кутове переміщення рухомого контакта, а вихідною — опір реостата. Реостатні перетворювачі використовуються як лінійні перетворювачі з лінійною залежністю між вхідною і вихідною величинами, а також як нелінійні.

Будову перетворювача показано на рисунку 2.1.9.1

. Він складається з каркасу 1, на який намотаний провід 2, виготовлений з матеріалу з високим питомим опором, і рухомого контакта (повзунка) 3, закріпленого на осі 4.

Рис. 2.1.9.1

Реостатний перетворювач застосовується для вимірювання переміщень, рівня рідини та інших механічних величин.

Термоелектричні перетворювачі

Термоелектричним перетворювачем, або термопарою, називають з'єднання двох провідників, виготовлених з різних матеріалів або сплавів (наприклад, сплав хрому і кобальту). Принцип дії термопари ґрунтується на так званому ефекті Зеєбека, який полягає у тому, що у точці з'єднання (спаї) двох різнорідних провідників виникає електрорушійна сила (термоерс), яка залежить від темпе-ратури і фізичних властивостей цих двох провідників.

Для виготовлення термопар здебільшого застосовують спеціальні сплави хрому (хромель), кобальту (копель), алюмінію (алюмель), платинородієвий сплав, вольфрамо- ренійовий сплав. Один спай термопари (гарячий спай) розміщують безпосередньо на об'єкті, а провідники виводять і приєднують до вторинного вимірювального приладу. ЕРС, створювані термопарами, сягають одиниць мілі-вольт , тому для їх вимірювання доцільно застосовувати такі вимірювальні прилади, як потенціометри постійного струму, цифрові та аналогові мілівольтметри. За допомогою термопар можна вимірювати температуру до тисяч градусів Цельсія.

Термопари застосовують для вимірювання температур у камерах згоряння реактивних двигунів, у металургії та ївших галузях.

Індукційні перетворювачі

Принцип дії індукційного перетворювача ґрунтується на законі електромагнітної індукції, згідно з яким змінне магнітне поле наводить у довільному контурі, що знаходиться в цьому полі, електрорушійну силу, значення якої прямо пропорційне швидкості зміни магнітного поля. На рисунку 2.1.9.2наведено, як приклад, конструкцію індукційного перетворювача швидкості вібрації в електрорушійну силу. Перетворювач складається з магнітопроводу 1, кільцевого магніту 2 і полюсного наконечника 3. Магнітний потік постійного магніту замикається через магнітопровід, кільцевий полюсний наконечник і проходить через повітряний зазор. У циліндричному магнітному зазорі міститься котушка 4, намотана на каркас 6. Котушка з каркасом через вал 5 сполучена з джерелом вібрації.

Вібрація через вал передається на котушку, внаслідок й- чого котушка переміщується в магнітному полі і в ній наводиться ЕРС, пропорційна швидкості вібрації. Наведена ЕРС вимірюється вторинним вимірювальним приладом, м- наприклад цифровим або аналоговим вольтметром.

Рис. 2.1.9.2

П'єзоелектричні перетворювачі

Принцип дії п'єзоелектричних перетворювачів ґрунтується на явищі п'єзоефекту, який полягає у тому, що під дією сили на кристали деяких речовин (наприклад, кристали кварцу) на гранях кристалу виникають електричні заряди. П'єзоелектричні перетворювачі застосовують для вимірювання сили, тиску, звукового тиску, моменту.

Рис. 2.1.9.3

П'єзоелектричний перетворювач — це пластина (Рис. 2.1.9.3), виготовлена з п'єзоелектричного матеріалу, на якій нанесено два ізольовані один від одного електроди. Якщо на п'єзокристал діяти силою Р, то на його гранях з'явиться заряд д, пропорційний силі F:

q=d11F

де d11 — п'єзоелектричний модуль, який залежить від матеріалу і його стану.П'єзокристал разом з електродами утворює конденсатор, ЕРС якого

E=q/C

Отже: E=d11/C*F

Вихідною величиною п'єзоелектричного перетворювача є електрорушійна сила, а вхідною — механічна сила.

Недоліком п'єзоелектричного перетворювача є значні похибки під час вимірювання сталої сили, оскільки заряд, що з'явився на обкладках п'єзокристала, може стікати через вхідний опір вторинного приладу, тому п'єзоелектричні перетворювачі доцільно застосовувати для вимірювання змінної сили

Зміст

Лекція 16 Вимірювання струмів та напруг приладами прямої дії.

2.2.1 Різновидності приладів. Умовні позначення приладів. Схеми ввімкнення.

2.2.2 Вимірювання струмів та напруг приладами прямої дії та компенсаційним методом.

2.2.3 Електронні аналогові та цифрові прилади для вимірювання напруг