5 Динамическая характеристика измеритель­ного прибора.

Динамические характеристики измеряемых устройств. Режим работы

измерительного устройства, при котором значения выходного и входного

сигналов изменяются во времени, называют динамическими

(нестационарными или неравновесными).

Практически все измерительного устройства имеют в своем составе

инерционные элементы, а именно: подвижные механические узлы,

электрические и пневматические емкости, индуктивности, элементы,

обладающие тепловой инерцией и т.д. Наличие инерционных элементов

определяет инерционность всего измерительного устройства. Это приводит к

тому, что в динамическом режиме мгновенное значение выходного сигнала

измерительного устройства зависит не только от мгновенного значения

входного сигнала, но и от любых изменений этого сигнала, т.е. от его первой и

второй производных и производных более высокого порядка. Указанные

инерционные свойства измерительных устройств определяются динамической

характеристикой.

Динамическая характеристика измерительного устройства в общем

случае это зависимость между информационными параметрами выходного и

входного сигналов и временем или зависимость выходного сигнала от входного

в динамическом режиме.

Динамическую характеристику измерительного устройства принято

описывать дифференциальным уравнением, передаточной или комплексной

частотной функциями.

6. Погрешности измерений. Систематическая и инструментальные погрешности. Погрешности установки. Субъективные погрешности. Погрешности метода. Периодические погрешности. Промахи. Случайные погрешности.

Погрешность — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности условно можно разделить на погрешности средств измерения и погрешности результата измерений. Погрешности   средств   измерения   были   рассмотрены в главе 3. Погрешность результата измерения — это число, указывающее возможные границы неопределенности значения измеряемой величины. Ниже будет дана классификация и рассмотрены погрешности результата измерений. По способу числового выражения различают абсолютные и относительные погрешности. В зависимости от источника возникновения погрешности бывают инструментальные, методические, отсчитывания и установки.  По закономерностям проявления погрешности измерений делят на систематические, прогрессирующие, случайные и грубые.

Инструментальными (приборными или аппаратурными) погрешностями называются такие, которые принадлежат данному средству измерений, могут быть определены при его испытаниях и занесены в его паспорт. Эти погрешности обусловлены конструктивными и технологическими недостатками средств измерений, а также следствием их износа, старения или  неисправности.

Систематическая погрешность измерений Dс — составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины [2, 3].         Причины возникновения систематических погрешностей обычно могут быть установлены при подготовке и проведении измерений. Эти причины весьма разнообразны: несовершенство используемых средств и методов измерений, неправильная установка средства измерений, влияние внешних факторов (влияющих величин) на параметры средств измерений и на сам объект измерения, недостатки метода измерения (методические погрешности), индивидуальные особенности оператора (субъективные погрешности) и др. [7]. По характеру проявления систематические погрешности делятся на постоянные и переменные. К постоянным относятся, например, погрешности, обусловленные неточностью подгонки значения меры, неправильной градуировкой шкалы прибора, неправильной установкой прибора относительно направления магнитных полей и т.д. Переменные систематические погрешности обусловлены воздействием на процесс измерения влияющих величин и могут возникнуть, например, при изменении напряжения источника питания прибора, внешних магнитных полей, частоты измеряемого переменного напряжения и пр. Основная особенность систематических погрешностей состоит в том, что зависимость их от влияющих величин подчиняется определенному закону. Этот закон может быть изучен, а результат измерения - уточнен путем внесения поправок, если числовые значения этих погрешностей определены. Другим способом уменьшения влияния систематический погрешностей является применение таких методов измерения, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без определения их значений (например, метод замещения).

Погрешность   установки   вызывается отклонением условий измерения от нормальных, т.е. условий, при которых производилась градуировка и поверка средств измерений. Сюда относится, например, погрешность от неправильной установки прибора в пространстве или его указателя на нулевую отметку, от изменения температуры, напряжения питания и других влияющих величин. Рассмотренные виды погрешностей в равной степени пригодны для характеристики точности как отдельных результатов измерений, так и средств измерений.

Случайная погрешность измерения  — составляющая погрешности измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Значение и знак случайных погрешностей определить невозможно, они не поддаются непосредственному учету вследствие их хаотического изменения, обусловленного одновременным воздействием на результат измерения различных независимых друг от друга факторов. Обнаруживаются случайные погрешности при многократных измерениях одной и той же величины (отдельные измерения в этом случае называются наблюдением) одними и теми же средствами измерения в одинаковых условиях одним и тем же наблюдателем, т.е. при равноточных (равнорассеянных) измерениях. Влияние случайных погрешностей на результат измерения учитывается методами математической статистики и теории вероятности.

Грубые погрешности измерений(промахи) - случайные погрешности измерений, существенно превышающие ожидаемые при данных условиях погрешности.                 Грубые погрешности (промахи) обычно обусловлены неправильным отсчетом по прибору, ошибкой при записи наблюдений, наличием сильно влияющей величины, неисправностью средств измерений и другими причинами. Как правило, результаты измерений, содержащие грубые погрешности, не принимаются во внимание, поэтому грубые погрешности мало влияют на точность измерения. Обнаружить  промах бывает не всегда легко, особенно при единичном измерении; часто трудно бывает отличить грубую погрешность от большой по значению случайной погрешности. Если грубые погрешности встречаются часто, мы поставим под сомнение все результаты измерений. Поэтому грубые погрешности влияют на годность измерений.

Погрешность результата измерения (англ. error of a measurement) – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Субъективная погрешность измерения – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора. Примечания:

• Встречаются операторы, которые систематически опаздывают (или опережают) снимать отсчеты показаний средств измерений.

• Иногда субъективную погрешность называют личной погрешностью или личной разностью.

Погрешность метода измерений (англ. error of method) – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений. Примечания:

• Вследствие упрощений, принятых в уравнениях для измерений, нередко возникают существенные погрешности, для компенсации действия которых следует вводить поправки. Погрешность метода иногда называют теоретической погрешностью.

• Иногда погрешность метода может проявляться как случайная.

Периодические погрешности - погрешности, значение которых является периодической функцией времени или перемещения указателя измерительного прибора

7. Основные понятия о контроле. Измерительный контроль, технологический контроль, допусковый контроль. Контроль качества продукции. Основные понятия об испытаниях. Его отличие от технического контроля. Измерение и оценивание качества. Показатели качества и физические величины. Комплексные показатели качества. Методы определения показателей качества. Роль измерений испытаний и контроля в повышении качества продукции.

Контроль качества продукции – контроль качественных и (или) количественных характеристик свойств продукции

Измерительный контроль – контроль, осуществляемый с применением средств измерения. При измерительном контроле различают

метод количественной оценки параметров (применяются измеритель-

ные приборы и инструменты – шкальные, стрелочные, цифровые и

др.) и метод качественной оценки параметров (применяются показы-

вающие приборы и инструменты – дефектоскопы, рентгеноаппара-

тура, стилоскопы, шаблоны, калибры, электропробники и др.), отве-

чающие принципу “да” – “нет”, “проход” – “непроход”, “в допуске”

– “не в допуске”. Измерительный контроль подразделяется на виды

в зависимости от метода измерения (например, механический, пнев-

матический, электрический и др.). Видом измерительного контроля

является допусковый контроль.

Допусковый контроль – контроль, устанавливающий факт нахожде-

ния действительного значения параметра относительно его предельно

допустимых значений без измерения значения параметра.

.

Технический осмотр – контроль, осуществляемый при помощи орга-

нов чувств и, в случае необходимости, средств контроля, номенклатура

которых установлена соответствующей документацией. При техничес-

ком осмотре даже без применения каких-либо средств контроля не ис-

ключается получение количественно выраженной информации относи-

тельно признаков объекта контроля. Поэтому технический осмотр не

всегда сводится к органолептическому контролю даже в случае отсут-

ствия применения средств контроля.

Контроль качества изделий – это контроль количественных и качествен-

ных свойств (контролируемых признаков). Контроль качества должен быть

организован так, чтобы обеспечивать активное вмешательство в производ-

ственный процесс (т. е. осуществлять управление качеством)

Испытанием называется экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него при его функционировании, а также моделировании объекта и (или) воздействий (ГОСТ 16504-91). Экспериментальное определение характеристик свойств объекта при испытаниях может проводиться путем использования измерений, оценивания и контроля. Объектом испытаний является продукция или процессы ее производства и функционирования. В зависимости от вида продукции и программы испытаний объектом может быть как единичное изделие, так и их партия. Объектом испытания может также быть макет или модель изделия. Важнейшими признаками любых испытаний являются: • принятие на основе их результатов определенных решении по объекту испытаний, например о его годности или забраковке, о возможности предъявления на следующие испытания и т.д.; • задание требуемых реальных или моделируемых условий испытаний. Под условиями испытаний понимается совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. В нормативно-технических документах на испытания конкретных объектов должны быть определены нормальные условия испытаний.

Измерение - экспериментальная метрологическая деятельность, направленная на количественное определение значения физической величины

22 билет . Пьезоэлектрические преобразователи. Прямой и обратный пьезоэффект, пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические преобразователи — это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или плёнках и преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот.

Исходя из физического принципа действия все пьезоэлекрические преобразователи делятся на три группы^[1][2]:

1. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов^[1][2][3].

2. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики^[1][2][3].

3. Преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты - пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др^[1][3][4].

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.

За рубежом лидерами в данной области техники являются: PCB Piezotronik JNG, Endevco Corporation, DYTRAN, Sanstard Date contrl - (США), Erich Broza, Rheometron - (Германия), Flopetron, C.F.V. LTD - (Франция), Mullard Ltd, Merles, Motoroia JNG, AVL - (Великобритания), Kistler Instrument AG, Vibro-meter - (Швейцария), Hans List –(Австрия), Bruel & Kjaer (Дания)^[5].

Ведущими предприятиями в России по разработке и выпуску пьезоэлектрических преобразователей и датчиков являются НИИ Физических измерений г. Пенза, ЦНИИМАШ г. Королев,НКТБ Пьезоприбор ЮФУ, ООО "Пьезоэлектрик" г. Ростов-на-Дону, ЗАО "Виброприбор", ООО "Актив-Термокуб" г.Екатеринбург, г. Санкт-Петербург^[5].

АО "Морион" Санкт-Петербург.

Прямой и обратный пьезоэффект Пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.

Пьезоэлектрические вещества всегда обладают одновременно и прямым, и обратным пьезоэффектом. Не обязательно, чтобы вещество было монокристаллом, эффект наблюдается и в поликристаллических вещества, предварительно поляризованных сильным электрическим полем во время кристаллизации, или при фазовом переходе в точке температуры Кюри при охлаждении для сегнетоэлектриков (например, керамические пьезоэлектрические материалы на основе цирконата-титаната свинца) при наложенном внешнем электрическом поле.

Прямой эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году^[1]. Обратный эффект был предугадан в 1881 году Липпманом исходя из термодинамических соображений. В том же году экспериментально открыт братьями Кюри.

Пьезоэффект нельзя путать с электрострикцией. В отличие от электрострикции, прямой пьезоэффект наблюдается только в кристаллах безцентра симметрии. Хотя в классе 432 кубической сингонии нет центра симметрии, пьезоэлектричество в нём также невозможно. Следовательно, пьезоэффект может наблюдаться у диэлектрических кристаллов, принадлежащих только к одному из 20 классов точечных групп.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ - вещества с ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектрический эффект). Пьезоэлектрическими материалами являются некоторые монокристаллы (кварц, дигидрофосфаты калия и аммония, сульфат лития), а также поликристаллические твердые растворы после поляризации в электрическом поле (пьезокерамика).

Пьезоэлектрические материалы

        кристаллические вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектричество), применяемые для изготовления электромеханических преобразователей: пьезоэлектрических резонаторов, пьезоэлектрических датчиков (См.Пьезоэлектрический датчик), излучателей и приёмников звука и др. Основными характеристиками П. м. являются: 1) коэффициент электромеханической связи   , где d — пьезомодуль, Е — модуль упругости, ε — Диэлектрическая проницаемость (в анизотропных П. м. все эти и нижеследующие величины — тензорные); 2) величина k²Itgδ, определяющая кпд преобразователя (δ — угол диэлектрических потерь); 3) отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрического поля в нём; определяется величиной (dE)²; 4)   и  с_зв — скорость звука в П. м.). В табл. приведены характеристики некоторых наиболее распространённых П. м. К П. м. в зависимости от назначения предъявляются специальные требования: высокая механическая и электрическая прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т.д.

        

23. Оптические преобразователи: источники и приёмники оптического излучения. Ионизационные преобразователи: источники и приёмники ионизирующего излучения. Ионизационная камера, полупроводниковый и сцинтилляционный детектор

Оптические преобразователи: источники и приёмники оптического излучения. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ - устройства, предназначенные для обнаружения или измерения оптического излучения и основанные на преобразовании энергии излучения в др. виды энергии (тепловую, механическую, электрическую и т. д.), более удобные для непосредств. измерения. Они реагируют на интенсивность излучения, усреднённую по мн. периодам колебаний светового поля, т. к. время релаксации приёмника, независимо от того, на каком принципе он основан, определяется процессами переноса и релаксации, к-рые происходят за время, много большее периода колебания светового поля.

Разнообразие типов П. о. и. определяется многочисленностью способов преобразования энергии и невозможностью создать П. о. и., одинаково чувствительные во всём оптич. диапазоне. По принципу действия П. о. и. делятся на следующие группы: тепловые (термоэлементы, пироэлектрич. приёмники, болометры, оп-тико-акустнч. приёмники), фотонные, или фотоэлектрические (фотоэлементы, фотоумножители, вентильные фотоэлементы, фотодиоды, фототриоды, приёмники на эффекте увлечения), пондеро моторные, фотохимические, а также глаза живых существ. По спектральному диапазону чувствительности П. о. и. разделяют на неселективные, чувствительность к-рых не зависит от длины, волны падающего излучения в широком диапазоне, и селективные, чувствительность к-рых ограничена определ. участком спектра. Различают также одноэлементные и многоэлементные, неохлаждаемые и охлаждаемые П. о. и.

Параметры приёмников оптического излучения. Свойства и возможности П. о. и. разл. типов характеризуют следующими параметрами. По роговая чувствительность - мин. поток излучения, вызывающий на выходе приёмника сигнал, равный напряжению собств. шумов или превышающий их в заданное число раз. Шумами наз. хаотич. сигналы со случайными амплитудами и частотами, возникающими в цепи включения приёмника при отсутствии измеряемого потока излучения. Т. к. мощность шумов приёмника зависит от площади чувствит. площадки приёмника и существенна в полосе частот усилителя сигнала, то для сравнения разл. приёмников служит пороговая величина потока излучения, отнесённая к единичной полосе пропускания (1 Гц), единичной площади  и измеряемая в Вт/Гп  На практике используют обратную величину, измеряемую в см · Гц Вт и называемую обнаружите львов способностью. Эта характеристика, будучи независимой от размера чувствит. площадки, удобна для сравнения разл. типов приёмников.

Интегральная чувствительность (коэф. преобразования) - отношение сигнала на выходе приёмника (тока или напряжения) к величине мощности оптич. излучения сложного спектрального состава, вызвавшего появление этого сигнала; измеряется в А/Вт, В/Вт. В ряде случаев интегральная чувствительность выражается как отношение сигнала приёмника к значению освещённости его входного окна; измеряется в А/лм, В/лм.

Постоянная времени - время, за к-рое сигнал на выходе приёмника нарастает от нуля до значения, равного 0,63 от стационарного значения. Этот параметр служит мерой способности П. о. и. регистрировать оптич. сигналы мин. длительности, а также определяет максимально возможную частоту модуляции потока излучения, регистрация к-рого происходит ещё без искажения.

Спектральная чувствительность характеризует реакцию приёмника при действии на него монохроматич. (с длиной волны l) потока излучения. Область спектральной чувствительности охватывает такой диапазон длин волн около данной конкретной l, в к-ром чувствительность П. о. и. составляет не менее 10% своего макс. значения. Относит. спектральная чувствительность - зависимость отношения монохроматич. спектральной чувствительности к спектральной чувствительности в максимуме кривой спектральной чувствительности.

П. о. и. обладают и частотной характеристикой - зависимостью чувствительности приёмника от частоты модуляции падающего на него излучения. Вид этой характеристики определяется постоянной времени и видом модуляции.

Ионизационные преобразователи: источники и приёмники ионизирующего излучения ПРИЕМНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Назначение приемников излучения состоит в преобразовании энергии ядерного излучения в электрическую энергию. Приемники излучения основаны или на явлении ионизации газов при прохождении через них ядерного излучения или люминесценции некоторых веществ под действием  ядерного излучения.  В качестве приемников используются:  Ионизационные камеры (явление ионизации)  Газоразрядные счетчики (явление ионизации)  Сцинтилляционные счетчики (явление люминесценции) Ионизационные камеры. В ионизационной камере, заполненной газовой средой, находятся два электрода, к которым подводится напряжение. Газовая среда ионизируется под действием ядерного излучения, цепь между электродами замыкается и появляется ток. Ионизационная камера, полупроводниковый и сцинтилляционный детектор  Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Схема прибора представлена на рис. 2. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением

i = nq/t,

где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд каждого иона, а t – время, необходимое для того, чтобы собрать ионы. Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой

E = nk,

где n – число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ (1 эВ есть энергия, которую приобретает электрон, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.) Образование ионных пар – случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n порядка  . Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности. .

Основное требование к чувствительному веществу ионизационных приборов состоит в том, чтобы ионы, создаваемые излучением, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Твердотельными аналогами ионизационной камеры являются полупроводниковые детекторы. Подобный прибор с p – n-переходом показан на рис. 3. Для создания перехода в полупроводник (обычно кристалл германия или кремния, по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками) вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и «дырки»), движение которых и создает ток. Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом – 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры. Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.

Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам, которые тоже представляют собой полупроводниковые приборы с p – n-переходом. Однако их конструкция имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией. Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.

Еще один тип полупроводникового детектора – литий-дрейфовый детектор с p – i – n-переходом – изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.

24. Электрохимические преобразователи: принцип действия, разновидности. Схемы включения и компенсации температурной погрешности кондуктометрических преобразователей. Гальванические преобразователи: функция преобразования, водородный рН-метр. Термоэлектрические преобразователи: материалы для термопар, градуировки. Устройство для автоматической поправки на температуру свободных концов. Преобразователи Холла

Электрохимические преобразователи: принцип действия, разновидности Электрохимические преобразователи Электролитические (кондуктометрические) преобразователи. Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) электропроводность возрастает. При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы; при этом количество носителей и электропроводность раствора возрастают. При малых концентрациях электролита, когда Рис 15 количество ионов мало, увеличение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации с в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается (рис. 15). Электролитический преобразователь (рис 15) представляет собой два электрода 1, погруженные в раствор 2. Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователя R обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита: R = k/y Коэффициент называется постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением. Гальванические преобразователи. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может

Схемы включения и компенсации температурной погрешности кондуктометрических преобразователей.,????????

Гальванические преобразователи: функция преобразования, водородный рН-метр. Гальванические преобразователи

основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от концентрации ионов в

электролите и окислительно-восстановительных процессов, происходящих на

электродах. Наиболее широко гальванические преобразователи используется в

качестве преобразователей рН-метров - приборов для измерения активности

(концентрации) водородных ионов. Свойства различных растворов

(нейтральных, кислых, щелочных) зависят от концентрации в них водородных

ионов. В дистиллированной воде происходит диссоциация части молекул на

ионы водорода Н+ и ионы гидроксила ОН- по схеме Н2О = Н+ +ОН-.

Это объясняет наличие слабой проводимости у дистиллированной воды

При равновесии процессов диссоциации и восстановления молекул воды из

ионов остается постоянным так называемое ионное произведение аОН, ан+ , где

ан+ и аОН соответственно концентрации ионов Н+ и ОН-. Ионное произведение

при одинаковой температуре постоянно не только для чистой воды, но и для

любых водных растворов кислот, оснований и солей. Установлено, что при

22 °С его значение равно 10-14 (моль/л)2. В чистой воде или в нейтральном

растворе число ионов Н+ и ОН- одинаково, следовательно, аОН- = аН+ = 10-7

моль/л

Если в воде растворить кислоту, то ионов Н+ станет больше, а ионов

ОН- меньше, но ионное произведение не изменится. При растворении в воде

щелочи увеличивается концентрация ионов ОН- и соответственно уменьшается

концентрация ионов Н+. Таким образом, концентрация водородных ионов

позволяет характеризовать любые растворы: кислые, нейтральные, щелочные.

В качестве численной характеристики используют водородный показатель рН;

pH==-lg аН+ .

Диапазон изменения рН водных растворов обычно составляет 0 - 14 ед.

Наиболее точный и универсальный метод измерения рН основан на

определении потенциалов различных электродов, помещаемых в исследуемый

раствор. Следовательно, гальванические преобразователи, являющиеся

датчиками рН-метров, в качестве естественной входной величины имеют

концентрацию водородных ионов, выражаемую в единицах рН, а в качестве

выходной величины - разность потенциалов электродов. Гальванический

преобразователь состоит из двух полуэлементов: измерительного электрода,

помещенного в исследуемый раствор, и вспомогательного полуэлемента,

электродный потенциал которого должен оставаться постоянным.

На рисунке 16.16 показан гальванический преобразователь, состоящий

из двух водородных полуэлементов. Водородный электрод можно создать,

воспользовавшись свойством водорода адсорбироваться на поверхности

платины, иридия или 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. Один из водородных электродов

(измерительный) помещается в исследуемый раствор 1, который при помощи

электролитического ключа 2 соединяется с нормальным водородным

полуэлементом (вспомогательным) 3, содержащим электролит с активностью

водородных ионов а(Н+)2=1 моль/л. ЭДС между электродами вычисляется по

формуле (16.11) и равна

( )

E = (RT F ) ln a (H + )1 a (OH − )2 , (16.11)

где R=8,3144 Дж/(мольּК) - универсальная газовая постоянная;

Т- абсолютная температура;

F ==9,6485ּ104 Кл/моль - постоянная Фарадея.

С учетом того, что ln a (H + )1 = -рН, получим (16.12)

E=-2,302ּRּTּpH/F, (16.12)

Таким образом, ЭДС между водородными электродами

пропорциональна значению рН. Для температуры 18 °С ЭДС равна

E = -0,058pH

Водородный электрод обеспечивает наиболее высокую точность из-

мерения рН, однако его недостатком является необходимость непрерывной

подачи газообразного водорода. Поэтому в промышленных измерениях в

качестве вспомогательного электрода чаще применяются каломельный и

хлорсеребряный полуэлементы, а в качестве измерительного - хингидронный,

сурьмяный и (особенно часто) стеклянный.

Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно

производиться таким образом, чтобы через преобразователь не проходил ток,

вызывающий погрешности от поляризации электродов и падения напряжения

на внутреннем сопротивлении преобразователя, которое при использовании

стеклянных электродов составляет 107-109 Ом. Указанное требование делает

необходимым применение электрометрических усилителей или

компенсационных измерительных приборов. Следует также учитывать, что

измерение рН с помощью гальванических преобразователей требует введения

поправки на температуру.

Термоэлектрические преобразователи: материалы для термопар, градуировки.  Принцип  работы  термопары  основан  на  термоэлектрическом  эффекте, который заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух  разнородных проводников возникает термо ЭДС (напряжение), если места  спаев  проводников имеют различные температуры. Если  взять  замкнутый  контур,  состоящий  из разнородных проводников (термоэлектродов),  то  на  их   спаях   возникнет термо ЭДС E(t) и E(tо), которые зависят от температур этих спаев t и t0.  Так  как рассмотренные термо ЭДС оказываются включенными встречно, то  результирующая  термоЭДС, действующая в контуре, будет определяться как E(t) - E(t0).

      В случае равенства температуры обоих  спаев результирующая  термо ЭДС  будет равна нулю. На практике один из спаев термопары погружается в термостат (как правило тающий лед) и относительно его определяется разность температур и температура другого спая. Спай, который погружается в контролируемую (исследуемую) среду,  называют  рабочим  концом термопары, а второй спай (в термостате) - свободным.

      У любых пар однородных проводников величина  результирующей  термо ЭДС  не зависит от распределения температуры вдоль проводников, а  зависит только от природы проводников и от температуры спаев.  Если термоэлектрический  контур  разомкнуть в каком либо месте  и   включить  в  него разнородные проводники, то при условии, что все  появившиеся  при  этом  места  соединений находятся  при   одинаковой   температуре, результирующая   термо ЭДС  в  контуре,  не  изменится.  Это  явление используется  для  измерения величины термоЭДС термопары. Возникающая в термопарах ЭДС  невелика:  она меньше 8 мВ на каждые 100 °С  и,  как правило,  не  превышает  по  абсолютной величине 70 мВ.

      С помощью термопар можно измерять температуры в интервале от -270  до  2200°С. Для измерения температур до 1100 0С используют  термопары  из

неблагородных металлов, для измерения температуры в пределах 1100 до 1600 °С  -  термопары из благородных металлов, а также сплавов платиновой группы. Для  измерения еще более высоких температур служат термопары  из  жаростойких  сплавов на  основе вольфрама.

       В настоящее время наиболее часто   для   изготовления   термопар используют платину, платинородий, хромель, алюмель.

       При  измерении   температуры   в   широком   интервале необходимо учитывать нелинейность функции  преобразования  термопары. Например,  функция  преобразования  медь - константановых   термопар   для диапазона температуры от -200 до 300 °С с погрешностью, примерно, ±  2  мкВ  описывается формулой

                              E = At^2 + Bt + C,

где A, B и C - постоянные, которые определяются путем измерения  термо ЭДС  при  трех температурах, t - температура рабочего спая при °С.

      Постоянная времени (инерционность) термоэлектрических преобразователей зависит  от конструкции термопары, качества теплового контакта рабочего спая термопары и исследуемого объекта. Для  промышленных  термопар  постоянная времени находится на уровне нескольких минут.   Однако   существуют и малоинерционные термопары, у которых постоянная времени  лежит  в пределах 5 - 20 секунд и даже ниже.

      Измерительный  прибор подключается к контуру термопары в  свободный  конец  термопары  и  в  один  из  термоэлектродов.

      Как отмечено выше, при измерении температуры свободный конец  термопары должны находиться при постоянной  температуре.  Если длины самой термопары недостаточно, то чтобы отвести этот конец в зону с  постоянной температурой,  применяют  провода,  которые состоят  из  двух   жил, изготовленных    из    материалов (металлов) имеющих     одинаковые термоэлектрические свойства с электродами термометра.

       Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие   провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды. Для  термопар  из  благородных  металлов удлиняющие провода выполняются из других (не дорогих) материалов,  развивающих  в  паре между собой в интервале температур  0  -  150  °С  ту  же  термо ЭДС,  что  и электроды термопары. Например, для термопары платина -  платинородий удлинительные термоэлектроды  делают из  меди  и  специального  сплава,  которые образуют термопару,  идентичную  по   термо ЭДС   термопаре   платина-платинородий   в интервале 0  -  150  °С.  Для  термопары  хромель - алюмель  удлинительные термоэлектроды изготавливают  из  меди  и  константана,  а  для  термопары хромель  -  копель  удлинительными  могут быть  основные  термоэлектроды, выполненные  в  виде   гибких   проводов.   Если   неправильно  подключить удлинительные термоэлектроды, то может возникать существенная погрешность.

      В  лабораторных  условиях  температура  свободного   конца   термопары поддерживается равной 0 °С путем помещения его в  сосуд  Дьюара,  наполненный истолченным  льдом  с  водой.  В   промышленных   условиях   температура свободных концов термопары обычно отличается от 0°С и как правило равна комнатной температуре(температуре в помещении).  Так  как  градуировка термопар осуществляется при  температуре  свободных  концов  0 °С и таблицы градуировки приводятся относительно 0 °С,  то  это отличие может явиться источником существенной  погрешности;  для  уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания  термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов  термопары, так и значение измеряемой  температуры  (это  связано  с  тем,  что  функция преобразования  термопары  нелинейна);  это  затрудняет   точную   коррекцию погрешности.

      Для  устранения  погрешности  широко  применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов  термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из  плеч которого является медный терморезистор, а остальные плечи образованы  манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной  0 °С, мост находится в равновесии; при  отклонении  температуры  свободных  концов термопары от 0  °С напряжение на выходе моста не равно нулю и  складывается  с термо ЭДС термопары, при этом внося поправку в показания  прибора  (значение  поправки можно регулировать  специальным  резистором).  Вследствие   нелинейности   функции преобразования термопары полной компенсации погрешности  не  удается добиться,  но указанная погрешность существенно уменьшается.

   На практике при использовании термопары чаще всего применяются следующие схемы подключения (в зависимости от необходимой точности). Для примера взята термопара медь (М) - константан (К):

   А) схема, при которой свободный конец 1  находится при постоянной температуре (тающий лед, 0°С). Термо ЭДС образуется за счет разницы температур рабочего 2 и свободного спаев.

  В) в этой схеме температура свободного конца, можно считать, равна температуре помещения и относительно ее рассчитывается (корректируется) температура в области рабочего 2 спая. В этом случае термо ЭДС в термопаре образуется за счет разности температур рабочего спая и температуры помещения.

   Для измерения термо ЭДС используют вольтметры с высокоомным входом или другого типа гальванометры.

   Для определения температуры используют градуировочные таблицы, которые построены для условия, что свободный конец термопары находится при нуле градусов Цельсия. Градуировочные таблицы для термопары хромель-алюмель и др. представлены на странице таблицы ТХА

Устройство для автоматической поправки на температуру свободных концов. Автоматическая компенсация температуры свободных концов термопары осуществляется следующим путем. Если температура t0 свободных концов термопары изменилась ( допустим, увеличилась), то при неизменной температуре t рабочего конца движок реохорда не должен перемещаться. При увеличении t0 увеличивается e ( t0) и возрастает & UCB, так как сопротивление м выполняется, как уже отмечалось, из меди или никеля. [1]

Для компенсации температуры свободных концов термопар в радиационных пирометрах применяются компенсирующие устройства. В основном применяются два метода компенсации температуры свободных концов термобатарей. По первому методу шунтируют термобатарею сопротивлением из никелевой или медной проволоки. По этому методу компенсация осуществляется до температуры 100 С. По второму методу компенсация осуществляется перекрытием части потока лучей биметаллическими пластинами. Этим способом достигается компенсация до 200 С. Компенсирующие устройства вмонтированы в телескоп радиационного пирометра и находятся при температуре, равной температуре свободных концов термобатареи

Преобразователи Холла

Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Свойства[править | править исходный текст]

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле  течёт электрический ток под действием напряжённости  . Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости^[1] будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов   не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Скорость электронов   можно выразить через плотность тока:

где   — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент   пропорциональности между   и   называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам), в сильных полях наблюдается положительный знак  , что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Аномальный эффект Холла[править | править исходный текст]

Случай появления напряжения (электрического поля) в образце, перпендикулярного направлению пропускаемого через образец тока, наблюдающегося в отсутствие приложенного постоянного магнитного поля (то есть явление, полностью аналогичное эффекту Холла, но наблюдающееся без внешнего постоянного магнитного поля), называется аномальным эффектом Холла.

Необходимым условием для наблюдения аномального эффекта Холла является нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе. Например, аномальный эффект Холла может наблюдаться в образцах с намагниченностью^[2].

Квантовый эффект Холла[править | править исходный текст]

Основная статья: Квантовый эффект Холла

В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квазидвумерном электронном газе) в системе начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к появлению квантового эффекта Холла: квантованию холловского сопротивления. В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый эффект Холла[править | править исходный текст]

Основная статья: Спиновый эффект Холла

В случае отсутствия магнитного поля в немагнитных проводниках может наблюдаться отклонение носителей тока с противоположными направлениями спинов в разные стороны перпендикулярно электрическому полю. Это явление, получившее название спинового эффекта Холла, было теоретически предсказано Дьяконовым и Перелем в 1971 году. Говорят о внешнем и внутреннем спиновых эффектах. Первый из них связан со спин-зависимым рассеянием, а второй — со спин-орбитальным взаимодействием.

Магнетосопротивление[править | править исходный текст]

Основная статья: Магнетосопротивление

Эдвин Холл проводил опыты в надежде обнаружить возрастание сопротивления проводника в магнитном поле, но в слабых полях не зарегистрировал его. Также оно не следует изтеории металлов Друде, расчёты по которой приводились выше. Однако при более строгих расчётах и в сильных полях магнетосопротивление проявляется достаточно хорошо.

Применение[править | править исходный текст]

Датчик Холла, используемый для измерения силы тока в проводнике. В отличие от трансформатора тока, измеряет также и постоянный ток.

Эффект Холла, в некоторых случаях, позволяет определить тип носителей заряда (электронный или дырочный) в металле или полупроводнике, что делает его достаточно хорошим методом исследования свойств полупроводников.

На основе эффекта Холла работают датчики Холла: приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли ДПР (датчика положения ротора). ДПР реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном ДПТ.

Также на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей.

25. Измерительные цепи: генераторных и параметрических преобразователей. Измерительные схемы. Основные разновидности применяемых измерительных схем

Измерительные цепи: генераторных и параметрических преобразователей