13.2. Измерительные преобразователи и приборы, в которых они применяются

Классификация и характеристики. В зависимости от вида выходного сигнала все измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические делятся на параметрические и генераторные.

В параметрических преобразователях выходная величина является параметром электрической цепи таким, как сопротивление R, собственная индуктивность L, взаимная индуктивность M или емкость C. При использовании параметрических преобразователей всегда необходим дополнительный источник электрической энергии (для образования выходного сигнала преобразователя).

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд. При их использовании вспомогательные источники применяются только для усиления полученного сигнала.

К важнейшим метрологическим характеристикам преобразователей относятся:

- номинальная статическая характеристика преобразования – функциональная зависимость между измеряемой неэлектрической и преобразованной электрической величинами (обычно стремятся иметь линейную характеристику преобразования, однако используют преобразователи и с квадратичной, логарифмической и другими зависимостями);

- чувствительность преобразователя – имеет размерность, зависящую от природы измеряемой и преобразованной величин (например, для термопары размерность чувствительности – мВ/град);

- основная погрешность – находится при определенных значениях внешних воздействий и определяется принципом действия преобразователя, несовершенством конструкции и технологии его изготовления и т. д.;

- дополнительные погрешности – появляются от влияния на характеристику преобразования изменений различных факторов (температуры, внешних электрических и магнитных полей, вибраций и др.);

- динамические погрешности, обусловленные инерционностью преобразователей и необходимостью затрат времени на само преобразование;

- полное выходное сопротивление преобразователя и др.

Далее будут рассмотрены наиболее часто применяемые измерительные преобразователи.

Параметрические преобразователи. Среди параметрических преобразователей наиболее широкое применение получили реостатные, тензочувствительные (тензометрические), термочувствительные, индуктивные и емкостные преобразователи.

В реостатных преобразователях под влиянием перемещения, вызванного воздействием измеряемой неэлектрической величины, происходит изменение величины электрического сопротивления. Конструктивно они выполняются в виде реостата (каркас с нанесенной на него проволочной обмоткой), подвижный контакт (движок) которого в зависимости от формы совершает угловое или линейное перемещение. В результате между подвижным контактом и любым из зажимов обмотки изменяются значения сопротивлений, измеряемые, как правило, с помощью мостовых схем.

Статическая характеристика преобразования реостатных преобразователей имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка. Это вызывает появление погрешности измерения. Если применить реохордный преобразователь, в котором подвижный контакт скользит вдоль оси проволоки, то указанная погрешность будет отсутствовать.

Основными недостатками реостатных преобразователей являются наличие скользящего контакта, необходимость сравнительно больших перемещений и значительных усилий для перемещения. Однако простота конструкции и возможность получения больших выходных сигналов делают их весьма удобными при измерении относительно больших угловых или линейных перемещений, а также других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (давления, усилия и т. п.).

Принцип работы тензочувствительных преобразователей (тензорезисторов) основан на использовании явления тензоэффекта – изменении электрического сопротивления проводника (полупроводника) при его механической деформации. Относительное изменение сопротивления ΔR/R линейно зависит от относительной деформации Δl/l проволоки:

,

где S – коэффициент тензочувствительности. Для константана S = 1,9 ÷ 2,1, для манганина – в три-четыре раза меньше. Размеры преобразователей зависят от их назначения и колеблются в широких пределах.

Тензочувствительные преобразователи изготавливаются из проволоки, фольги или напылением в вакууме тензочувствительной пленки (проволочные, фольговые и пленочные соответственно). Наиболее широкое распространение получили преобразователи из константановой проволоки диаметром 0,02 – 0,05 мм, поскольку они имеют малый температурный коэффициент сопротивления и достаточно высокое удельное сопротивление. Проволока зигзагообразно укладывается и приклеивается на подложку из целлофана или тонкой бумаги с помощью пленки лака или клея. После этого готовый преобразователь закрепляют (наклеивают) на поверхности испытуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпало с продольной осью подложки.

Основными достоинствами проволочных преобразователей являются простота конструкции, линейность статической характеристики преобразования, малые габариты и масса, недостатками – влияние температуры окружающей среды (устраняется путем применения методов термокомпенсации) и низкая чувствительность.

Если для измерений необходима высокая чувствительность тензорезистора, то его изготавливают из полупроводникового материала (коэффициент S таких преобразователей составляет несколько сотен). Однако полупроводниковые преобразователи имеют большой разброс характеристик.

Тензочувствительные преобразователи применяются в приборах для измерения давлений (манометрах), деформаций, усилий, моментов и т. п.

В термочувствительных преобразователях (терморезисторах) используется зависимость электрического сопротивления проводников (или полупроводников) от температуры. Между терморезистором и окружающей средой в процессе измерения происходит теплообмен вследствие теплопроводности самого терморезистора и окружающей среды, конвекции в ней и излучения. Интенсивность теплообмена, а значит и температура терморезистора зависят от температуры и скорости перемещения среды, от состава, теплопроводности, плотности и других физических свойств среды, от геометрических размеров и формы терморезистора и защитного устройства, в котором он размещен. Таким образом, температура терморезистора, а значит и его сопротивление могут быть использованы для измерения различных неэлектрических параметров, характеризующих газовую или жидкую среду. При этом измерительное устройство должно быть сконструировано так, чтобы его выходная величина однозначно определялась измеряемой.

По режиму работы различают терморезисторы перегревные и без преднамеренного перегрева. В первых электрический ток вызывает перегрев, зависящий от различных свойств среды, которые и являются объектами измерения. Во вторых протекающий ток практически не вызывает перегрева, поэтому температуру терморезистора определяет температура окружающей среды. Такие преобразователи применяют для измерения температуры.

Области применения термочувствительных преобразователей:

1. Измерение температуры окружающей среды.

В приборах для измерения температуры (термометрах сопротивления) наиболее широкое применение получили платиновые (для измерения температуры в диапазоне от – 260 до + 1100 ⁰С) и медные (в диапазоне от – 200 до + 200 ⁰С) терморезисторы.

Аналитическая зависимость сопротивления от температуры для медного преобразователя имеет вид:

,

где R₀ – сопротивление при температуре 0 ⁰С (стандартные значения 10, 50, 53 и 100 Ом), α = 4,26 ∙ 10^-3 К^-1 – температурный коэффициент меди.

Для платинового терморезистора имеют место две зависимости:

для отрицательных температур

,

для положительных

,

где R₀ – сопротивление при температуре 0 ⁰С (стандартные значения 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом), a = 3,97∙10^-3 К^-1, b = –5,85∙10^-7 К^-2, c = – 4,22∙10^-12 К^-4.

Конструктивное выполнение преобразователей зависит от области применения, диапазона измеряемых температур и т. д. В платиновых терморезисторах применяется проволока без изоляции, которая наматывается на каркас из слюдяных пластин, в медных терморезисторах – изолированная эмалью или шелком проволока, наматываемая на пластмассовый каркас. Еще один вариант конструкции: две или четыре секции платиновой спирали (электрически соединенные последовательно) помещаются в каналы керамической трубки, которые засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющего роль электрической изоляции и механического фиксатора спирали. Снаружи для крепления выводов и герметизации керамическая трубка заливается глазурью и для защиты от внешних воздействий помещается в специальную арматуру.

Кроме проводниковых для измерения температуры применяются также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов. Их достоинствами являются высокая чувствительность (при 20 ⁰С температурный коэффициент сопротивления у термисторов в 10 – 15 раз больше, чем у меди и платины) и большие сопротивления (до 1 МОм) при малых размерах, недостатками – плохая воспроизводимость характеристик, узкий диапазон температур (от – 60 до + 120 ⁰С) и нелинейность характеристики преобразования (экспонента). Кроме того, в диапазоне от – 80 до + 150 ⁰С применяют термодиоды и термотранзисторы, в которых используется зависимость сопротивления p – n -перехода от температуры. Как и у термисторов, их основными достоинствами являются высокая чувствительность и малые размеры, они мало инерционны, надежны в эксплуатации и дешевы. Недостатки – узкий температурный диапазон и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразования.

2. Измерение скорости газового потока.

В приборах для измерения скорости газового потока (термоанемометрах) применяются перегревные терморезисторы, температура которых при помещении в газовый поток зависит от скорости потока (теплообмен регулируется скоростью газового потока, создающего принудительную конвекцию). Термоанемометры позволяют измерять скорость потока до 1 м/с с высокой чувствительностью и быстродействием.

3. Измерение степени разряженности.

В приборах для измерения степени разряженности (вакуумметрах) используется зависимость теплопроводности газа от давления при большом разряжении. При низких давлениях теплопроводность газа зависит от числа молекул в единице объема (степени разряженности). Таким образом, при изменении степени разряженности будет меняться теплопроводность среды, а значит и температура терморезистора, измеряя которую (например, с помощью термопары) можно судить о степени разряженности среды (газа). Для измерения используются металлические или полупроводниковые терморезисторы, заключаемые в специальный стеклянный или металлический сосуд, сообщающийся с исследуемой средой.

4. Анализ состава газовых смесей.

При анализе состава газовых смесей с помощью приборов, называемых газоанализаторами, используют зависимость теплопроводности газовой смеси от ее состава. При постоянстве теплопроводностей компонентов в смеси двух газов, не вступающих друг с другом в реакцию, теплопроводность смеси однозначно зависит от процентного содержания одного из компонентов. Измерение теплопроводности осуществляется перегревным платиновым терморезистором, помещаемым в камеру с анализируемой смесью. Для исключения влияния температуры окружающей среды в схему измерения добавляется компенсационный терморезистор, находящийся в специальной камере с постоянным по составу газом. Рабочий и компенсационный терморезисторы включают в соседние плечи мостовой схемы и этим осуществляют термокомпенсацию.

Емкостные преобразователи реализуют зависимость электрической емкости C конденсатора от площади S обкладок, расстояния d между ними и относительной диэлектрической проницаемости среды ε, в которой они находятся:

, (13.1)

где ε₀ – электрическая постоянная.

Зависимость C = f₁(d) используется для измерения малых перемещений (до 1 мм). Простейшая конструкция – одна подвижная и одна неподвижная пластины, расстояние между которыми (и соответственно емкость) изменяется под действием измеряемой величины. Если подвижную пластину поместить между двумя неподвижными, то получим конструкцию дифференциального преобразователя, являющуюся более чувствительной. Перемещение подвижной пластины (под действием измеряемой величины) приводит к одновременному увеличению одной, образованной подвижной и одной из неподвижных пластин емкости и уменьшению другой емкости, образованной подвижной и второй неподвижной пластинами. Такие преобразователи, как правило, включают в мостовые измерительные схемы. Недостатком приведенных конструкций преобразователей является в соответствии с (13.1) нелинейность зависимости C = f₁(d).

Меньшей чувствительностью обладают преобразователи, в которых реализуется зависимость C = f₂(S), поэтому преобразователи с переменной активной площадью пластин применяются для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм), а также угловых перемещений. Их достоинством является линейность зависимости C = f₂(S) (см. выражение (13.1)).

Зависимость C = f₃(ε) используется в измерителях уровней жидкости (уровнемерах), а также для определения влажности или толщины диэлектрических изделий. Так, например, если в сосуд с жидкостью поместить два электрода, то при изменении уровня жидкости будет меняться общая (воздух плюс жидкость) диэлектрическая проницаемость среды между электродами, а значит и емкость устройства. При измерении влажности или толщины изделий из диэлектрика между электродами помещается диэлектрик в виде ленты или пластины. Емкость образовавшегося конденсатора с двойным слоем (воздух и испытуемый диэлектрик) будет равна

, (13.2)

где d – расстояние между электродами конденсатора, d_д и ε_д – толщина и диэлектрическая проницаемость испытуемого диэлектрика соответственно. Из выражения (13.2) следует, что при неизменных для данного устройства S и d емкость C при ε_д = const зависит от толщины d_д, а при d_д = const – от диэлектрической проницаемости ε_д, т. е. в первом случае по величине емкости можно контролировать толщину диэлектрика, во втором – его влажность.

Основными достоинствами емкостных преобразователей являются высокая чувствительность (реагируют на перемещения порядка 10^-7 мм), простота конструкции и малая инерционность. Однако они подвержены влиянию внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры и влажности окружающей среды. Для уменьшения этих влияний необходимо применять экранирование преобразователя, соединительных и подводящих проводов, выбирать точку заземления измерительной цепи, термостатировать преобразователь и т. д. Кроме того, для питания цепей с емкостными преобразователями, как правило, используют источники высокой частоты (до десятков МГц), что уменьшает шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Индуктивные преобразователи используют зависимость собственной или взаимной индуктивностей обмоток на магнитопроводе от взаимного положения, геометрических размеров и магнитного состояния отдельных элементов конструкции.

Из электротехники известно, что собственная индуктивность L обмотки на магнитопроводе связана с числом витков w обмотки и магнитным сопротивлением Z_m магнитопровода соотношением

, (13.3)

а взаимная индуктивность двух обмоток (с числом витков w₁ и w₂) на одном магнитопроводе –

. (13.4)

В (13.3) и (13.4) магнитное сопротивление

. (13.5)

При этом активная составляющая магнитного сопротивления

, (13.6)

где l_i, S_i, μ_i – длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость различных участков магнитопровода соответственно, μ₀ – магнитная постоянная, δ и S – соответственно длина и площадь поперечного сечения воздушного участка магнитной цепи.

Реактивная составляющая магнитного сопротивления

. (13.7)

Здесь P – потери мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи, Φ – магнитный поток в магнитопроводе, ω – угловая частота.

Соотношения (13.3) – (13.7) показывают, что собственную и взаимную индуктивности преобразователя можно менять, изменяя длину δ или сечение S воздушного участка магнитной цепи, потери мощности P в магнитопроводе и т. д.

В простейшем индуктивном преобразователе изменение длины воздушного зазора осуществляется перемещением подвижного сердечника (якоря) относительно неподвижного. Такой преобразователь имеет высокую чувствительность и применяется при перемещениях якоря в пределах от 0,01 до 5 мм, однако, зависимость L = f (δ) носит нелинейный характер. При перемещении якоря в направлении, перпендикулярном предыдущему случаю, будет меняться площадь поперечного сечения воздушного промежутка. В этом случае преобразователь будет иметь меньшую чувствительность (измеряемые перемещения – в переделах 10–15 мм), но линейную характеристику преобразования L = f (S).

Большую чувствительность имеют дифференциальные индуктивные преобразователи, в которых якорь помещен между двумя неподвижными сердечниками с обмотками. При перемещении якоря под воздействием измеряемой величины индуктивность одной обмотки будет возрастать, а другой уменьшаться. Такие преобразователи применяются в сочетании с мостовыми измерительными схемами.

Преобразователи с незамкнутой магнитной цепью применяются для измерения сравнительно больших перемещений (порядка 50 – 100 мм).

Для измерения угла поворота используют трансформаторные преобразователи, состоящие из неподвижного статора и подвижного ротора с обмотками. Статор питается переменным током, тогда поворот ротора вызовет изменение значения и угла фазового сдвига наводимой в его обмотке ЭДС.

В магнитоупругих преобразователях ферромагнитный сердечник подвергается механическому воздействию, что влечет за собой изменения магнитной проницаемости μ материала магнитопровода, магнитного сопротивления цепи и, соответственно, собственной или взаимной индуктивностей обмоток.

Таким образом, областью применения индуктивных преобразователей является измерение перемещений, а также других, связанных с перемещением, неэлектрических величин (усилий, давлений и т. п.).

Индуктивные преобразователи просты и надежны в эксплуатации, а также имеют достаточно мощный выходной сигнал в сравнении с другими преобразователями. Их недостатками являются инерционность и влияние преобразователя на исследуемый объект.

Генераторные преобразователи. Наиболее широкое применение среди генераторных преобразователей нашли термоэлектрические, индукционные и пьезоэлектрические.

Термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на термоэлектрическом эффекте, применяются для измерения температуры. Этот эффект заключается в следующем: в замкнутой цепи из разнородных проводников, образующих термопару, при разных температурах точек соединения возникает термо-ЭДС Если температуру одной точки соединения поддерживать постоянной, то термо-ЭДС будет пропорциональна температуре другой точки соединения материалов. Эта зависимость и положена в основу работы термоэлектрического преобразователя.

У термопары один конец соединен (рабочий конец), другой – разъединен. Если рабочий конец поместить в точку измерения температуры, то на образовавшихся свободных концах появится термо-ЭДС, однозначно определяемая температурой рабочего конца (при неизменности температуры свободных концов). Величину термо-ЭДС можно измерить, например, с помощью магнитоэлектрического милливольтметра.

Для изготовления термопар используют специальные сплавы: платинородий (10 % родия) – платина, платинородий (30 % родия) – платинородий (6 % родия), хромель (90 % никеля + 10 % хрома) – копель (56 % меди + 44 % никеля), вольфрамрений (5 % рения) – вольфрамрений (20 % рения) и др.

Термоэлектрические преобразователи обладают достаточно высокой чувствительностью, но существенной инерционностью (от пяти секунд у самых быстродействующих до нескольких минут).

Градуировку термоэлектрических термометров – приборов, использующих термопары для измерения температуры, производят при температуре свободных концов 0 ⁰С. Поскольку при практическом применении этих термометров температура свободных концов обычно отлична от 0 ⁰С, то необходимо вводить поправку.

Индукционные преобразователи основаны на действии закона электромагнитной индукции, в соответствии с которым при изменении потокосцепления, сцепленного с контуром проводников, в последнем наводится ЭДС, величина которой равна

,

где e - величина индуцированной ЭДС, w – число витков контура (катушки), - скорость изменения магнитного потока, сцепленного с контуром.

Реализация данного принципа действия может осуществляться двумя путями:

а) индуцированная ЭДС наводится в катушке благодаря линейным или угловым перемещениям самой катушки в зазоре постоянного магнита;

б) ЭДС наводится в неподвижной катушке при механическом модулировании магнитного потока постоянного магнита, которое осуществляется, например, изменением воздушного зазора в цепи магнитопровода.

Основная область применения индукционных преобразователей – измерение скорости линейных и угловых перемещений. Главным образом их используют в приборах для измерения скорости вращения (тахометрах) и параметров вибраций (акселерометрах). Если выходной сигнал индукционного преобразователя проинтегрировать электрическим интегрирующим устройством, то полученный сигнал будет пропорционален линейному или угловому перемещению. Если выходной сигнал преобразователя продифференцировать с помощью электрического дифференциального устройства, то полученный сигнал будет пропорционален линейному или угловому ускорению. Таким образом, индукционные преобразователи могут быть также использованы для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений.

Индукционные преобразователи надежны в работе и обладают высокой чувствительностью при сравнительной простоте конструкции. Основной недостаток – ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, возникающего в некоторых кристаллических диэлектриках (кварц, титанат бария, сегнетовая соль и др.), называемых пьезоэлектриками, и заключающегося в появлении электрического заряда на поверхности этих материалов под влиянием механических напряжений.

Из пьезоэлектриков в измерительной технике чаще всего применяют кварц, в котором пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и хорошими электроизоляционными характеристиками, а также с незначительным влиянием температуры в довольно широких пределах. Кварцевые преобразователи вырезают в виде призм или пластин из монокристалла с учетом его строения и направления главных осей кристалла: электрической, вдоль которой возникает продольный пьезоэффект, механической, вдоль которой возникает поперечный пьезоэффект, и оптической, механическое воздействие вдоль которой не вызывает появления заряда.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения быстро меняющихся усилий, давлений, вибраций и т. п. Это связано с утечкой заряда через сопротивление изоляции и входную цепь измерительного прибора. Вследствие этого пьезоэлектрические преобразователи не используют для статических измерений, а приборы, измеряющие разность потенциалов на преобразователях, должны иметь большое входное сопротивление (порядка 10¹² – 10¹⁵ Ом).

Для измерения температур с высокой точностью применяются кварцевые термочувствительные преобразователи. При включении такого преобразователя в резонансный контур частота генерируемых электрических колебаний определяется собственной резонансной частотой механических колебаний пьезочувствительной пластины (обратный пьезоэлектрический эффект), которая может изменится, например, под воздействием температуры и, соответственно, изменит частоту генерируемых электрических колебаний. Измеряя частоту колебаний, пропорциональную температуре, можно измерить температуру. Это осуществляется в приборах, называемых кварцевыми термометрами. Чувствительность кварцевых термопреобразователей весьма высока и достигает 200 – 1000 Гц/К, что позволяет измерять температуру в диапазоне 0 – 100 ⁰С с погрешность 0,05 – 0,005 ⁰С. Рабочий диапазон температур кварцевых термометров составляет от – 260 до + 500 ⁰С, хотя указанную наименьшую погрешность они имеют лишь в диапазоне 0 – 100 ⁰С.

Высокая точность кварцевых термометров связана с высокой стабильностью параметров преобразователя и высокими метрологическими характеристиками измерителей частоты. Недостатком является ограниченная взаимозаменяемость, обусловленная разбросом параметров пьезочувствительных пластин.