Лекция 9. Измерения неэлектрических величин электрическими методами.
ПЛАН :
Преобразователи неэлектрических величин в электрические.
А) Параметрические преобразователи.
Б) Генераторные преобразователи.
2. Бесконтактные измерители температуры (пирометры).
9.1. Преобразователи неэлектрических величин в электрические.
О количестве и разнообразии физических величин, подлежащих измерению в процессе производства и научных исследований можно судить по тому факту, что система единиц СИ включает в себя 7 основных, 2 дополнительные и 113 производных единиц, в том числе пространства и времени 6, механических 14, электрических и магнитных 40, тепловых 11, световых 15, акустических 14, ионизирующих излучений 2, молекулярной физики и физической химии 11.
Характерной особенностью современных измерений является то, что не только электрические и магнитные, но и большинство неэлектрических величин измеряются электрическими методами, т.е. путем предварительного преобразования неэлектрической величины в электрическую. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:
- электрические величины удобно передавать на расстояние с высокой скоростью;
- электрические величины универсальны в том смысле. Что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
- электрические величины точно и быстро преобразуются в цифровой код;
- электрические измерения позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
Уже в настоящее время измерения физических величин – это массовый процесс, причем основную его долю (более 90 %) составляют измерения неэлектрических величин. Эта тенденция сохранится и будет развиваться и в будущем. Измерительные преобразователи неэлектрических величин делятся на параметрические и генераторные. В параметрических преобразователях выходной величиной является приращение параметра электрической цепи (R, L, C и др.). В генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС, ток или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.
А) Параметрические измерительные преобразователи
неэлектрических величин.
При создании параметрических преобразователей стремятся получить линейную функцию преобразования. Погрешность нелинейности является одной из главных составляющих результирующей погрешности при измерениях неэлектрических величин.
Эффективным способом уменьшения погрешности нелинейности параметрических преобразователей является их дифференциальное построение. При этом преобразователь состоит из двух аналогичных устройств, выходные величины которых вычитаются, а входная величина действует на них противоположным образом. При этом происходит компенсация систематических погрешностей и практически вдвое возрастает чувствительность. Рассмотрим кратко основные типы используемых параметрических преобразователей неэлектрических величин.
Реостатные преобразователи. Параметрические преобразователи, выходной величиной которых является электрическое сопротивление, называются резистивными.
В том случае, когда входной величиной является перемещение, используют реостатные преобразователи, в которых движок реостата перемещается в соответствии со значением измеряемой величины, совершая поступательной или вращательное движение. Преобразователь состоит из обмотки, намотанной на каркас, и подвижной щетки. Форма каркаса зависит от характера преобразуемого перемещения (линейное, угловое) и от вида необходимой функции преобразования (линейная или нелинейная).
Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы).
Принцип их действия основан на изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности
k = e R / e l , где
e R = D R / R - относительное изменение сопротивления резистора;
e l = D l / l - относительное изменение линейного размера резистора.
Широко используются наклеиваемые тензопреобразователи, представляющие собой тонкую зигзагообразную проволоку, приклеенную к бумажной полоске. Преобразователь («тензодатчик») наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью решетки. В них применяется проволока диаметром 0,02 – 0,05 мм из константана, имеющего коэффициент k = 1,9 – 2,1. Существенно более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые тензорезисторы из кристаллов кремния или германия, имеющие k = 50 – 200.
Для измерения выходной величины (сопротивления) чаще всего применяют мостовые схемы.
Термопреобразователи сопротивлений (терморезисторы).
Принцип действия терморезисторов основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Наиболее точными (в том числе и образцовыми) преобразователями температуры, обладающими высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик, являются платиновые терморезисторы, которые применяются для измерения температуры в пределах от –260 до + 1100 0 С. Их недостатком являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования.
Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры, но их конечный предел измерения температуры составляет 180 0 С вследствие легкой окисляемости меди при высоких температурах. Находят применение также никелевые термометры сопротивления. При измерениях до температур 1800 0 С предполагается использовать вольфрам, платинородий, иридий и их сплавы. При измерениях низких температур находят применение свинцовые, индиевые, германиевые и угольные терморезисторы, а также новые типы сплавов и композиционных материалов.
Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) обладают более высокой чувствительностью, но они имеют отрицательный ТКС, значение которого при 20 0 С на порядок больше, чем у меди и платины. Термисторы имеют нелинейную (экспоненциально убывающую) функцию преобразования, что является их недостатком, наряду с плохой воспроизводимостью характеристик (от одного экземпляра к другому), не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве. В то же время термисторы широко применяются для измерения температуры в пределах от -100 до + 180 0 С.
Погрешность измерений с помощью термисторов определяется их саморазогревом при протекании тока. Однако этот эффект может быть использован для измерения других физических величин. Например, широко распространены приборы для измерения вакуума, основанные на снижении теплопроводности газа при уменьшении давления, а следовательно, и снижении теплоотдачи терморезистора и повышении его температуры при снижении давления окружающей среды.
Для стандартных терморезисторов имеются градуировочные таблицы (ГОСТ 6651-78) и установленные нормы на допустимые отклонения градуировочных характеристик.
Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Емкостные преобразователи обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц). Они просты по конструкции, имеют высокую чувствительность и относительно малую инерционность. К их недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности.
Преобразователи ионизирующих излучений (ИИ).
В зависимости от вида ИИ различают оптоэлектрические и ионизационные преобразователи. Оптоэлектрический преобразователь содержит источник оптического излучения видимого, УФ или ИК диапазона, некоторый оптический канал и фотоприемник, воспринимающий поток оптического излучения и преобразующий его в электрическую величину. ИИ может непосредственно воздействовать на источник оптического излучения или на параметры пропускания оптического канала
В ионизационных преобразователях используются различные виды ИИ :
a, b или g - излучения радиоактивных изотопов, реже - нейтронное или рентгеновское излучения. Приемниками ИИ служат ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики. Ионизационные преобразователи служат для измерения интенсивности ИИ, прошедших через различные слои вещества, например, детали различной толщины. Ослабление потока ИИ служит мерой толщины вещества, его перемещения, концентрации примесей в нем и т.д. Высокая проникающая способность ИИ делает их в ряде случаев незаменимым средством для осуществления бесконтактных измерений (например, в агрессивных и взрывоопасных средах). Их существенный недостаток - необходимость применения биологической защиты от ИИ.
Б) Генераторные преобразователи неэлектрических величин.
Как отмечалось выше, в генераторных преобразователях (ГП) выходной величиной является ЭДС, ток или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной.
Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под действием механических напряжений. Выходная их мощность мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с возможно большим входным сопротивлением (не менее 10 11 Ом).
Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, сцепленного с катушкой. Они применяются для измерения скорости линейных и угловых перемещений (в виброметрах и акселерометрах), являются простыми по конструкции, надежными в работе, но имеют ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.
Термоэлектрические преобразователи (термопары) основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников ( или полупроводников), течет ток. если места спаев проводников имеют различные температуры. Электроизмерительный прибор обычно подключается в свободный конец термопары .
Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от - 200 о С до
+ 2200 о С. Наибольшее распространение для изготовления термопар получили материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель, копель (ГОСТ 6616-74).
9.2. БЕСКОНТАКТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ (ПИРОМЕТРЫ).
Рассмотренные выше измерители температуры (термисторы, термопары и др.) относятся к контактным методам. Общим их недостатком является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких температурах и агрессивных средах.
От этих недостатков свободны бесконтактные методы измерения температуры, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел.
Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени и приходящееся на единичный диапазон длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность излучения и называется спектральной светимостью или интенсивностью монохроматического излучения. Интеграл от спектральной светимости по всем длинам волн от нуля до бесконечности дает интегральную интенсивность излучения.
Законы теплового излучения определены совершенно точно лишь для так называемого абсолютно черного тела (АЧТ), т.е. тела, полностью поглощающего весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения АЧТ равен единице и не зависит от длины волны излучения.
Интенсивность излучения АЧТ выше, чем всех остальных («нечерных» тел при той же температуре. Его свойства не зависят от природы вещества АЧТ и определяются лишь температурой стенок согласно закону Стефана-Больцмана :
S * » s Т 4 , (9.1)
где S * - интегральная интенсивность излучения,
s - постоянный коэффициент.
Приборы для измерения температуры, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел, называются пирометрами. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0 С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность S излучения реального объекта. На рис. 9.1-а схематически показано устройство такого пирометра.
Рис. 9.1. П и р о м е т р ы .
Излучение исследуемого тела 1 через диафрагмы направляется в объектив 2 телескопа , внутри которого расположена термобатарея из последовательно включенных термопар 3 . Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытой платиновой чернью (ее свойства приближаются к свойствам АЧТ). Для защиты глаза при наводке телескопа предусмотрен светофильтр 4, расположенный перед окуляром 5.
Яркостные (оптические) пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя. (Яркость есть плотность потока излучения, исходящего от поверхности в направлении, перпендикулярном к этой поверхности).
В яркостном пирометре, схема которого приведена на рис. 9.1-б, яркость исследуемого тела сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы 4, встроенной в телескоп с объективом 2 и окуляром 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело 1 и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости.
Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или иным способом), добиваются одинаковой яркости изображений нити и исследуемого объекта : при равенстве яркостей нить не видна. Тогда напряжение накала нити характеризует температуру нагретого тела.
Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные.
Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей областях спектра. Расчет температуры проводится с использованием формулы Планка для зависимости спектральной плотности излучения АЧТ от длины волны:
r (l, Т) = с 1 l -5 ехр (- с 2 / l T) (9.2)
Формула (9.2) приближенная, но ее погрешность для области видимых лучей и температур до 2600 0 С не превышает 1 %.
Приложение 1
СТАРИННЫЕ ВНЕСИСТЕМНЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ