книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

э. д. с. зависит от материалов проводников и от разности температур соединенных (/°0) и свободных (А) концов. Два таких спаянных одними концами разнородных про­ водника называют термопарой.

Зависимость э. д. с. термопары от температуры сое­ диненных ее концовпри строго постоянной температуре свободных концов определяется путем градуировки. Если такая зависимость известна, то по измеренному значению э. д. с. термопары молено определить темпера-. туру ее соединенных концов, которые помещаются в исследуемую среду.

Для изготовления термопар могут применяться раз­ нообразные материалы. Выбор их определяется в каждом конкретном случае следующими показателями: механической и химической устойчивостью при высоких температурах; хорошей электропроводимостью; постоян­ ством термоэлектрических свойств; однозначной зависи­ мостью термо-э. д. с. от температур; достаточной чув­ ствительностью термопары. .

Сравнение термочувствительности материалов произ­ водят по образующейся термо-э. д. с. в паре с платиной (принятой за эталон) при температуре свободных кон­ цов, равной 0°С, и при температуре соединенных концов 100 °С.

Для измерения высоких температур (температур расплавленных металлов) применяются термопары из жароупорных материалов: -уголь — карбид кремния (до 1800°С) или лее вольфрам-молибден (до 2 100°С). Вольфрамо-молибденовые термопары обладают чувстви-

60

Тельностыо 8 мкв/ 1°С. Высокие температуры измеряются также с помощью вольфрамо-иридиевых сплавов (до 2 100 °С), имеющих высокую чувствительность 25 мкв/ 1 °С.

Температуры до 1800°С измеряются с помощью тер­ мопар из благородных металлов. Наибольшее примене­ ние среди них находят платино-платинородиевые термо­ пары (до 1 600°С), с чувствительностью 9 мкв/\°С.

Для измерения сравнительно низкихтемператур — до 1000°С используются термопары из черных и цвет­ ных металлов.

Предельные температуры применения термопар за­ висят не только от свойств ее электродов, но и от кон­ струкции приемной части преобразователя (армировки), длительности применения и свойств ■среды, в которой опа работает.

Погрешность измерения температур с помощью тер­ мопар обусловливается в основном изменением темпе­ ратуры свободных концов термопары. От свободных концов термопары термо-э. д. с. подводится к электри­ ческому измерительному прибору посредством соедини­ тельных проводов. Если материалы проводов и соеди­ няемые с ними материалы электродов термопары разно­ родны, то в местах соединения также будет возникать термо-э. д. с., величина которой зависит от температуры среды, окружающей выводы. Термо-э. д. с., наведенная на свободных (холодных) концах термопары, будет алгебраически складываться с основной э. д. с.,' харак­ теризующей измеряемую температуру, и тем самым вно­ сить искажения в измерения.

Уменьшение погрешности термопары за счет измене­ ния температуры свободных концов можно получить, используя специальные термокомпенсирующие мостовые схемы.

Инерционность термопар определяется их конструк­ цией, условиями теплообмена с окружающей средой и свойствами этой среды. Постоянные времени термопар в зависимости от конструкции могут быть от десятка миллисекунд до нескольких сотен секунд.

Для увеличения чувствительности термоэлектрическо­ го преобразователя в нем используется не одна, а не­ сколько включенных электрически последовательно тер­ мопар.

Пьезоэлектрические преобразователи. Некоторые ди­ электрики под действием механических напряжений или

61

деформаций электризуются. ГІри снятии механических усилий или деформаций диэлектрик снова восстанавли­ вает свою электрическую нейтральность. Такие диэлек­ трики называются пьезоэлектриками, а сам эффект воз­ никновения электрических зарядов в диэлектриках при их механической деформации называется пьезоэффектом.

Наиболее существенно пьезоэффект проявляется у турмалина, кварца, сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония, дпгндрофосфата калия и этплеидиаминтетрата. В последнее время получили распространение пьезоэлементы из поляризованной керамики титаната бария и пьезокерамики на основе метаннобатов свинца и ба­ рия. Наиболее широко в качестве пьезоэлементов ис­ пользуются пластинки, вырезанные определенным обра­ зом из кристалла кварца и изготовленные из керамики титаната бария.

Пластинка должна быть вырезана из кристалла та­ ким образом, чтобы при действии силы образующаяся на гранях разность потенци­ алов была пропорциональна величине, упругих напряже­ ний и не зависела от площа­

ди пластинки. Конструктивная схема

пьезоэлектрического преоб­ разователя приведена на рис. 2-16,а.

На рис. 2-16,6 приведена эквивалентная схема пьезо­ электрического преобразова­

Рис. 2-16. Пьезоэлектрический

теля, где Я — результирую­

щее сопротивление утечки схема; б — (образуется из поверхностно­ го и объемного сопротивле­ ний пьезоэлемента преобра­

зователя, сопротивления изоляции и входного сопротивле­ ния измерителей схемы) и С—Сі + Съ—суммарная емкость преобразователя (Сі — емкость конденсатора, образуемо­ го электродами и пластинкой; С2 — входная емкость из­ мерительной схемы датчика).

Через сопротивление R часть зарядов, образуемых на поверхности пьезоэлемента при его деформации, стекает.

Величина разности потенциалов, образующаяся меж­ ду металлическими электродами, сжимающими пластин-

62

вносят амплитудную, частотную и фазовую погрешности. Амплитудная погрешность вызывается не определенностью сопротивления утечки R. Частотной погрешностью пьезо­

цесса.

Это неравенство может выполняться в двух случаях: при сравнительно небольшой постоянной времени (RC) преобразователя, но при высокой частоте изменения <о •исследуемого процесса; при .исследовании низкочастотно­ го процесса преобразователем с большой постоянной времени x = RC.

Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи могут успешно использоваться при исследовании срав­ нительно высокочастотных процессов, изменяющихся с частотой до 7—10 кгц (при этом частота собственных колебаний преобразователя должна быть около 100 кгц).

•При использовании преобразователя для исследования низкочастотных процессов надо позаботиться о расшире­ нии частотного диапазона измеряемых величин в сторо­ ну низких частот. Для этого следует увеличивать посто­ янную времени преобразователя. Кроме того, с целью уменьшения частотной погрешности измерения необходи­ мо, чтобы ѳго постоянная времени была значительно больше периода изменения измеряемой величины.

Постоянную времени преобразователя предпочтитель­ нее повышать, улучшая изоляцию пластин путем герме­ тизации, пьезоэлементов и т. п. Это увеличит сопротивле­ ние утечки R. Постоянную времени преобразователя' можно повысить также, увеличивая входную емкость из­ мерительной схемы, но при этом уменьшится чувствитель­ ность преобразовании.

дЗ

Фазовая погрешность возникает из-за того, что вы- -ходной сигнал пьезоэлектрического преобразователя оказывается сдвинутым во времени (по фазе) относи­ тельно исследуемого воздействия. Величина этого сдвига определяется выражением

где ер —сдвиг фаз между выходным напряжением преоб­ разователя и входным преобразуемым воздействием (деформацией пьезоэлемента).

Фазовые искажения выходного сигнала преобразова­ теля уменьшаются с увеличением со, С и R.

В целях уменьшения погрешности преобразования с помощью пьезоэлектрического преобразователя он дол­ жен нагружаться на высокоомную цепь.

Пьезоэлектрические преобразователи используются, например, для измерений ускорении, вибраций, давлений и т. п. Погрешность измерений может доходить до не­ скольких процентов (3—5%).

2-4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Фотоэлектрическими (оптическими) преобразователя­ ми называются устройства, изменяющие свои параметры под воздействием световой энергии. Фотоэлектрические преобразователи часто называют фотоэлементами. Находят применение три типа фотоэлементов: фотоэле­ менты с внешним фотоэффектом; фотоэлементы с внут­ ренним фотоэффектом (фоторезисторы); фотогальвани­ ческие элементы (фотоэлементы с запирающим слоем).

Основными характеристиками фотоэлементов явля­ ются следующие:

световая характеристика — зависимость фототока от интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока;

спектральная характеристика — зависимость чувстви­ тельности от длины волны падающих лучей при постоян­ ной освещенности;

инерционная (частотная) характеристика — зависи­ мость чувствительности от частоты изменения интенсив­ ности падающего светового потока;

64

вольт-амперная характеристика; зависимость фототока от величины напряжения, при­

ложенного к фотоэлементу.

Фотоэлементы используются в качестве преобразова­ телей при преобразовании самых разнообразных неэлек­ трических величин, связанных с изменением параметров светового потока.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Под дейст­

тирующий) слой, нанесенный на внутреннюю стенку бал­

при ее освещении в цепи, представленной на рис. 2-17, потечет ток, величина которого будет определяться интен­ сивностью освещения.

Световая характеристика этого типа фотоэлемента линейна при небольших излучениях (закон Столетова). Из-за малой чувствительности фотоэлементы е внешним фотоэффектом применяются совместно с электронными усилителями. Широкое применение для этих целей нахо­ дят так называемые фотоумножители — усилители фото­

•В отличие от фотоэлемента с внешним фотоэффектом, в котором электроны покидают освещенную поверхность

5 - 4 3

металла, в фоторезисторе они остаются внутри полу­ проводника, увеличивая в нем концентрацию носителей

тока.

Схема включения ФР аналогична схеме рис. 2-17. Фоторезисторы могут быть пленочные и монокристаллйческие. Они не требуют вакуума и стеклянных колб, имеют малые, габариты и массу, более чувствительны, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

К недостаткам ФР относятся: нелинейность световой характеристики, значительная зависимость чувствитель­

к слою п. Следовательно, полупроводник с р-п переходом при определенной его конструкции может быть использо­ ван как фотодатчик генераторного типа—фотогальва­ нический элемент (ФГЭ). Величина э. д. с. на выходных

.зажимах ФГЭ пропорциональна логарифму облученности

иуменьшается с увеличением нагрузки. ФГЭ обладают существенной инерционностью, определяемой типом ис­ пользуемого полупроводника', и может работать как фоторезистор. В этом случае его называют фотодиодом. Схема включения фотодиода приведена на рис. 2-18. Как следует из этой схемы, для обеспечения работы ФГЭ в режиме фотодиода внешний источник подключается так, чтобы увеличить потенциал (высоту) запорного слоя (плюс подключается к слою.п, а минус — к слою р).ФТЭ более чувствительны к длинноволновому участку светово­ го излучения, прилегающему к инфракрасной области спектра.

Внастоящее время в качестве фотоэлектрических преобразователей широко используются германиевые фототриоды, напоминающие собой по принципу действия

иконструкции обычные транзисторные триоды только без базового отвода.

66

Чувствительность фототриодов значительно превосхо­ дит чувствительность всех фотоэлементов и может дости­ гать 10—20 а/лм при рабочих токах до нескольких десят­ ков миллиампер.

2-5. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия ионизационных преобразователей основан на использовании воздействия входной измеря­ емой величины на интенсивность проникающего излуче­ ния («-, Iß- и у-излучений и потока нейтронов).

Основными элементами ионизационного преобразова­ теля являются источник и приемник проникающего из­

тока излучения попадает в при­ емник, тем меньше, следовательно, будет показание

выходного прибора 4 приемника. Величина поглощения проникающего излучения зависит от толщины объекта, плотности и однородности его материалов. Если два из указанных параметров остаются постоянными, то по вы­ ходному напряжению приемника излучения можно су­ дить о величине третьего параметра.

В качестве источников излучения применяются естест­ венные и искусственные радиоактивные изотопы.

Источниками a-излучения являются обычно элементы, находящиеся в конце таблицы Менделеева. Альфа-излу­ чение представляет собой поток летающих с большой скоростью ядер гелия (а-частиц), образующихся в ре­ зультате радиоактивного распада ядер источника излучения.

Всякое проникающее излучение характеризуется энергией, которой обладают частицы потока этого излу­ чения. Чем больше энергия частиц, тем более проникаю-

щим оказывается такое излучение. Энергия излучении, применяемых в устройствах измерения неэлектрических величин, обычно составляет миллионы или тысячи элек­ трон-вольт (мегаэлектронвольт или килоэлектронвольт). Так, например, при a-излучении энергия частиц может составлять 3—11 Мэв.

Длина пробега а-частиц в воздухе составляет не­ сколько сантиметров, а в твердом материале — несколько единиц или десятков микрон. Поэтому «-излучение при­ меняется при анализе параметров газовой среды (газо­ вом анализе): давления, расхода, плотности и т. п.

Бета-излучение образуется при превращении нейтро­ нов ядер в протоны. При этом выделяются электроны (,ß-частицы).

Бета-частицы пробегают в газах несколько метров, а в жидких и твердых телах — несколько миллиметров. Бета-излучение в основном используется в устройствах для измерения толщины плотности или массы матери­ алов.

Гамма-излучение представляет собой поток электро­ магнитных импульсов (гамма-квантов). Образуется это излучение в результате сложных радиоактивных превра­ щений. Гамма-излучение в отличие от альфа- и бетаизлучений сравнительно слабо поглощается веществом и может проникать в твердые тела на глубину до несколь­ ких десятков сантиметров. Поэтому гамма-излучение ис­ пользуется в тех устройствах, где требуется прохождение излучения через сравнительно толстые поглотители.

В ионизационном преобразователе излучение, прошед­ шее через исследуемый поглотитель, поступает в прием­ ник. Приемники излучения преобразуют энергию посту­ пившего ядерного излучения в электрические сигналы. В качестве приемников проникающего излучения исполь­ зуются: ионизационные камеры, пропорциональные счет­ чики, счетчик Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные и кристаллические счетчики.

В первых трех видах приемников энергия ядерного излучения непосредственно преобразуется в электриче­ скую, В сцинтилляционных счетчиках используется явле­ ние люминесценции кристаллов некоторых веществ под воздействием альфабета- и гамма-излучений. Возникаю­ щий при этом световой поток измеряется с помощью фотоэлемента (фотоумножителя). Действие кристалличе­ ских счетчиков основано на явлении возникновения про-

68

ния газовая среда в камере ионизируется, в результате по электрической цепи потечет ионизационный ток. Величина его будет зависеть от степени ионизации газовой среды, т. е. от интенсивности излучения, попадающего в камеру.

Интенсивность излучения радиоактивного вещества не зависит от температуры, давления и других внешних факторов окружающей среды. Это позволяет использо-

.вать их в условиях высоких температур и давлений. Ионизационные преобразователи широко используют­

ся для автоматических систем измерения и контроля геометрических размеров и плотности тел, перемещений, температуры газовых сред и других измерений.

2-6. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Многие преобразователи представляют собой устройства, в которых значение измеряемой иеэлектрической величины превра­ щается в электрическую путем многократного преобразования. Такие Преобразователи используются в тех случаях, когда измеряемая неэлектрическая величина из-за своей природы не может быть пре­ вращена в электрическую однократным преобразованием,- В подав­ ляющем большинстве случаев используются преобразователи только с двойным преобразованием.

Устройство, осуществляющее первое преобразование, называют первичным измерительным преобразователем или чувствительным элементом. Как правило, чувствительный элемент осуществляет пред­ варительное преобразование измеряемой величины в величину дру­ гого вида с тем, чтобы последнюю можно было проще и удобнее

69