книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

вания. Максимальная погрешность при этом у — Ar/r, где Ar — мак­ симальное сопротивление одного витка; г — полное сопротивление преобразователя.

Иногда применяются реохордные преобразователи, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. В этих преобразователях от­ сутствует указанная выше погрешность.

Выходной параметр реостатных преобразователей — сопротивле­ ние — измеряется обычно с помощью мостовой схемы.

Достоинство реостатных преобразователей состоит в возможности получения значительного выходного сигнала при сравнительно простой конструкции преобразователя. Недостатки — наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших пере­ мещений движка, а иногда и значительного усилия для его переме­ щения .

Применяются реостатные преобразователи для измерения (пре­ образования) сравнительно больших перемещений (угловых, линей­ ных) и других неэлектрических величин (усилия, давления и т. д.), которые могут быть преобразованы в перемещение.

Тензочувствительные (проволочные) преобразователи. Тензочувствительные (проволочные) преобразователи основаны на зависимо­ сти электрического сопротивления проводника от вызываемого в нем механического напряжения.

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, на­ пример растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки

Д г /г = S М/І,

где S — коэффициент тензочувствительности; А/,7 — относительная деформация проволоки.

Изменение сопротивления проволоки при механическом воздей­ ствии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные преобразователи, широко применяемые в-на­ стоящее время (рис. 236), представляют собой тонкую зигзагообразпоуложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке 1) про­ волоку 2. Преобразователь включается в схему с помощью привари­ ваемых или припаиваемых выводов 3. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидае­ мой деформации совпадало с осью длинной стороны петель проволоки. При деформации детали сопротивление проволоки изменяется.

Для изготовления преобразователей применяется главным об­ разом проволока диаметров 0,02—0,05 мм из константана, имеющего коэффициент S = 1,9 -т- 2,1. Кроме того, константан обладает малым температурным коэффициентом, что очень важно, так как изменение сопротивления преобразователей при деформациях, например, сталь­ ных деталей соизмеримо с изменением сопротивления преобразова­ теля при изменении температурных условий. В качестве подложки используется тонкая (0,03—0,05 мм) бумага, а также пленка лака пли клея, а при высоких температурах — слой цемента.

320

Применяются также фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга. Чувствительный элемент преобра­ зователя создается путем травления фольги. При травлении из фольги выбирается часть металла таким образом, что оставшийся металл образует чувствительный элемент необходимой формы и сопротив­ ления.

Для наклеивания проволоки на подложку и всего преобразова­

Преобразователи выполняются различных размеров в зависимо­ сти от назначения. Длина петли (базы) I (рис. 236) у преобразователя

тельных преобразователей применяются мостовые (равновесные и неравновесные) схемы и потенциометрическая схема, представляю­ щая собой делитель напряжения, одно сопротивление которого — преобразователь.

Достоинства этих преобразователей: малые габариты и вес, простота конструкции, надежность (погрешность 1—2%). Недо­ статком их является малая чувствительность.

В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение тензочувствительные преобразователи, выполненные в виде пластины из полупроводникового материала. Коэффициент тензочувствительности у таких преобразователей достигает несколь­ ких сотен или даже тысяч. Однако воспроизводимость характерис­ тик полупроводниковых преобразователей плохая. Очень удобны

Используются тензочувствительные преобразователи для изме­ рения деформаций и других неэлектрических величин: усилий, дав­ лений, моментов и т. д.

Термочувствительные преобразователи. Термочувствительные пре­ образователи основаны на зависимости электрического сопротивле­

наличия теплопроводности среды и конвекции в среде, теплопровод­ ности самого термосопротивления и, наконец, из-за излучения. Ин­ тенсивность теплообмена, а следовательно, и температура термо­ сопротивления при прохождении через него постоянного тока за­ висят от геометрических размеров и формы термосопротивления и арматуры, к которой крепится термосопротивление, от состава, плотности, теплопроводности, вязкости и других физических свойств газовой или жидкой среды, окружающей термосопротивление, а также от температуры и скорости перемещения этой среды отно­ сительно термосопротивления. Зависимость температуры термосо­ противления, а следовательно, и величины сопротивления от ука­ занных выше факторов используется для измерения различных не­ электрических величин, характеризующих газовую и жидкую среду (состав, плотность, теплопроводность, скорость и т. д.).

При конструировании преобразователя стремятся к тому, чтобы теплообмен термосопротивления со средой в основном определялся измеряемой неэлектрической величиной. При этом выходной па­ раметр преобразователя будет определяться измеряемой вели­ чиной.

Термочувствительные преобразователи разделяются на преобра­ зователи без преднамеренного перегрева и иерегревные. В преоб­ разователях без перегрева ток, проходящий через термосопротивле­ ние, практически не вызывает перегрева, и температура термосо­ противления определяется температурой среды; эти преобразова­ тели применяются для измерения температуры. В перегревных пре­ образователях электрический ток вызывает перегрев, зависящий от свойств среды. Перегревные преобразователи используются для из­ мерения скорости, плотности, состава среды и т. д. На перегревные термосопротивления влияет температура среды. Поэтому обычно применяются схемные методы компенсации влияния температуры. Для измерения температуры наиболее распространены термосопро­ тивления, выполненные из платиновой или медной проволоки.

Стандартные платиновые термосопротивления 1 (ГОСТ 6651—59) применяются для измерения температуры от —200 до +650° С; медные — для измерения температуры от —50 до +180° С.

1 Иногда термосопротивления для измерения температуры называются тер­ мометрами сопротивления.

322

Термосопротивления платиновые образцовые и лабораторные для низких температур (ГОСТ 12877—67) применяются для измере­ ния температуры в пределах от 12 до 90 К.

В платиновых термосопротивлениях используется проволока без изоляции, наматываемая на каркас из слюдяных пластин. В мед­ ных термосопротивлениях применяется проволока, изолированная эмалью или шелком и наматываемая на каркас из пластмассы.

На рис. 237, а в качестве примера схематически показано устройство плати­ нового термосопротивления. Неизолированная платиновая проволока 2 диамет­ ром 0,07 мм намотана бифилярно на каркас 1 — слюдяную пластину с зубчатой

в алюминиевый цилиндрический чехол 5, защищающий обмотку преобразователя от механических повреждений. Дл я уменьшения тепловой инерции преобразова­ теля между пакетом и чехлом помещены сплошные металлические вкладыши 6. В малоинерционных преобразователях вместо сплошных вкладышей приме­ няются полые дюралюминиевые вкладыши — лепестки, которые обеспечивают до­ статочно хорошую передачу тепла и имеют малую теплоемкость, что уменьшает тепловую инерцию преобразователя.

Д л я защиты термосопрот-ивлсния от воздействия внешней среды (давления, влажности, агрессивных газов и т. д.) чехол вместе с обмоткой помещается в за­ щитную арматуру (рис. 237, б).

Начальные сопротивления (при 0° С) платиновых стандартных (ГОСТ 6651—59 и ГОСТ 12877—67) термосопротивлений равны 10, 25, 46, 50 и 100 Ом, медных стандартных преобразователей — 53 и 100 Ом.

Рабочий ток стандартных преобразователей, не вызывающий прак­ тически заметного перегрева, находится в пределах 10—15 мА.

323

Для стандартных термосопротивлений из платины и меди имеются градуировочные таблицы (ГОСТ 6651—59). Аналитически зависи­ мость сопротивления от температуры для платиновых термосопро­ тивлений выражается следующими уравнениями:

Зависимость сопротивления медного преобразователя от темпе­

где г0 — сопротивление при температуре 0° С; а = 4,26-10"3 1/° С — температурный коэффициент меди.

Возможные допустимые отклонения градуировочной характери­ стики стандартных преобразователей также узаконены ГОСТ.

Помимо платины и меди, в отдельных отраслях техники для из­ готовления термосопротивлений используется никель.

В последнее время для измерения температуры начали применяться полу­ проводниковые термосопротивления (термисторы) типов ММТ-1, ММТ-4, КМТ-4, КМТ-14, МКМТ-16. Полупроводниковые термосопротивления имеют более высо­ кую чувствительность, так как температурный коэффициент электрического со­ противления у них в 10—15 раз выше, чем у платины и меди, и, кроме того, они могут быть изготовлены малых размеров при большом номинальном сопротив­ лении (до 10 МОм для КМТ-14). Недостатком полупроводниковых термосопро­ тивлений является плохая воспроизводимость характеристик и нелинейный ха­ рактер функции преобразования:

где А и В — коэффициенты; Т — температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы . Термосопротивления имеют пока сравнительно малый верх­ ний температурный предел применения (+120° С для ММТ-1, ММТ-4, + 3 0 0 ° С для КМТ-14).

В тех случаях когда необходимо иметь термосопротивления с очень малой тепловой инерцией, применяют для их изготовления очень тонкий провод (мик­ ропровод) или используют термисторы малого объема (бусинковые) типа МКМТ-16.

Тепловая инерционность стандартных термосопротивлений в на­ стоящее время характеризуется показателем тепловой инерции eœ (ГОСТ 6651—59). Показатель тепловой инерции — время, необхо­ димое для того, чтобы при внесении преобразователя в среду с по­ стоянной температурой разность температур среды ' и любой точки внесенного в нее преобразователя стала равной 0,37 того значения, которое она имела в момент наступления регулярного теплового ре­ жима.

Показатель тепловой инерции определяется по той части кривой переходного теплового процесса преобразователя, которая соответ­ ствует регулярному режиму, т. е. имеет экспоненциальный характер (в полулогарифмическом масштабе — прямая линия).

324

Показатель тепловой инерции для различных типов стандартных преобразователей находится в пределах от нескольких десятков се­ кунд до нескольких минут.

Термосопротивления применяются в приборах для анализа га­ зовых смесей. Многие газовые смеси отличаются друг от друга и от воздуха по теплопроводности. Теплопроводность смеси, состоящей из двух газов, не вступающих в реакцию друг с другом,

иh2 = const).

Вприборах для газового анализа — газоана­

Для уменьшения потерь через теплопроводность термосопротив­ ления последнее выполняется из тонкой проволоки (0,02—0,05 мм) и отношение длины проволоки к ее диаметру берется не менее 500. Для уменьшения потерь тепла через конвекцию объем камеры должен быть по возможности малым (диаметр камеры 5—7 мм); с этой же целью скорость протекания газа через камеру должна быть также по возможности малой и стабильной во времени.

Для уменьшения потерь тепла на излучение через термосопро­ тивление пропускается ток, вызывающий перегрев термосопротив­ ления не более чем на 100—120°С.

Для исключения влияния внешней температуры применяется ком­ пенсационное термосопротивление, помещаемое в камеру с постоян­ ным по составу газом. Для обеспечения одинаковой температуры ра­ бочей и компенсационной камер они выполняются в виде единого блока.

Термосопротивлеиия газоанализаторов обычно включаются в мо­ стовую схему, которая позволяет осуществлять компенсацию влия­ ния температуры. Для этого рабочее и компенсационное термосопро­ тивления включаются в соседние плечи моста.

Таким образом, теплопроводность газа становится зависимой от числа моле­ кул в единице объема, т. е. от давления (вакуума). Зависимость теплопроводности газа от давления используется в вакуумметрах — приборах для измерения вакуума.

Д л я измерения теплопроводности, а следовательно, вакуума в вакуумметрах используются металлические (платиновые) и полупроводниковые термосопро­ тивления, помещаемые в специальный стеклянный пли металлический баллон (колба радиолампы), который соединяется с контролируемой средой.

Термосопротивления применяются в приборах для измерения скорости газового потока. Установившаяся температура термосонротивлештя, помещен­ ного в газовый поток, зависит от скорости потока, что объясняется зависимостью

принудительного конвективного теплообмена между тормосопротивлешіем и сре­ дой от скорости потока. Эта зависимость используется в термоанемометрах — приборах для измерения скорости газового потока с помощью термосопротив­ ления .

На рис. 240 схематически показано устройство преобразователя термоапемометра. Металлическое (платиновое, вольфрамовое) или полупроводниковое, термосопротивление / укреплено на металлических стойках 2, в свою очередь закрепленных в ручке 3.

Конструкция термосопротивления и арматуры и ток через термосопротив­ ление выбраны такими, чтобы теплообмен термосопротпвления со средой про­ ходил в основном через конвекцию.

Достоинствами термоанемометров являются высокая чувствительность и быстродействие. Эти приборы позволяют измерять скорости менее 1 м/с и могут быть применены в диапазоне частот от 0 до 50 кГц (при использовании схемы, с помощью которой температура термосопротивления автоматически поддержи­ вается почти неизменной).

326

пературной компенсации. Для температурной компенсации обычно используются медные термосопротивления, так как температурные коэффициенты меди и растворов электролитов имеют противополож­ ные знаки.

При прохождении постоянного тока через преобразователь про­ исходит электролиз раствора, что приводит к искажению результа­

Коэффициент взаимной индуктивности двух обмоток, расположен­ ных на том же магнитопроводе,

M = WyW^/Zu,

где wt и w2 — число витков первой и второй обмоток. Магнитное сопротивление определяется выражением

относительная магнитная проницаемость і-го участка магнитопро­

тивления; Р — потери в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; со — угловая частота; Ф — магнитный поток в магнитопроводе.

Эти соотношения показывают, что коэффициенты самоиндукции и взаимной индуктивности можно изменять, например, воздействуя на длину воздушного зазора магнитопровода о, сечение воздушного участка магнитопровода s, на потери в магнитопроводе и другими путями.

328

На рис. 244 схематически показано несколько типов различных индуктивных преобразователей.

Индуктивный преобразователь (рис. 244, а) представляет собой электромагнит 2 с обмоткой 1 и подвижным якорем 3, перемещаю­ щимся под действием измеряемой величины. Изменение длины воз­ душного зазора ô приводит к изменению индуктивности обмотки L . Зависимость L — f (ô) нелинейна. Такой преобразователь приме­ няется обычно при перемещениях якоря на 0,01—5 мм. В преобразо­ вателе (рис. 244, б) под действием измеряемой величины изменяется

—0 e^J

Рис. 244. Индуктивные преобразователи: а — с изменяю­ щимся зазором; б — с изменяющейся площадью зазора; в — дифференциальный; г — дифференциальный трансформа­ торного типа; д — дифференциальный трансформаторный с не­ замкнутой магнитной цепью; е — с, перемещающимся сер­

дечником из неферромагнитного материала

площадь воздушного зазора, что также приводит к изменению ин­ дуктивности обмотки. Эти преобразователи используются для из­ мерения перемещений до 15 мм.

Якорь в индуктивном преобразователе испытывает усилие при­ тяжения со стороны электромагнита, которое определяется произ­

величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два

329