более высокую чувствительность, чем обычные преобразователи, дают возможность уменьшить нелинейность функции преобразования, ис пытывают меньшее влияние внешних факторов. В этих преобразо вателях результирующее усилие на якорь со стороны электромаг нитов меньше, чем в недифференциальных преобразователях.
Применяются также индуктивные дифференциальные преобразо ватели трансформаторного типа (рис. 244, г), в которых две секции первичной обмотки включены согласно, а две секции вторичной об мотки—встречно. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электро- , магнитов э. д. с. на выходных зажимах равна нулю. При перемеще нии якоря возникает сигнал.
Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50—100 мм) применяются индуктивные преобразователи с незамк нутой магнитной цепью. На рис. 244, д схематически показано устройство дифференциального трансформаторного индуктивного преобразователя с незамкнутой магнитной цепью, широко исполь зуемого в настоящее время для передачи показаний различных не электрических приборов (манометров, дифманометров). В этом пре образователе обмотки включены так же, как и у предыдущего пре образователя.
На рис. 244, е изображен преобразователь, в котором при пере мещении металлической неферромагнитной пластины изменяются
потери на |
вихревые токи и в результате изменяется индуктивность |
обмотки. |
Подбирая форму пластины, можно получить зависимость |
L — f (х) |
любого |
вида. |
Конструкция |
преобразователя определяется главным образом |
величиной измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают, исходя из необходимой мощности выходного сигнала и технических требований.
Для измерения выходного параметра индуктивных преобразова телей наибольшее применение получили мостовые схемы (равновес ные и неравновесные), а также компенсационная схема (в автомати ческих приборах) для дифференциальных трансформаторных преоб разователей (рис. 244, д).
Индуктивные преобразователи используются для измерения пе ремещения и других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д.).
Индуктивные преобразователи имеют преимущества перед дру гими преобразователями перемещений. Они дают на выходе сигнал значительной мощности, что позволяет в некоторых случаях обхо диться без усилителя. Кроме того, эти преобразователи просты по конструкции и надежны в работе. ,
Недостатком их является наличие обратного воздействия пре
образователя на измеряемый |
объект |
(воздействие |
электромагнита |
на якорь) и влияние инерции |
якоря |
на частотную |
характеристику |
прибора. |
|
|
|
Емкостные преобразователи. Емкостные преобразователи осно
ваны на зависимости |
электрической емкости конденсатора от раз- |
! |
330 |
)
меров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость
где е0 — диэлектрическая постянная; е — относительная |
диэлект |
рическая |
проницаемость |
среды |
между обкладками; s — активная |
площадь |
обкладок; ô — расстояние между обкладками. |
|
Из выражения для емкости видно, что преобразователь может |
быть построен |
с использованием |
зависимостей С = Д (е), С |
= /а (s), |
c = h ( Ô ) . |
|
|
|
|
|
|
а) |
\ V |
I |
ef |
б) |
|
|
-i—i |
|
Лс&М |
|
|
|
|
C'fß |
|
теш
Лччччхчччч
Рис. 245. |
Емкостные преобразователи: а — с изменяющимся |
расстоянием |
между пластинами; б — дифференциальный; |
в — дифференциальный |
с переменной активной |
площадью |
пластин; |
г |
— с переменной |
диэлектрической |
постоянной |
|
|
среды |
между |
пластинами |
|
На рис. 245 схематически показано устройство различных емко стных преобразователей. Преобразователи на рис. 245, а представ ляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной плас тины. Изменение расстояния между пластинами ô ведет к изменению емкости преобразователя.
Функция преобразования С — / 3 (Ô) нелинейна, что ограничивает диапазон изменения о. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния о, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами. необходимо учитывать пробивное напряжение воздуха (10 K B / С М для воздуха).
Такие преобразователи используются для измерения малых пе ремещений (менее 1 мм).
Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению по грешности от изменения расстояния между пластинами при колеба ниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей
преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.
В емкостных преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электри ческого поля W3 по перемещению подвижной пластины,
р _ |
d\Vy_ |
d |
icm\ |
|
dô ~ dô [ |
2 |
) ' |
где U — напряжение между |
пластинами; |
С — емкость между плас |
тинами. |
|
преобразователи (рис. 245, б), |
Применяются дифференциальные |
у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины.
При воздействии |
измеряемой величины х у |
этих преобразователей |
одновременно, но |
с разными знаками изменяются зазоры ôt и б2 , |
а следовательно, |
соответственно изменяются |
емкости Сх и С2. Диф |
ференциальные преобразователи дают возможность увеличить чув ствительность прибора, уменьшить усилие между подвижными и не подвижными пластинами, уменьшить нелинейность функции пре образования и снизить влияние внешних факторов (температуры, давления и влажности воздуха и т. д.).
Находят применение многопластинчатые емкостные преобразова тели с несколькими неподвижными и подвижными пластинами. Уве личение числа пластин ведет к увеличению емкости преобразова теля.
На рис. 245, в показано устройство дифференциального емкост ного преобразователя с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь целесообразно использовать для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемеще ний. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин.
Преобразователи с использованием зависимости С == / 1 (е) при меняются для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. д. Для примера на рис. 245, г дано устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в контролируемый сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению диэлектрической проницаемости среды между погруженными час тями электродов. Изменением конфигурации пластин можно полу чить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.
Для измерения выходного параметра емкостных преобразова телей применяются мостовые схемы (равновесные, неравновесные) и схемы с использованием резонансных контуров. Последние поз воляют создавать приборы с высокой чувствительностью. Например, таким прибором удалось обнаружить перемещение порядка 10"7 мм.
Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в преобразователе Р = U% аС (а следовательно, и мощность, попадающую в измерительный прибор)
;
-лучи
- 0 - J
Рис: 246. Принципиаль ная схема ионизацион ного преобразователя
и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.
Достоинства емкостных преобразователей — простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерцион ности преобразователя.
Недостатками являются влияние внешних электрических полей и паразитных емкостей внешних факторов (температура, влажность), относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках повышенной частоты.
Ионизационные преобразователи. Иони зационные преобразователи основаны на явлениях или ионизации газа при прохоя^- дении через него ионизирующего излучения, или люминесценции некоторых веществ иод действием ионизирующего излучения.
Если камеру, содержащую газ, подверг нуть облучению, например, ß-лучами, то между электродами, включенными в электри ческую цепь (рис. 246), потечет электриче
ский ток. Этот ток зависит от приложенного к электродам напряжения, от плотности и состава газовой среды, размера камеры и электродов, свойств и интенсивности ионизирующего облучения и т. д. Эти зависимости используются для измерения различных не электрических величин (плотности и состава газовой среды, гео метрических размеров и т. д.).
В качестве ионизирующих агентов для этой цели в настоящее время применяются главным образом a-, ß- и у-лучи радиоактивных веществ; значительно реже — рент геновские лучи и нейтронное из
|
|
|
|
|
|
у |
лучение. Для измерения |
степени |
|
|
|
|
Ш ! |
ш / |
1 I |
ионизации |
используются |
иониза |
|
1 |
1 |
|
ционные преобразователи — иони |
|
j |
1 |
|
Л |
|
|
зационные |
камеры и ионизацион |
|
|
|
|
ные счетчики, работающие на раз |
|
Л- |
1 - " 4 |
|
|
! |
личных участках вольт-амперной |
|
ОГ ! |
1 |
|
! |
|
|
характеристики |
газового |
проме |
|
|
|
|
|
жутка |
между двумя электродами. |
|
Рис. 247. Вольт-амперная характе |
На |
рис. |
247 |
показана |
зависи |
|
мость |
тока |
1 в |
камере (рис. 246) |
|
ристика |
ионизационного |
преобразо |
|
|
|
вателя |
|
|
с постоянным составом газа от |
|
|
|
|
|
|
|
приложенного напряжения U и ин |
|
тенсивности |
облучения |
/ . На участке / |
характеристики ток |
увели |
чивается прямо пропорционально напряжению, затем рост его за медляется и на участке I I ток достигает насыщения. Это указывает на то, что все ионы, образующиеся в камере, уносятся электриче ским полем к электродам. На участке 77/ ионизационный ток снова начинает расти, что вызывается вторичной ионизацией при ударе ниях первичных электронов и ионов о нейтральные молекулы. Это
увеличение тока называется газовым усилением. При дальнейшем увеличении напряжения (участок IV) ионизационный ток перестает зависеть от первоначальной ионизации, п, наконец, наступает не прерывный разряд (участок V), который уже не зависит от воздей
ствия |
радиоактивного |
излучения. |
Ионизационные камеры работают на участках I и I I вольт-ампер |
ной |
характеристики, |
а ионизационные счетчики — на участках |
III |
и |
IV. |
|
Кроме ионизационных камер и счетчиков, в качестве ионизацион ных преобразователей применяются сцинтилляционные (люмине сцентные) счетчики. Принцип действия этих счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах — ф о с ф о р а х (активирован ные серебром сернистый цинк, сернистый кадмий и т. д.) — под дей ствием радиоактивных излучений световых вспышек (сцинтилляций), которые в счетчиках регистрируются фотоумножителями. Яркость этих вспышек, а следовательно, и ток фотоумножителя опреде ляются радиоактивным излучением.
Выбор ионизационного преобразователя зависит в значительной мере от ионизирующего излучения.
Альфа-лучи, являющиеся ядрами атома гелия, обладают большой ионизирующей способностью, но имеют малую проникающую спо собность. В твердых телах а-лучи поглощаются в очень тонких слоях (единицы, десятки микрометров). Поэтому при использовании ослучей в качестве ионизирующего агента а-излучатель необходимо помещать внутри преобразователя.
Бета-лучи представляют собой поток электронов (или позитро нов), они обладают значительно меньшей ионизирующей способно стью, чем а-лучи, но зато имеют более высокую проникающую спо собность. Длина пробега ß-частиц в твердых телах достигает не скольких миллиметров. Поэтому ß-излучатель может располагаться как внутри, так и вне преобразователя.
Изменение расстояния между электродами, площади перекрытия электродов или полоялвния источника а- и ß-радиоактивного излу чения относительно ионизационных камер или счетчиков сказывается на величине ионизационного тока. Поэтому указанные зависимости используются для измерения различых механических и геометриче ских величин.
На рис. 248 в качестве примера показано устройство ионизационного мембран ного манометра, где 1 — а- или ß-излучатель, 2 — мембрана, 3 — неподвижный электрод, изолированный от мембраны. Между электродами 1 и 3 приложена раз ность потенциалов, достаточная для достижения тока насыщения. При изменении давления Р мембрана прогибается, изменяя расстояние между электродами и величину ионизационного тока.
Проходя сквозь вещество, ß-частпцы взаимодействуют с электро нами и ядрами вещества и поглощаются веществом. Часть ß-частиц в результате взаимодействия отражается.
Поглощение ß-частиц в функции толщины слоя вещества харак теризуется следующим выражением:
где |
N — число |
ß-частиц, |
прошедших |
слой вещества толщиной d; |
Nn |
— число |
ß-частиц |
при |
отсутствии |
поглощающего |
вещества; р — |
коэффициент |
ослабления, |
имеющий размерность см"1 . |
|
|
Коэффициент |
ослабления |
|
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
= 22 |
|
|
|
|
|
|
|
u |
п.і/3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
где |
р — плотность |
вещества; |
Ет |
— максимальная |
энергия |
ß-час |
тиц. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отражение ß-частиц определяется |
выражением |
|
|
где |
N' — число |
отраженных |
ß-частиц при толщине |
слоя d; |
N'a — |
число отраженных ß-частиц при d |
|
оо; р 0 с р — коэффициент |
обрат |
ного излучения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рпс. 248. |
Ионизационный мембран- |
Рис. 249. Ионизационный плотномер |
|
ный манометр |
жидкости |
|
Эти |
зависимости дают возможность измерять толщины |
изделий |
и толщины покрытий, плотности жидкостей и газов и т. д. |
|
IIa рис. 249 приведена принципиальная схема применения |
ß-лучей |
для измерения |
плотности жидкости, |
где 1 — источник ß-излучения, |
2 — камера с |
анализируемой жидкостью, 3 — ионизационный пре |
образователь. Из предыдущих положений очевидно, что ток, про ходящий через преобразователь, является функцией плотности жидкости.
Гамма-лучи представляют собой электромагнитные колебания весьма малой длины волны (10 8 — 10~п см), возникающие при ра диоактивных превращениях. Гамма-лучи обладают большой про никающей способностью. Пучок жестких у-лучей, имеющих энергию у-квантов ІМЭВ, ослабляется вдвое слоем свинца в 1,6 см, железа — 2,4 см и алюминия — 12 см. Проходя сквозь вещество, у-лучи ос лабляются в соответствии с уравнением (для узкого пучка)
где / —интенсивность у-лучей, прошедших через тело; І0 — ин тенсивность поступающих в тело у-лучей; d — толщина тела; р —
коэффициент ослабления, зависящий от атомного номера вещества тола и от энергии у-лучей.
Под интенсивностью у-лучей понимается количество энергии у-лучей, проходящих в единицу времени через единицу поверхности, расположенной перпендикулярно направлению падающих на нее у-лучей.
Ионизирующая способность у-лучей очень мала, но ионизация газа в камере преобразователя создается вторичными электронами, образуемыми у-излучением в заполняющем камеру газе и в ее стен ках.
Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения.
При регистрации а-частиц размеры камеры выбираются с учетом использования полного пробега а-частиц.
ß-лучи |
Кусилителю |
Рис. 250. Ионизационная камера |
Рис. 251. Газоразрядный счетчик |
Камеры для регистрации ß-излучения по объему больше камер для ß-излучения. Часто встречаются цилиндрические камеры объе мом 1—2 л. Если источник излучения располагается снаружи, то в камере должно быть предусмотрено окно, затянутое тонкой плас тинкой алюминия (5—10 мкм).
Камеры для регистрации у-излучения значительно отличаются от камер для а- и ß-излучений большими размерами, большей тол щиной стенок и заполняются газом под давлением.
Для примера на рпс. 250 показано устройство ионизационной ка меры для ß-лучей. Лучи проникают в камеру через окно 1. Электрод (собирающий) 2 изолирован от металлического корпуса 3 втулкой 4 (из янтаря, полистирола). Вторым электродом служит корпус ка
меры. Ионизационные токи весьма |
малы (10~9 |
— 10~12 |
А), поэтому |
в камерах часто предусматривается |
охранное |
кольцо |
5. |
Для регистрации отдельных частиц, а также измерения неболь ших у-излучений широко применяются газоразрядные счетчики.
Устройство газоразрядного счетчика дано на рис. 251. Газораз рядный счетчик состоит из металлического цилиндра 1, внутри ко торого натянута тонкая вольфрамовая проволока 2 (диаметром 0,02 — 0,1 мм). Оба эти электрода помещены в геометрический стек лянный цилиндр 3. Пространство между электродами заполняется газом при пониженном давлении.
\336
Газоразрядные счетчики, работающие на начальной части III участка вольт-амперной характеристики (рис. 247), называются про порциональными счетчиками. Счетчики, работающие на IV участ ке, называются счетчиками Гейгера — Мюллера. В пропорцио нальных счетчиках импульсы тока пропорциональны энергии ча стиц, в счетчиках Гейгера — Мюллера они не зависят от энергии частиц.
В счетчиках Гейгера—Мюллера каждая частица излучения вы зывает непрерывный разряд. Для того чтобы счетчик мог различать отдельные частицы, разряд в счетчике, вызванный одной частицей, должен прекратиться несколько раньше, чем поступит другая час тица.
Для гашения разряда в счетчике применяются специальные схемы.
В настоящее время распространены также самогасящиеся счетчики,
вкоторых самогашение обеспечивается соответствующим газовым наполнением (аргон в смеси с многоатомным газом, например парами
спирта, метана, хлора и т. д.).
В качестве источников a-, ß- и у-излучений обычно используются радиоактивные изотопы. Источники излучения, применяемые в из мерительной технике, должны иметь значительный период полурас пада, достаточную энергию излучения при необходимой активности источника и возможно меньшую стоимость.
В табл. 12 приведены характеристики некоторых из употребляемых в из мерительной технике радиоактивных изотопов.
Таблица 12
Название |
Химический |
Тип |
Период |
Энергия |
Энергия |
элемента |
символ элемента |
радиации |
полураспада |
частиц, |
квантов, |
|
|
|
|
|
МэВ |
МэВ |
Кобальт-60 |
Со в 0 |
ß ~ . Y |
5,3 |
года |
0,31 |
1,17 |
1,33 |
ІІрометии-147 |
рт 147 |
ß " |
2,6 |
года |
0.22 |
— |
Стронций-90 |
Sr9 0 |
ß^ |
19,9 |
лет |
0,61 |
— |
ІІттріш-90 |
Yоо |
a,ß " y |
61 |
час |
2.18 |
|
|
Плутонші-239 |
pU 239 |
2,4 • 10* лет |
5.20 |
t п |
0.02 |
|
|
|
|
|
|
до |
0,38 |
Основное достоинство приборов, использующих ионизирующие излучения, заключается в возможности бесконтактных измерений, т. е. измерений без непосредственного соприкосновения преобразо вателя с измеряемой средой. Это обстоятельство имеет очень боль шое значение в ряде случаев, как, например, при измерениях в агрессивных или взрывоопасных средах, а также в средах, нахо дящихся под большим давлением или имеющих высокую темпера туру.
Основной недостаток этих приборов заключается в необходимо сти применения биологической защиты при достаточной активности источника излучения.
43. Генераторные преобразователи неэлектрических
величин в электрические
Общие замечания. В генераторных преобразователях выходной величиной является э. д. с. Генераторные преобразователи разделя ются на две группы.
1. Преобразователи, в которых энергия (неэлектрическая) из меряемого объекта превращается в электрическую энергию, подавае мую на электрическое измерительное устройство. При использова нии этих преобразователей вспомогательный источник питания необя зателен. К этой группе относятся такие распространенные преобра зователи, как термоэлектрические, индукционные, пьезоэлектриче ские, гальванические.
Рис. 252. |
Рис. 253. Способы включения при |
Термопара |
бора в цепь |
термопары: а — к |
|
свободным |
концам термопары; |
б — в рассечку электрода
2. Преобразователи, в которых измеряемая величина регулирует превращение электрической энергии вспомогательного источника в электрическую энергию выходного сигнала. Для работы этид пре образователей необходим вспомогательный источник питания. К этой группе можно отнести магнитоупругие индукционные преобразова тели, основанные на обратном эффекте Видемана.
Термоэлектрические преобразователи. Термоэлектрические пре образователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникаю
щем |
в цепи термопары. |
|
точек 1 и 2 соединения двух |
При наличии разности температур |
разнородных проводников А и В (рис. 252), образующих |
термопару, |
в цепи термопары |
возникает термо-э. д. с. При неизменной темпера |
туре |
одной точки |
соединения |
(t.2 — const) можно |
написать |
|
|
EAB=f(t1)-C^f1(t1), |
|
|
|
где |
tx — температура другой |
точки |
соединения. |
Эта |
зависимость |
используется в термоэлектрических преобразователях для измере ния температуры.
Для измерения термо-э. д. с. электроизмерительный прибор (мил ливольтметр, потенциометр) должен быть включен в цепь термопары по одному из двух способов, указанных на рис. 253, а и б. Точка сое динения проводников (электродов) 1 называется рабочим концом
термопары, точки 2, 2' — свободные концы термопары, точки 3, 4 — нейтральные концы термопары.
Чтобы термо-з. д. е. в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо при первом способе вклю чения (к свободным концам — рис. 253, а) температуры свободных концов термопары поддерживать одинаковыми и неизменными. При втором способе включения (в рассечку электрода — рис. 253, б) надо поддерживать неизменной температуру свободного конца, а тем пературы нейтральных концов должны быть одинаковыми.
Градуировка термоэлектрических термометров — приборов, ис пользующих термопары для измерения температурь!, — производится обычно при температуре свободных концов 0° С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0° С. При практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары не равна 0° С, и поэтому необходимо вводить по правку.
Если милливольтметр имеет шкалу в милливольтах, то к показа нию милливольтметра прибавляется (с учетом знака) величина термо-
э. д. с , соответствующая отклонению температуры |
свободных кон |
цов термопары от 0° С. При шкале милливольтметра, |
отградуирован |
ной в градусах для определенной градуировки термопары, необхо димо к показаниям милливольтметра прибавить с учетом знака по правку, равную отклонению температуры свободных концов от 0° С, умноженному на коэффициент к. Этот коэффициент, учитывающий не линейность функции преобразования термопары, зависит от измеряе
мой температуры. Для грубых подсчетов можно принять к |
0,8 -г- |
-г- 1,0 для термопар из неблагородных металлов и к — 0,5 ч- 0,6 для термопар из благородных металлов. Используются также методы ав томатического и полуавтоматического введения поправок.
Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используются в основном специальные сплавы. В табл. 13 приведены характеристики термопар, узаконен ных ГОСТ 6616-61.
Термопары из благородных металлов (ТПП, ТПР) применяются при измерениях высоких температур, а также при измерениях с по вышенной точностью. В остальных случаях используются термопары из неблагородных металлов (ТХА, ТХК). У термопары типа ТНК при измеряемых температурах ниже 100° С термо-э. д. с. равна нулю. Поэтому для термопары ТНК не требуется введения поправок на тем пературу свободных концов, если она не выше 100° С.
Все стандартные термопары взаимозаменяемы. Градуировочные таблицы и допускаемые отклонения градуировочных характеристик приведены в соответствующих ГОСТ.
Электроды стандартных термопар . выполняются из проволоки диаметром 0,5 мм для термопар из благородных металлов и диамет ром до 3,5 мм для термопар из неблагородных металлов. Рабочий конец термопары образуется путем скручивания и сваривания элект родов.
