книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Вследствие нелинейности функции преобразования относительно перемещения диапазон преобразований обычно не превышает несколь­ ких процентов начального значения зазора между электродами пре­ образователя. Расширить диапазон преобразования можно путем использования дифференциального преобразователя (рис. 20.3, в). Диф­ ференциальный емкостный преобразователь состоит из двух неподвиж­ ных электродов 1 ,3 и одного подвижного электрода 2, закрепленного на пружинах 4. При перемещении подвижного электрода емкость между одними обкладками увеличивается, а между другими умень­ шается. При соответствующем включении такого преобразователя в измерительную цепь существенно возрастает чувствительность, умень­ шаются нелинейность функции преобразования, а также ее зависи­ мость от влияния внешних факторов.

Емкостные преобразователи с переменной площадью взаимодей­ ствия электродов используются для измерения угловых и больших линейных перемещений. Преобразователи с переменной диэлектриче­ ской проницаемостью среды между электродами применяются для из­ мерения уровня жидкостей (мазута, топлива, воды, кислот, щелочей) и сыпучих материалов (порошкообразных пищевых продуктов, зерна, песка, цемента, угольной пыли и пр.), влажности твердых и сыпучих материалов, толщины изоляционных материалов и других неэлектри­ ческих величин, связанных с изменением диэлектрической проницае­ мости.

Начальная емкость большинства емкостных преобразователей обыч­ но составляет 10... 100 пФ. Поэтому даже на высоких частотах емкост­ ные преобразователи имеют большое выходное сопротивление, а сле­ довательно, при заданном уровне питающего напряжения — низкую выходную мощность. Такие преобразователи, как правило, применя­ ются совместно с усилителями при тщательном экранировании измери­ тельных цепей. Основная погрешность емкостных преобразователей составляет 1...3 %.

Пьезоэлектрические преобразователи. Принцип действия пьезо­ электрических преобразователей неэлектрических величин основан на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, сущность ко­ торого заключается в электрической поляризации определенного клас­ са диэлектриков, называемых пьезоэлектриками, при механическом напряжении в их кристаллах.

Физическая природа пьезоэффекта может быть объяснена на при­ мере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла — кварца (5Ю2). На рис. 20,4, в показана форма элементарной ячейки кристалли­ ческой структуры кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три кристаллографические оси (рис. 20.4, а): продольную, или оптическую, ось 7, электрические оси X , проходящие через ребра шестигранной призмы кристалла нормаль­ но к оптической оси и соединяющие разнополярные ионы (таких осей три), и механические, или нейтральные, оси У, нормальные к граням кристалла (их также три).

В ненапряженном кристалле все заряды скомпенсированы. Если же к кристаллу приложена сила Рг в направлении оси X (рис. 20.4, б и г), то баланс зарядов нарушается, кристаллическая решетка стано-

Рис. 20.4. Кристалл кварца и упрощенная модель его кристаллической решетки

вится поляризованной и на гранях У— У генерируется электрический заряд:

Яи — &1\Рц

поверхностная плотность которого

где йп — коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлек­ трическим модулем кварца; сгх — механическое напряжение в кристал­ ле; 5п1 —(площадь поверхности, на которую действует сила Рг.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы Рг, называется продольным. Если к кристаллу приложена сила Р2 в направлении оси У (рис. 20.4, д), то она вызовет поперечный пьезоэлектрический эф­ фект. При этом на тех же гранях У—У возникает заряд, противопо­ ложный по знаку тому, который возникает при действии силы Ри а значение этого заряда

где х, у — размеры пьезоэлемента в направлении осей X и У. Поверхностная плотность заряда в этом случае

где г — размер пьезоэлемента в направлении, перпендикулярном к плоскости ХУ; ог2= /У $ п2 — механическое напряжение.

Особенностью пьезоэлектрического эффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при переходе от сжатия кристалла к растяжению.

объясняется тем, что вследствие конечности входного сопротивления последующих преобразователей генерируемый заряд постепенно сте­ кает с поверхности преобразователей.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют обычно кварц (естественный пьезоэлектрический кристалл), а также искус­ ственно поляризованную пьезокерамику на основе титаната бария (ВаТЮ3), титаната свинца (РЬТЮ3) и цирконата свинца (РЬ2г03).

Принципиальная конструкция пьезоэлектрического преобразова­ теля показана на рис. 20.5, а. Входная величина (сила Рх) действует на верхнюю металлическую шайбу 1, которая прижимает пьезоэлек­ трические пластины 2, разделенные проводящей прокладкой (фольгой) 3, к нижней металлической шайбе 4. К проводящей фольге подпаян центральный вывод 5 коаксального кабеля, оплётка 6 которого соеди­ нена с электрически связанными шайбами 1 и 4. Пьезоэлементы рас­ положены так, что направления их поляризации противоположны.

Выходная разность потенциалов, возникающая при воздействии

где б — толщина пьезоэлектрических пластин; 5 — их площадь; Сп — емкость преобразователя; С0 — емкость выводов и измерительной элек­ трической цепи, нагруженной на преобразователь.

Для увеличения мощности выходного сигнала пьезоэлектрического преобразователя его пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллель­ но соединенных с помощью металлических прокладок 1 пьезоэлектри­ ческих пластин 2 (рис. 20.5, б).

Суммарная погрешность пьезоэлектрического преобразователя складывается из температурной погрешности, вызванной изменением пьезоэлектрической постоянной, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно к оси преобразователя, частот­ ной погрешности, обусловленной механическими частотными свой­ ствами кристалла и конечностью значения активного сопротивления Я материала пьезоэлемента, погрешности от нестабильности парамет­ ров измерительной цепи (входных емкости С0 и сопротивления

Яо).

В диапазоне низких частот частотная погрешность вычисляется по формуле

6 е ^

где © — частота исследуемого входного усилия.

Верхняя граница рабочего частотного диапазона определяется ме­ ханическими параметрами и свойствами преобразователя, в частности собственной частотой механических колебаний, которая может дости­ гать 100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изме­ няющиеся с частотой 7... 10 кГц.

Погрешности пьезоэлектрических преобразователей достигают 3...

...4 %.

20.3.Электромагнитные преобразователи

Впрактике преобразований механических величин нашли приме­ нение следующие виды электромагнитных преобразователей: индук­ тивные, взаимоиндуктивные и индукционные.

В индуктивных преобразователях используется зависимость ин­ дуктивности катушки от изменения сопротивления магнитной цепи.

Как известно, индуктивность электромагнитной цепи в виде магнитопровода с обмоткой и воздушным зазором, если пренебречь по­

токами рассеяния, равна

где 2т — полное магнитное сопротивление цепи; по — число витков катушки; 1и, б — длины магнитопровода и воздушного зазора; 5 М, 5б— площади поперечного сечения магнитопровода и зазора; р0> ^ — маг­ нитная постоянная и магнитная проницаемость материала магнито­ провода; Ри — потери мощности в магнитопроводе; Фм, со — ампли­ туда и частота магнитного потока.

В индуктивных преобразователях с переменной длиной воздушного зазора (рис. 20.6, а) используется зависимость индуктивности от длины воздушного зазора. Если пренебречь сопротивлением магнитопровода, которое мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора, а так­ же потерями мощности в магнитопроводе, то получим

г_

ь— 6

Следовательно, индуктивный преобразователь с переменной длиной воздушного зазора является нелинейным преобразователем, зависи­ мость Ь от длины зазора близка к гиперболической. С достаточной для практики степенью приближения можно считать его линейным лишь при малых относительных изменениях длины воздушного зазора Д6/6. В реальных конструкциях преобразователей относительное изменение зазора Д6/6 = 0,1...0,15 при нелинейности характеристики 1...3 %.

Рис. 20.6. Основные разновидности индукционных преобразователей

Поэтому такие преобразователи применяются для преобразований небольших перемещений (0,01...10 мм).

Значительное улучшение линейности при одновременном увеличе­ нии чувствительности достигается в. дифференциальных преобразова­ телях с двумя преобразовательными элементами, имеющими общую подвижную часть (рис. 20.6, в). В таких преобразователях подвижный якорь расположен симметрично обоих сердечников с начальным зазо­ ром б, и магнитные сопротивления для потоков, создаваемых обеими катушками, одинаковы. Изменения магнитных сопротивлений, проис­ ходящие при перемещении Дб якоря, имеют противоположные знаки. При встречно-последовательном включении обмоток их суммарная индуктивность

Вследствие того, что в знаменателе последнего выражения отноше­ ние Лб/б находится в квадрате, в дифференциальном преобразователе линейность характеристики обеспечивается в более широких преде­ лах. Поэтому практически все индуктивные преобразователи выпол­ няются дифференциальными.

Индуктивные преобразователи с переменной площадью воздушного

Функция преобразования таких преобразователей практически ли­ нейна.

Широкое распространение получили индуктивные преобразователи плунжерного типа с разомкнутой магнитной цепью. В основу прин­ ципа действия этих преобразователей положено изменение магнитного сопротивления участков рассеяния магнитного потока, а значит, и индуктивности катушки, при перемещении ферромагнитного подвиж­ ного элемента (плунжера) внутри катушки. Плунжерные индуктивные преобразователи могут быть с ферромагнитным сердечником или без такового, обычные или дифференциальные. Преимущественное рас­ пространение получили дифференциальные плунжерные преобразова­ тели с магнитопроводом (рис. 20.6, г).

Плунжерные преобразователи обладают, как правило, линейными характеристиками и обеспечивают преобразование перемещений от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров.

На точность работы индуктивных преобразователей оказывают влияние изменения температуры, вследствие чего изменяются магнит­ ная проницаемость и длина воздушных зазоров, колебания напряже­ ния питания и частоты. Обычно погрешность индуктивных преобра­ зователей составляет 0,1... 1,5 %.

При построении индуктивных преобразователей используется также зависимость магнитной проницаемости и других магнитных свойств ферромагнитного материала от механических упругих деформаций (эффект магнитоупругости). Такие преобразователи называются маг­ нитоупругими.

Основной характеристикой магнитного материала с точки зрения его магнитоупругих свойств является коэффициент магнитоупругой чувствительности, который (по аналогии с коэффициентом тензочувствительности) определяется как отношение относительного изменения

Наибольшим коэффициентом магнитоупругой чувствительности об­ ладают железо-никелевые сплавы типа пермаллоя (/Сц 200).

Магнитоупругие преобразователи используются чаще всего для измерения больших усилий (до несколько тысяч ньютонов). Конструк­ тивно они представляют собой магнитный сердечник той или иной конфигурации с расположенной на нем измерительной обмоткой, индуктивность которой является функцией измеряемого усилия. Рабочий диапазон преобразователей обычно не превышает 15...20 % предела упругости. Погрешности магнитоупругих преобразователей в основном обусловлены наличием в характеристике преобразования гистерезиса, зависимостью магнитной проницаемости от температуры, а также наличием остаточной деформации в железо-никелевых спла­ вах. Практически погрешность таких преобразователей достигает 3...

...4 %. Благодаря простоте конструкции магнитоупругие преобразова­ тели успешно находят применение в сложных условиях эксплуатации.

Работа взаимоиндуктивных (трансформаторных) преобразователей основана на использовании зависимости коэффициента взаимной ин­ дуктивности между намагничивающей ю1 и измерительной гю2 обмот­ ками от магнитного сопротивления цепи, значение которого является функцией измеряемой величины. При неизменном намагничивающем токе наводимая в измерительной обмотке э. д. с.

где 2М— магнитное сопротивление, являющееся функцией тех же па­ раметров, что и в случае индуктивных преобразователей.

По конструкции магнитопровода взаимоиндуктивные преобразо­ ватели напоминают индуктивные и могут быть как с переменным воз­ душным зазором, так и с переменной площадью воздушного зазора, а также плунжерного типа. Известны и другие конструктивные разновид­ ности взаимоиндуктивных преобразователей. В частности, для преоб­ разований больших линейных перемещений (порядка 1 м и больше)

П11ТП1ПТН----

ЦШ М ИПД. _ _

применяется преобразователь (рис. 20.7, а) с распределенными магнит­ ными параметрами. Он состоит из магнитопровода с рабочей частью в виде двух параллельных полос, намагничивающей ш1 и измеритель­ ной ш2 обмоток. При перемещении обмотки ш2 из крайнего левого положения в крайнее правое наводимая в ней э. д. с. уменьшается практически по линейному закону, если магнитное сопротивление магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением за­ зора. Нелинейность зависимости наведенной э. д. с. от положения вторичной обмотки можно скомпенсировать, выполняя магнитопровод профилированным.

В трансформаторном преобразователе угловых перемещений (рис. 20.7, б) обмотка хю2 выполнена в виде рамки 1,-имеющей возмож­ ность поворачиваться в зазоре магнитной цепи 2. При протекании тока возбуждения по обмотке ш1 наводимая в рамке э. д. с. зависит от ее углового положения ос, при этом зависимость амплитуды э. д. с. от угла — синусоидальная. Преобразователи подобного типа применяют для преобразования больших угловых перемещений.

Часто трансформаторные преобразователи для измерения угловых перемещений выполняются в виде электрических машин, у которых первичная обмотка располагается на статоре, а вторичная — на ро­ торе.-При этом используются вращающиеся трансформаторы и сель­ сины.

Вращающиеся трансформаторы имеют обычно по две взаимно пер­ пендикулярные обмотки на статоре и роторе. Обеспечивая соответ­ ствующую коммутацию обмоток, получают линейную зависимость выходного напряжения от угла поворота либо зависимость в виде си­ нуса или косинуса угла поворота.

Сельсины обычно имеют однофазную первичную и трехфазную вто­ ричную обмотки. Они используются для дистанционной передачи уг­ ловых перемещений, для чего на приемной стороне применяется еще один сельсин, причем первичные и вторичные обмотки обоих сельси­ нов электрически связаны.

По сравнению с индуктивными трансформаторные преобразователи имеют такое важное преимущество, как отсутствие гальванической связи между питающими и выходными (измерительными) цепями.

Индукционные преобразователи. Принцип работы таких преобразо­ вателей основан на использовании явления электромагнитной индук­ ции. При линейных (рис. 20.8, а) или угловых (рис. 20.8, б) переме­ щениях измерительной катушки в известном магнитном поле наводи-

диаметр рамки; х, а — линейное и угловое перемещения. Индукционные преобразователи используются для измерения ли­

нейной и угловой скоростей, а также других величин, функционально связанных с ними. Индукционные преобразователи, предназначенные для измерения угловой скорости и выполненные в виде небольших генераторов постоянного или переменного тока, называются тахогенераторами.

Источником погрешностей индукционных преобразователей яв­ ляются нелинейность функции преобразования и нестабильность па­ раметров магнитных материалов во времени и от изменения темпера­ туры. Нелинейность обусловлена главным образом неоднородностью магнитного поля в зазоре и обратным влиянием поля катушки при протекании по ней тока. Погрешности индукционных преобразовате­ лей составляют 0,1... 1 %.

20.4. Тепловые преобразователи

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия термо­ электрического преобразователя (термопары) основан на использова­ нии термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в возникновении термо-э. д. с. в цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, называемых термоэлектродами, если температура 0! места соединения электродов (так называемого рабочего, или горячего, спая) и температура 0 2 свободных (холодных) концов неодинаковы. В общем случае значение возникающей термо- э. д. с. является нелинейной функцией температуры Ох:

еТ — е (®х) — с,

где с — постоянная величина, значение которой определяется темпе­ ратурой 0 2.

Для любой пары однородных проводников значение термо-э. д. с. зависит только от природы проводников (материалов) и от температур 0 15 0 2 и не зависит от распределения температур между концами тер­ мопары.

Для измерения температур в пределах—200...+2500 °С приме­ няются стандартные термопреобразователи температуры, выпускаемые в СССР согласно ГОСТ 6616—74 «Преобразователи термоэлектриче­ ские ГСП. Общие технические условия» (табл. 20.1). Градуировочные таблицы и метрологические характеристики таких преобразователей нормируются ГОСТ 3044—77 «Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики преобразования».

120 с и большой инерционности, имеющие показатель тепловой инер­ ции до 180 и 300 с.

Кроме стандартных, используются и специальные термоэлектричес­ кие преобразователи температуры. Это обусловлено стремлением рас-

Таблица 20.1

ширить пределы преобразования и повысить точность, а также спе­ цификой условий эксплуатации, технико-экономическими соображе­ ниями. Так, для преобразования низких температур вплоть до темпе­ ратуры кипения водорода нашли применение медь— константановые термопреобразователи с рабочим диапазоном температур —200...300 °С. Для преобразования высоких температур (свыше 1300...1800 °С) раз­ работаны термопреобразователи на основе тугоплавких металлов, та­ ких, как иридий, вольфрам, молибден, тантал, ниобий, а также на ос­ нове углеродистых и графитовых волокон.

На рис. 20.10 приведены две основные разновидности конструктив­ ного оформления термоэлектрического преобразователя темпера­ туры.

Обычно соединение термоэлектродов 1 я 2 в рабочем спае 3 осуще­ ствляется электродуговой сваркой, а в термопреобразователях для невысоких температур — пайкой серебряным или оловянным припоем. Рабочий конец чувствительного элемента помещается в электроизоля­ ционный наконечник 4.

Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга с помо­ щью одноили двухканальных трубок или бус 5. При этом, если верх­ ний предел преобразования температуры составляет 100...120 °С, при-| меняется любой изоляционный материал, до 1300 °С — фарфор, а свы­ ше — окиси алюминия, магния, бериллия, двуокиси тория, циркония, нитрида бора.

Свободные концы термоэлектродов подводятся к клеммам 7 кон­ тактной колодки. Термоэлектроды помещаются в защитную арматуру 6, засыпаются керамическим порошком и герметизируются. В зави­ симости от верхнего предела преобразования и агрессивности среды защитная арматура может выполняться из нержавеющей стали, окиси алюминия, карбида кремния. В термопреобразователях с защитной арматурой, выполненной из изоляционного материала (рис. 20.10, б), электроизоляционный наконечник отсутствует.

Стандартом нормируется лишь погрешность градуировки термоэлек­ трического преобразователя. В то же время иные ее составляющие могут оказать существенное влияние на результат преобразования