книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

температуры. Особенно существенными могут оказаться погрешности, вызванные временным изменением свойств термоэлектродов, обуслов­ ленным загрязнением термоэлектродов примесями из окружающей среды или защитных оболочек, изменением процентного соотношения между компонентами термоэлектродов в результате испарения неко­ торых компонентов и т. д. Поэтому часто указывается допустимое время работы преобразователя, по истечении которого его погрешности

Таблица 20.2

*Термопреобразователи с номинальными сопротивлениями н градуировками (гр.), указанными

искобках, в новых разработках не применяются.

могут выйти за пределы допустимых значений. Эти погрешности могут быть исключены лишь путем повторных градуировок преобразователя и введением поправок.

Терморезистивные преобразователи. Принцип действия терморе­ зистивных преобразователей основан на использовании свойства про­ водников или полупроводников изменять свое электрическое сопро­ тивление при изменении температуры.

Из проводниковых материалов широкое применение получила пла­ тина, которая даже при высоких температурах в окислительной среде не изменяет своих физических и химических свойств. ТКС платины в

диапазоне 0...100°С составляет примерно 1/273 К-1, удельное сопро­

тивление при 20 °С равно 10,5 • 10“ 6 Ом • м, диапазон преобразуемых температур составляет — 260...+1300 °С.

Температурная зависимость сопротивления платины в диапазоне 0...650°С описывается уравнением

/?о = #о(1 + Л @ +В 02),

где /?е, #о — сопротивления преобразователя при © и 0 °С; А, В — постоянные коэффициенты (для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термопреобразователях температуры, А =■ 3,9702 X

X 10—3 К ~ \ В - —5,8893 • 1(Г7 К-2).

В интервале температур 0...—200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид

Кв = К0 [1 + А® + Я02 + С (0 - 100)3],

где С = -4,356 . 10-12 К-3.

С целью удобства градуировочные характеристики (зависимость /?е = / (в)) обычно задаются в виде таблиц, а для температур ниже — 200 °С и выше +605 °С — исключительно в виде таблиц.

'/1едь благодаря своей низкой стоимости широко применяется в пре­ образователях температуры в диапазоне —50...+180 °С. Температур-

симость электрического сопротивления от температуры — линейная: Я© = К0 (1 + “ ев).

К недостаткам медных преобразователей температуры относится высокая окисляемость меди при нагреваниях, вследствие чего они при­ меняются в сравнительно узком температурном диапазоне, в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.

Кроме платины и меди, для чувствительных элементов могут при­ меняться никель, вольфрам и другие чистые металлы.

Терморезистивные преобразователи температуры (ГОСТ 6651—78. «Термопреобразователи сопротивления ГСП. Общие технические ус­ ловия») бывают двух основных разновидностей: с платиновым (ТСП) и медным (ТСМ) чувствительным элементами и предназначены для' преобразования температуры в диапазоне —200. ..+1100 °С (табл. 20.2).

Стандарт нормирует значение сопротивления при температуре 0 °С и его отклонения бКо в процентах номинального значения, а так­ же допустимые отклонения отношения №1оо = Кюо/Ко сопротивления

Конструкции чувствительных элементов терморезистивных преоб­ разователей температуры бывают самыми разнообразными в зависимос­ ти от пределов преобразуемых температур, условий эксплуатации и т. п. Чувствительный элемент современного платинового терморезйстивного преобразователя температуры (рис. 20.11, а) имеет вид спи­ рали 1, помещенной в канавках двухили четырехканального керами­ ческого каркаса -2 и уплотненной порошкообразной окисью алюминия

зистивные преобразователи температуры. Они отличаются от металлических ббльшими значениями ТКС, а следо­ вательно, в конечном счете и меньшими размерами и инерционностью.

Температурная зависимость полупроводниковых терморезисторов довольно хорошо описывается формулой

Де = Аев/в,

где Л и В — постоянные коэффициенты.

Существует много разновидностей полупроводниковых терморези­ сторов, отличающихся конструктивными и электрическими парамет­ рами. Типичные конструкции полупроводниковых термопреобразова­ телей температуры показаны на рис. 20.13. Термочувствительный полу­ проводниковый элемент 1 таких преобразователей помещается в ващитный корпус 2 и уплотняется специальной засыпкой 3 (рис. 20.13, а) или крепится к основанию термопреобразователя стеклоприпоем (рис. 20.13, б).

Полупроводниковые терморезисторы уступают проводниковым по точности, имеют существенно большую нелинейность, значительный разброс номинального сопротивления (до ± 20 %) и ТКС до ± 5 %. Однако благодаря простоте конструкции, дешевизне, возможности миниатюрного исполнения (в виде шарика диаметром до 1 мм), высокой чувствительности полупроводниковые терморезисторы находят широ­ кое применение в технике измерений температуры в диапазоне от —90 до 300 °С.

20.5. Электрохимические преобразователи

Электрохимическим называют преобразователь, выполненный в виде ячейки, заполненной проводящим электрический ток раствором и снабженной двумя или несколькими электродами. В общем случае электроды непосредственно участвуют в физико-химических процес­ сах, протекающих в преобразователе, и служат для его подключе­ ния в измерительную цепь.

Принцип работы электрохимических преобразователей основывает­ ся на зависимостях между составом и свойствами растворов и электри­ ческими параметрами преобразователей, какими являются электриче­

ское сопротивление, падение напряжения, которое образовалось между электродами при протекании тока по раствору, э. д. с., возникающая между электродами и раство­ ром и пр.

Резистивные электролитические преоб­ разователи. Полярные химические соеди­ нения подвергаются в водном растворе дис­ социации, характеризующейся появлением ионов. Такие растворы называют электро­ литами. Удельная проводимость у элек­ тролита при температуре 25 °С связана с

при нулевой концентрации.

Для растворов малой концентрации зависимость удельной прово­ димости от концентрации в первом приближении линейна. С увеличе­ нием концентрации электролита вследствие взаимодействий между ионами зависимость удельной проводимости от концентрации является существенно нелинейной (при некоторой концентрации наступает максимум проводимости). На практике преобразователи для анализа работают только на монотонных участках зависимости у = [ (С).

Удельная проводимость зависит от температуры. Температурный коэффициент этой зависимости положителен и составляет 1...3 %/К, если считать за исходную удельную проводимость при 25 °С. Он раз­ личен не только для разных веществ, но и для одного и того же веще­ ства различной концентрации.

В зависимости от наличия или отсутствия гальванического контак­ та электродов с исследуемым раствором существуют преобразователи различного типа.

Измерительные преобразователи с гальваническим контактом могут быть с плоскими и концентрическими электродами (рис. 20.14). В пре­ образователях с плоскими электродами (рис. 20.14, а), отстоящими один от другого на расстоянии / и имеющими активную площадь, за­ висимость сопротивления .от удельной проводимости имеет вид

линий в междуэлектродном пространстве, постоянную ячейки на прак­ тике определяют не расчетом по ее геометрическим размерам, а с по­ мощью тарировочных (образцовых) растворов, имеющих точно извест­ ную проводимость у„.

Гальванический контакт между электродами и раствором может привести к погрешностям преобразования, обусловленным поляриза­ цией. Для уменьшения погрешностей от поляризации измерительные цепи контактных преобразователей питают переменным током часто­ той от 50 Гц до 5 кГц.

Сопротивление преобразователя для различных концентраций рас­ творов составляет от 100 Ом до 100 кОм.

Для устранения явления поляризации применяют также бескон­ тактные преобразователи. Бесконтактные электрохимические преобра­ зователи могут быть трансформаторными или емкостными. Низкоча­ стотный трансформаторный преобразователь состоит из магнитопровода, первичной намагничивающей обмотки и имеет в качестве чувстви­ тельного элемента вторичную короткозамкнутую обмотку, выполнен­ ную из стекляной трубки, заполненной исследуемым раствором. Зна­ чение первичного тока трансформатора зависит от сопротивления вторичной цепи, т. е. в конечном счете от электропроводности и кон­ центрации исследуемого раствора.

В высокочастотных бесконтактных преобразователях на внешней поверхности тонкостенной стеклянной пробирки или трубки, запол­ ненной исследуемым раствором, установлены измерительные электро­ ды в емкостных или измерительная обмотка в индуктивных преобразо­ вателях. Такие преобразователи включают обычно в резонансный контур, питаемый высокочастотным напряжением. Добротность та­ кого контура является функцией сопротивления, а значит, и кон­ центрации исследуемого раствора. Частота питания составляет 1...

...100 МГц. Погрешность преобразования электролитических преобразо­ вателей составляет 1...2 %.

Гальванические преобразователи рН-метров. Принцип действия гальванических преобразователей рН-метров основан на зависимости электродных потенциалов (э. д. с. гальванической цепи) от актив­

активностей и сонсправедливо для нейтральных водных раство­ ров. Для водных растворов кислот ан+ > аон_ и тем больше, чем больше концентрация, а для водных растворов щелочей анл_ < аон_ и

уменьшается с уменьшением концентрации. В то же время произве­ дение этих активностей для данной температуры остается постоянным как для воды, так и для водных растворов кислот и щелочей и опре­ деляется так называемым ионным произведением воды:

Кнго = Ян+<2он—.

Ионное произведение при заданной температуре имеет постоянное значение и при 22 °С Кн2о = Ю- и . Следовательно, для оценки свойств

водных растворов достаточно измерить, например, активность водных ионов. Активность водородных ионов характеризуют так называемым водородным показателем рН, равным десятичному логарифму от. ак­ тивности водородных ионов, взятому со знаком минус:

Для водных растворов при температуре 22 °С рН изменяется от О для сильноконцентрированных растворов кислот до 14 единиц для концентрированных водных растворов щелочей, для нейтральных рас­ творов рН = 7. При температуре 60 °С этот показатель меняется от —1 до 4-15.

Для определения рН водных растворов наибольшее практическое применение нашел потенциометрический метод, сущность которого заключается в измерении разности потенциалов двух специальных электродов, один из которых измерительный и помещен в исследуемый раствор, а другой, базовый,— в известный стандартный раствор и имеет постоянный потенциал.

Значение электродных потенциалов каждого из электродов зави­ сит от материала электрода, концентрации его ионов в растворе, тем­ пературы раствора и определяется уравнением Нернста:

где е0 — нормальный потенциал электрода (при нормальной концент­

X104 Кл/моль — число Фарадея.

Разность потенциалов, развиваемая базовым и измерительным элек­

тродами одинаковой природы и помещенными в растворы тех же во­ дородных ионов,

Ае = ббаз ех = 0§а<н+)баз ^ а(Н+)х)'

В электрохимии за начало отсчета принят потенциал так называе­ мого «водородного электрода» относительно электролита с активностью

Обычно водородным электродом (рис. 20.15, а) служит платиновая пластинка, покрытая платиновой чернью, к которой непрерывно по­ ступает газообразный водород. Однако его практическое применение ограничено из-за необходимости непрерывного насыщения водородом. Поэтому на практике более широкое применение получили другие типы электродов, главным образом каломельные (рис. 20.15, б).

Погружаемый каломельный электрод представляет собой сосуд, имеющий внутреннюю 5 и наружную 7 полости, разделенные стеклян­

Рис. 20.17. Источники оптических излучений.

ного излучения оптического диапазона волн (300...0,003 мкм). При этом используются свойства светового потока ослабляться, рассеи­ ваться, отражаться, отклоняться при его прохождении сквозь иссле­ дуемую среду.

Оптико-электрический преобразователь содержит источник излу­ чения, оптический канал и приемник излучения, в котором энергия излучения преобразуется в изменение электрического параметра.

Источники оптических излучений. Источники оптического излуче­ ния подразделяются на тепловые и люминесцентные. К первым отно­ сятся лампы накаливания, ко вторым — газоразрядные лампы, элек­ тролюминофоры, оптические квантовые генераторы и светодиоды. Сле­ дует отметить, что во многих случаях источником излучения является сам объект излучения (например, в оптических пирометрах для изме­ рения температуры, люксметрах и экспонометрах для измерения ос­ вещенности, и т. п.).

Лампы накаливания имеют тело накаливания обычно в виде тон­ кой спирали. Их излучение имеет сплошной спектр. Спектральное рас­ пределение энергии излучения и интегральная светимость (поток, из­ лучаемый единицей поверхности тела) ламп накаливания сильно за­ висят от температуры тела накаливания и, следовательно, от режима питания. Лампы накаливания являются высокоинерционными источ­ никами света, поэтому их используют в режиме постоянного свечения.

Свечение газоразрядных источников света возникает в результате прохождения электрического тока через газ или пар. Излучение га­ зоразрядных (в частности, ртутно-кварцевых) ламп имеет линейчастый спектр.

Широкое применение получили электролюминесцентные источни­ ки света. Высвечивание электролюминофоров может возбуждаться ли­ бо электрическим полем, прикладываемым к электролюминесцентному конденсатору, либо током, протекающим через люминофор.

Электролюминесцентный конденсатор (рис. 20.17, а) состоит из подложки 1, на которую наносится проводящий слой 2 (электрод), слоя электролюминофора 3, защитного слоя 4 и второго электрода 5. Если выход света осуществляется со стороны подложки, то последняя вы­ полняется прозрачной. Спектральные характеристики люминофоров находятся в диапазоне длин волн 0,4...0,6 мкм.

Инжекционные светодиоды (рис. 20.17, б, в) представляют собой излучающий р—п переход, свечение которого обусловлено интенсив­ ной рекомбинацией в нем носителей тока. Инжекционные светодиоды имеют миниатюрное исполнение.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное и когерентное излучение. Наибольшее