книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

распространение получили три типа лазеров: газовые, твердотельные и полупроводниковые. Основными преимуществами лазеров на полу­ проводниковых материалах (арсенид галлия, кремний с примесью индия, фосфид галлия, арсенид индия и др.) являются высокий к. п. д. (80.,.90 %) и простота возбуждения, высокое быстродействие, возмож­ ность генерации требуемой спектральной линии и пр. Ширина спек­ тральной линии излучения может составлять несколько нанометров, угол расхождения пучка — 6...10'

Приемники оптического излучения. Такие приемники могут быть разделены на тепловые и фотоэлектронные. Принцип работы первых основан на предварительном преобразовании энергии излучения в тепловую и последующем ее преобразовании в электрический сигнал. К ним относятся термоэлементы, болометры и пироэлектрики.

Термоэлемент представляет собой тонкий металлический диск с зачерненной поверхностью, к которой касается рабочий спай термо­ электрического преобразователя (термопары). При попадании на за­ черненную поверхность диска лучистой энергии он нагревается, вслед­ ствие чего э. д. с. термопары будет мерой падающего на приемную площадку излучения. При хорошем качестве зачерненной поверхно­ сти относительная спектральная чувствительность в видимой области спектра практически не зависит от длины волны. Для повышения чув­ ствительности приемника используют несколько последовательно включенных термопар.

В болометрах используется изменение электрического сопротив­ ления зачерненной тонкой полоски из проводникового или полупро­ водникового материала под действием повышения температуры, вы­ званного облучением.

Пироэлектрик представляет собой кристалл, электрическая поля­ ризация которого изменяется при повышении температуры, вызван­ ном поглощением падающего на него излучения. Такие приемники в настоящее время превосходят все другие тепловые приемники — они отличаются стабильностью, высокой чувствительностью и быстродей­ ствием. Тепловые приемники излучения являются неизбирательными приемниками лучистой энергии.

Фотоэлектронные приемники являются преобразователями, прин­ цип работы которых основан на использовании внешнего или внутрен­ него фотоэффекта.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой элек­ тронную лампу, в которой падающий на фотокатод свет вызывает эмис­ сию электронов. Различают вакуумные и газонаполненные фотоэлемен­ ты. Относительная спектральная чувствительность фотоэлементов зависит от материала катода. Кривая зависимости фототока от освещен­ ности для вакуумных фотоэлементов строго линейна, для газонапол­ ненных — приближенно линейна. Чувствительность вакуумных фото­ элементов не зависит от частоты до 107 Гц, газонаполненных — только до 103 Гц.

Фотоумножитель (рис. 20.18) представляет собой вакуумный фото­ элемент с внешним фотоэффектом, в котором поток фотоэлектронов усиливается на нескольких ступенях вторичной эмиссии. Относитель­ ная спектральная чувствительность фотоумножителя в основном

///

новое электромагнитное излучение. Источниками излучений служат искусственные и естественные радиоизотопы и рентгеновские трубки.

Радиоактивные изотопы, используемые для построения преобразо­ вателей ионизационного излучения, характеризуются следующими ос­ новными параметрами: активностью, силой источника (скорость рас­ пада), периодом полураспада и стандартной мощностью дозы. В целях измерений наибольшее распространение получили радиоактивные изо­ топы стронция, кобальта, натрия и др.

Преобразование энергии ионизирующего излучения в электриче­ ский сигнал осуществляется приемниками ионизирующих излучений. Приемники излучения основаны или на явлении ионизации газов при прохождении через них излучения, или на люминесценции некоторых веществ под действием излучения. В качестве приемников используют­ ся: ионизационные камеры; пропорциональные, газоразрядные и сцинтиляционные счетчики; счетчики актов испускания; полупроводнико­ вые, термо-, фотолюминесцентные и экзоэлектронные детекторы.

В ионизационной камере (рис. 20.19), заполненной газом, устанав­ ливаются два электрода (внутренний 1 и внешний 2), к которым при­ ложена некоторая разность потенциалов. Так как газы в их основном состоянии практически являются полностью диэлектриками, то раз­ ность потенциалов между электродами не создает какого-либо тока. Под действием ионизационного облучения в газе появляются ионы, что вызывает появление тока /, зависящего от приложенного напря­ жения (/, как показано на рис. 20.20 (участок /). При некотором на­ пряжении между электродами почти все образовавшиеся ионы до их рекомбинации будут достигать электродов. При этом ионизационный ток оказывается в значительной степени независимым от приложенного напряжения и зависит только от плотности потока частиц или мощ­ ности дозы излучения (участок III). В этом и заключается обычный режим работы ионизационных камер.

При увеличении напряжения между электродами имеет место так называемый пропорциональный резким (участок IV). В этом случае кинетическая энергия ионов настолько велика, что ионы вновь обра­ зуют новые вторичные пары ионов, так что создается эффект усиления. Этот эффект пропорционален ионизации, полученной под действием облучения. На этом принципе работают пропорциональные счетчики.

Дальнейшее повышение напряжения менаду электродами приводит в область с самостоятельным разрядом (участок К). При этом каждая

первичная ионизация вызывает возникновение разрядных импульсов в камере. Ток в камере практически ограничивается только числом импульсов и внутренним сопротивлением источника напряжения.

Вэтом режиме работают счетчики Гейгера.

Впропорциональных счетчиках коэффициент газового усиления

составляет 103...105, т. е. они являются весьма чувствительными. С дру­ гой стороны, по числу первично образованных ионов или по виду из­ лучения можно судить об энергии. Поэтому пропорциональные счет­ чики применяют в импульсном режиме для того, чтобы иметь возмож­ ность полностью использовать избирательность по энергии.

Счетчики актов испускания (счетчики Гейгера) имеют коэффициент газового усиления в пределах 107...1010. Имеется множество вариантов исполнения счетчиков Гейгера. Из-за высокого газового усиления на их основе строятся простые контрольные дозиметры.

При поглощении твердого вещества ионизирующего излучения некоторая доля облучающей его энергии затрачивается на изменение физического состояния этого вещества. Это — эффекты ионизации и люминесценции в твердых телах.

Вполупроводниковых системах поглощение ионизационного излу­ чения создает в свободной от носителей заряда области пары электрон — дырка, которые перемещаются в зону поля р—п перехода и создают электрический ток. На этом принципе работают полупроводниковые детекторы излучений. Их преимущество состоит в том, что для образо­ вания каждой пары электрон — дырка требуется приблизительно на по­ рядок меньше энергии, чем для образования ионов в газонаполненной ионизационной камере. Поэтому полупроводниковые детекторы об­ ладают на порядок большей чувствительностью.

Всцинтиляционных счетчиках используется эффект появления под действием излучения световых вспышек очень малой длительности. Эти вспышки с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуются

вэлектрические сигналы достаточно большой амплитуды. В основном сцинтиляционные счетчики применяют для определения интенсивнос­ ти излучения изотопов.

Нагрев некоторых твердых тел после их предварительного иониза­ ционного облучения, сопровождающегося изменением их состояния, вызывает возврат состояния вещества в первоначальное состояние до облучения. Часть освобождающейся при этом энергии излучается в виде термолюминесцентного свечения. На этом принципе строятся термолюминесцентные детекторы. Для преобразования световой эне­ ргии в электрическую применяют различные фотоприемники, в зна­ чительной степени определяющие чувствительность термолюминесцент­ ного детектора.

Под воздействием ионизационного излучения некоторые твердые тела изменяют характер поглощения ими светового потока. Возника­ ющие при этом центры люминесценции используют для обнаружения ионизирующего излучения. Распространение получили детекторы из метафосфата щелочных и щелочно-земельных металлов с серебром в качестве активатора. Для возбуждения образовавшихся центров лю­ минесценции обычно используется фотоэлектронный усилитель.

Поглощение ионизирующих излучений некоторыми непроводящими

материалами вызывает переход электронов на более высокий энергетический уровень. Эти электроны под воздействием света или тепла могут вылетать с поверхности материала и подсчитываться счетчиком электронов. Число электронов является мерой дозы излучения, по­ глощенной материалом. На этом принципе строятся экзоэлектронные детекторы, позволяющие измерять дозы вплоть до нескольких наногрэй.

Точность ионизационных преобразователей составляет несколько процентов. Основное преимущество таких преобразователей — бесконтактность преобразования, т. е. их целесообразно применять в агрес­ сивных с повышенной адгезионной способностью, взрывоопасных средах при повышенных давлениях и температурах, где применение иных преобразователей сопряжено со значительными трудностями или недопустимо с точки зрения безопасности.

Г л а в а 21. ИЗМЕРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

21.1. Измерение размеров, уровней и расстояний

Широкий диапазон размеров, уровней и расстояний, подлежащих техническим измерениям в настоящее время, а также сложность ус­ ловий проведения измерений в промышленности определяют многооб­ разие методов и средств, с помощью которых осуществляют эти изме­ рения. Все эти методы, как уже указывалось в п. 19.1, можно укрупненно разделить на контактные и бесконтактные.

При контактных методах измерений размеров, уровней и расстоя­ ний чувствительный элемент первичного измерительного преобразо­ вателя находится в непосредственном или посредством механического упругого элемента механическом контакте с исследуемым объектом. При контактных методах измерений первичный измерительный преоб­ разователь может в некоторой степени влиять на геометрические раз­ меры или физико-химические свойства объекта исследования. В не­ которых случаях вообще невозможно применение контактных методов измерений, например, при измерениях размеров горячих и мягких изделий, при быстроперемещающихся объектах или при неблагоприят­ ных условиях окружающей среды (влажность, запыленность, вибра­ ция, опасность механического разрушения и т. п.). В этих случаях требуется применение бесконтактных методов измерения.

Измерение размеров. Диапазон измеряемых размеров лежит в пределах от долей микрометра при определении толщины покрытий или шероховатостей поверхности до нескольких десятков метров при измерении геометрических линейных размеров деталей машин и ме­ ханизмов, зданий и сооружений.

В качестве первичных измерительных преобразователей при кон­ тактном методе измерения небольших размеров чаще всего применяют дифференциальные индуктивные или емкостные преобразователи.

Наиболее распространенными измерительными цепями индуктив­ ных преобразователей являются мостовые цепи, позволяющие исполь-

Рис. 21.1. Мостовая измерительная цепь с дифференциальным индуктивным преобра­ зователем

зовать дифференциальные преобразователи. Если катушки дифферен­ циального преобразователя включить в два соседних плеча моста, то

ляет уменьшить погрешность от влияния внешних факторов, в част­ ности влияния изменения температуры внешней среды.

В мостовой цепи рис. 21.1 индикатором измеряемого размера слу­ жит магнитоэлектрический миллиамперметр, подключенный к выходу фазочувствительной кольцевой схемы выпрямления. Резистор /?р пе­ ременного сопротивления предназначен для установки нулевого пока­ зания миллиамперметра при нулевом или заданном значении измеряе­ мого размера. Пренебрегая эквивалентным активным сопротивлением обмоток преобразователя и прямыми сопротивлениями выпрямителей, можно определить значение среднего выпрямленного выходного’ тока

нении измеряемого размера от начального значения; кф— коэффициент формы кривой питающего напряжения; На — сопротивление милли­ амперметра; Нэм и *э„ — соответственно активное и реактивное со­ противление моста относительно зажимов миллиамперметра.

Обычно индуктивные преобразователи включаются в мостовую не­ уравновешенную цепь, питание которой с целью уменьшения погреш­ ности измерения осуществляется от стабилизированного источника.

Использование логометрической схемы (рис. 21.2) не требует ста­ билизации напряжения питания. Кроме того, в этой схеме влияние изменений сопротивлений линии связи на результат измерения незна­ чительно. В качестве измерительного прибора применен магнитоэлек­ трический логометр с выпрямительной схемой и фильтром. Резисторы

шек индуктивного преобразователя, а тем самым изменяется отноше­ ние токов /х/Уа логометра, шкала которого проградуирована непосред­ ственно в единицах перемещения.

Рис. 21.6. Схема уровнемера с днф ференциалыю-трансформаторным преобразователем

В процессе измерения исследуемая деталь устанавливается между источником и приемником излучения.

Поскольку

исследуемая толщина может быть определена как

где р — коэффициент ослабления, зависящий от атомной массы облу­ чаемого материала, а также энергии излучения (действителен только для узкого пучка лучей).

Когда имеется доступ только с одной стороны исследуемого объек­ та, для измерения его толщины используют обратное рассеянное |3- излучение.

Наиболее пригодными для промышленного применения приемни­ ками излучений являются ионизационные камеры, счетчики радиоак­ тивных излучений и сцинтилляционные счетчики.

Измерение уровней. При выборе метода измерения уровня необхо­ димо учитывать такие физические и химические свойства жидкости, как температура, абразивные свойства, вязкость, проводимость, ра­ диоактивность, химическая агрессивность, а также рабочие условия (давление, вакуум, отопление и др.), при которых проводятся изме­ рения. Исходя из требуемых метрологических и эксплуатационных характеристик, применяют те или иные методы измерения уровня.

Простейшие методы измерения уровня порядка от долей до несколь­ ких метров основаны на применении поплавков и масштабных меха­ нических преобразователей их перемещений в виде рычажных или ременных передач с последующими реостатными или дифференциаль­ но-трансформаторными преобразователями.

На рис. 21.5 показана схема реостатного уровнемера [17], который часто используется для измерения уровня горючего в баках автомо­ билей, самолетов и т. п. Поплавок размещен в баке с жидкостью и

Резисторы # / и #2 служат для согласования параметров преобразо­ вателя и логометра с целью обеспечения заданного диапазона изме­ рения.

Зная сопротивление реостатного преобразователя # п, диапазон от-

# 02 ег0 рамок, а также минимальные значения токов / |т1|1 и /2тш> необходимые для устойчивой работы логометра, можно определить # 3 и # 2, исходя из следующих равенств:

Яп “ ЛЯП1 Ч~ ЯлЧ* Я2 Ч~ Яр2 АЯщ Ч- Ял Ч- Я(д Ч~ Я2

где Д#п1 и Д#п;! — значения сопротивлений реостатного преобразова­ теля, определяемые пределами перемещения его движка в зависимости от заданного диапазона измерения уровня; # л — сопротивление ли­ нии связи.

Значение напряжения питания V должно удовлетворять условиям:

и > 11шт (#01 + #1 + #л + #п —Д#п2); и > ^2ш1п(#02 + # 2 + #л + #п —Д#пх)-

На рис. 21.6 показана схема уровнемера с дифференциально-транс­ форматорным преобразователем, плунжер которого соединен с по­ мощью стержня из немагнитного материала с поплавком, свободно подвешенным на пружине, служащей в этом случае масштабным пре­ образователем сравнительно больших перемещений поплавка в неболь­ шие перемещения плунжера. В зависимости от уровня жидкости в резервуаре на стержень действует подъемная сила, вследствие чего пру­ жина укорачивается, а плунжер перемещается, изменяя его выход­ ную э. д. с. В качестве вторичного прибора чаще всего применяются приборы типа КПД, КОД с дифференциально-трансформаторной из­ мерительной схемой (см. рис. 19.7).

Поплавковые уровнемеры непригодны для измерения уровней вяз­ ких, зернистых или порошкообразных материалов. В этих случаях используют емкостные уровнемеры, которые нашли широкое приме­ нение для измерения уровня угольной пыли в бункерах и хранилищах, мазута, топлива, кислот, щелочей и вязких материалов в баках.

В основу емкостного метода положено изменение емкости конден­ сатора в зависимости от уровня его заполнения. Первичный преобра­ зователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорцио­ нальное изменение емкости, представляет собой, например, цилиндри­ ческий конденсатор, электроды которого расположены коаксиально и помещены в резервуар, уровень содержимого которого измеряется. Конденсатор может быть образован стенкой резервуара и щупом, по­ груженным в его содержимое. Для каждого значения уровня жидкости в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов и жидкостью, уровень которой измеряется,

а второй — остальной частью электродов преобразователя и возду­ хом или парами жидкости, нахо­ дящимися выше уровня раздела этих сред.

Необходимо при этом иметь в ви­ ду, что измеряемый уровень жид­ кости функционально связан с ди­ электрической проницаемостью е веществ. При этом емкость конден­ сатора первичного преобразователя определяется .как диэлектрической проницаемостью вещества, уровень которого измеряется, так и вещест­ ва, находящегося ниже и выше уровня раздела его с другими ве­ ществами. Если градуировка пер­

вичного преобразователя произведена для каких-то определенных сред с известными е, то при изменении свойств вещества (или заполнении резервуара другой жидкостью) возникают большие погрешности. Для повышения точности измерения уровня за счет уменьшения влияния изменения относительной диэлектрической проницаемости жидкости на показания уровнемера преобразователь снабжают компенсационным конденсатором (или конденсаторами), который размещается всегда пол­ ностью погруженным в той среде, диэлектрическая проницаемость которой может изменяться [10].

Взависимости от электрических характеристик жидкости, уровень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлектропровод­ ные и электропроводные. Электроды емкостного преобразователя для измерения уровня электропроводных жидкостей покрывают электри­ ческой изоляцией, а электроды преобразователей для неэлектропро­ водных жидкостей не изолируют.

При использовании емкостных преобразователей для измерения уровня сыпучих тел необходимо, чтобы влажность последних была по­ стоянной, поскольку в противном случае возникают большие погреш­ ности как за счет изменения эквивалентной схемы емкостного преобразователя, так и за счет изменяющегося сопротивления уте­ чек.

Вкачестве примера на рис. 21.7 приведена принципиальная элек­ трическая схема уровнемера, предназначенного для измерения уровня неэлектропроводных и электропроводных жидкостей в комплекте с соответствующим емкостным преобразователем.

Преобразование сигнала емкостного преобразователя в напряжение осуществляется мостовой измерительной схемой с обратной связью. Плечи моста образованы измерительным конденсатором преобразова­ теля С„, компенсационным конденсатором преобразователя Ск, вто­ ричной обмоткой хю1 трансформатора 77 и вторичной обмоткой и>3 трансформатора Т2.

Вторичная обмотка ы>1 трансформатора 77, конденсатор с постоян­ ной емкостью С0 и вторичная обмотка ш>4трансформатора Т2 включены