Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Рисунок 97 - Индуктивный датчик с перемещающимся якорем для
измерения усилия
В отличие от описанных индуктивных элементов, выходной
величиной которых является изменение индуктивности,
преобразуемое затем с помощью электрической схемы в напряжение,
чувствительные элементы, основанные на дифференциальнотрансформаторном принципе, позволяют непосредственно получить в
качестве выходной величины напряжение ∆U (рис. 98).
Чувствительный элемент состоит из первичной катушки Sp1, к
оторой приложено переменное напряжение ~U, и двух вторичных
к
катушек Sp11, в которых при симметричной конструкции и среднем
положении якоря индуцируются одинаковые напряжения. Вторичные
катушки включены дифференциально, и разность напряжений на
выходных клеммах равна нулю. При смещении якоря возникает
разность напряжений ∆U, линейно зависящая от хода якоря.
Соответствующее профилирование катушек и якоря позволяет
использовать чувствительный элемент этого типа для измерения углов
наклона.
Характеристика элементов Входная величина: линейное
перемещение, угол отклонения. Выходная величина: изменение
индуктивности, переменное напряжение.
Диапазон измерения: 80 % длины катушки. Погрешность от
нелинейности: 1-3 %. Частотный диапазон: 0—104 Гц.
Преимущества: высокая чувствительность, простота конструкции,
отсутствие износа, применимость при больших перемещениях якоря.
Недостатки: нелинейность характеристики, чувствительность к
внешним магнитным полям.
231
Рисунок 98 - Индуктивный датчик с дифференциальным
трансформатором
Чувствительные элементы с поперечным перемещением якоря
Индуктивный чувствительный элемент с поперечным перемещением
якоря (рис. 99) предназначен для измерения малых перемещений и их
изменений. Для достижения возможно большей чувствительности и
линейной характеристики чувствительный элемент выполняют в виде
сдвоенных катушек с воздушными зазорами. Катушки I и II
одинаковы, якорь расположен между двумя магнитопроводами с
зазорами s. Наличие двух дифференциально включенных
индуктивностей не только обеспечивает удвоенную чувствительность
по сравнению с одно-катушечной системой и улучшенную линейность
характеристики, но и одновременно компенсирует влияние изменений
температуры и потоков рассеивания.
Характеристика элементов Входная величина: перемещение.
Выходная величина: индуктивность. Диапазон измерения: до 1 мм.
Погрешность от нелинейности: 1-3 %. Частотный диапазон: 0-104 Гц.
реимущества: крайне высокая чувствительность, конструктивная
П
простота. Недостатки: нелинейность, незначительный диапазон
измерений, чувствительность к внешним магнитным полям, большое
измерительное усилие.
Магнитоупругие чувствительные элементы В описанных
выше индуктивных чувствительных элементах, индуктивность
меняется вследствие изменения положения якоря (его перемещения).
Магнитная проницаемость ряда веществ, особенно железоникелевых
сплавов, содержащих ~80 % никеля, изменяется под действием
приложенных механических напряжений. В некоторых сплавах
механические напряжения 100 Н/мм2 изменяют м
агнитную
проницаемость примерно на 40%, причем зависимость изменений
232
магнитной проницаемости от приложенных нагрузок близка к
линейной. Магнитоупругие чувствительные элементы воспринимают
непосредственно приложенные усилия и применяются в качестве
силоизмерителей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации в
тех случаях, когда повышенные (по сравнению с тензометрическими
чувствительными элементами) погрешности измерения не имеют
большого значения, а выбор измерителя обусловлен необходимостью
большой мощности выходного сигнала, не требующего усиления.
Рисунок 99 - Индуктивный датчик с поперечным (относительно поля)
перемещением якоря
Характеристика элементов Входная величина: сила.
Выходная величина: изменение магнитной проницаемости. Диапазон
измерения: от 100 Н до очень больших усилий. 'Погрешность от
нелинейности: несколько процентов. Частотный диапазон: 0—108 Гц.
Преимущества: простота конструкции, большая мощность вьйсодного
сигнала.
Недостатки: нелинейность характеристики.
Приборы для измерения параметров магнитных полей
Магнитомеханическими называют средства измерения,
принцип действия которых основан на взаимодействии постоянного
магнита с магнитным полем. В зависимости от наличия или отсутствия
противодействующего момента магнитомеханические приборы можно
подразделить на две группы. К первой группе относятся те, в которых
магнит свободно поворачивается под действием магнитного поля и
принимает положение, соответствующее направлению вектора
233
магнитной индукции. Две наиболее распространенных конструкции
показаны на рис. 100 (а, б).
Рисунок 100 - Конструкции магнитомеханических преобразователей
Магнитомеханические преобразователи первого типа
используются в приборах, предназначенных для измерения
направления магнитного поля - в компасах, буссолях, инклинаторах и
т. д. Ко второму типу магнитомеханических преобразователей относят
такие, в которых магнитный момент уравновешивается механическим
моментом. Такие приборы и преобразователи могут использоваться для
измерения модуля В по измерению величины уравновешивающего
момента На рис. 100 (в) показана схема такого преобразования,
используема в приборе системы Боброва. Здесь магнит 1 укрепляется на
кварцевых нитях 2 и на скобе 3 таким образом, чтобы при повороте
магнита его момент уравновешивался бы упругим моментом нити,
возникающем при ее закручивании. Угол закручивания регистрируется
по отражению луча света от зеркала 4, наклеенного на магнит. В приборе
имеется демпфирующая система 5, гасящая высокочастотные колебания
магнита.
Если закручивающий момент пропорционален углу
закручивания а, то условие равновесия индикаторного устройства
имеет вид
234
mBsinθ=cα, (13)
m
r
B
r
где m - момент постоянного магнита; θ - угол между
векторами
и
, с - жесткость кварцевой нити.
Из равенства (13) следует, что магнитомеханический
преобразователь второго типа позволяет измерять величину магнитной
индукции, если его показания соответствующим образом
проградуировать.
Существуют магнитомеханические преобразователи, в которых
на одной и той же нити укреплены два магнита. В этом случае, если их
расположить одноименными полюсами друг к другу, такая система не
будет чувствительной к постоянному магнитному полю. Такие
преобразователи получили название астатических и используются для
измерений параметров неоднородного магнитного поля.
Одно из основных достоинств механических
преобразователей состоит в возможности их использования для
абсолютного измерения модуля магнитной индукции В0. Впервые этот
метод был предложен Гауссом и состоит в измерениях периода
качания в горизонтальной плоскости магнита, помещенного в
измеряемое поле, и наблюдении угла отклонения другого магнита,
вызываемого первым магнитом. Положения, в котором находятся
отклоняющий магнит NS и стрелка второго магнита ns могут быть
любыми, однако для упрощения расчетов и понимания сущности
метода достаточно рассмотреть положения, предложенные Гауссом
(рис. 101).
При таком расположении отклоняющего магнита NS и
отклоняемого ns существует однозначная связь между магнитной
индукцией В0 и углом отклонения q магнита ns. В современных
тесламетрах вместо отклоняющего магнита NS устанавливают катушки
с током - кольца Гельмгольца, которые создают изменяющиеся с
полупериодом Т магнитное поле.
235
Рисунок 101 - Взаимное расположение магнитов в тесламетре
Гаусса
Принцип действия тесламетра, схема которого приведена на рис.
101, состоит в измерении угла закручивания нити подвеса стрелки
отклоняемого магнита в двух положениях; без влияния отклоняющего
магнита и при наличии последнего. Если отклоняющий магнит
создает переменное поле с амплитудой dB0, то изменение угла
отклонения магнита ns однозначно связано с амплитудой dB0 и
амплитудой угла отклонения ns, равного θm. Связь между этими
величинами дается формулой:
=θ SdBdB
m
M
CosMB_C
θ+
=
00
, (14)
⊥⊥
где М - магнитный момент магнита NS; dB - проекция амплитуды
изменяющегося магнитного поля на плоскость колебаний; С коэффициент кручения нити подвеса магнита ns. Из формулы 14
следует, что измерив угол отклонения θm магнита ns и зная амплитуду
изменения переменного поля, вызванного магнитом NS, можно
измерять коэффициент S, который будет являться чувствительностью
механического преобразователя к магнитной индукции в переменном
поле.
В реальных конструкциях можно не измерять и не вычислять все
необходимые для измерения параметры, влияющие на показания
магнетометра по схеме Гаусса. Если в процессе измерения не меняется
расстояние между магнитами, не изменяется схема расположения
отклоняющего и отклоняемого магнита, создающего переменное
магнитное поле, то абсолютное значение составляющей вектора
магнитной индукции в плоскости расположения магнитов
пропорционально углу закручивания нити.
236
Рисунок 102 - Схема абсолютного магнитного теодолита 1 -
отклоняемый магнит с зеркалом, 2 - трубка подвеса, 3 - головка
кручения, 4, 5 - катушки Гельмгольца, 6 - отклоняющий магнит, 7 -
опора магнита, 8 - горизонтальный лимб с делениями
Примером служит абсолютный магнитный теодолит,
используемый как средство измерения горизонтальной составляющей
магнитного поля земли, а также для воспроизведения единиц магнитной
индукции и магнитного потока. Для этой цели в конструкции теодолита
предусмотрена вторая пара колец Гельмгольца (на рис. 102) Значения
магнитной индукции и магнитного потока задаются пропусканием
определенного постоянного тока через катушки 5, который вызовет
отклонение магнита с зеркалом 1 (рис. 102).
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПЕРВИЧНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Любая электрохимическая ячейка имеет, по меньшей мере, два
электрода и электролит (рис. 103). В общем случае под электродом
понимают границу раздела фаз, на которой направленное движение
электронов (носителей заряда) меняется на направленное движение ионов
237
или наоборот. Раствор, обеспечивающий направленное движение ионов,
называют электролитом. При этом один из электродов (иногда оба)
выполняет роль электрохимического датчика (зонда), чувствительного
к процессам, протекающим с участием электронов или ионов, т.е. этот
электрод реагирует на фактор возбуждения (ток, потенциал) и состав
электролита.
Рисунок 103 - Схема двухэлектродной электрохимической ячейки
В электрохимических ячейках, используемых для точных измерений, обычно присутствуют три электрода: индикаторный или
рабочий электрод, электрод сравнения и вспомогательный электрод
(противоэлектрод). Функционирование индикаторного электрода связано
с его чувствительностью к частицам, которые присоединяют или отдают
электроны либо служат источниками ионов, проявляющих подвижность в
материале, из которого состоит чувствительный элемент электрода. Если в
исследуемом растворе под действием протекающего через ячейку тока
происходят значительные изменения состава, то тогда индикаторный
электрод называют рабочим. Так, ртутный электрод в
вольтамперометрии является индикаторным электродом, тогда как в
кулонометрии его следует рассматривать как рабочий электрод, поскольку
при электролизе происходит существенное изменение состава раствора.
Второй электрод ячейки - электрод сравнения (неполяризующийся
электрод) служит элементом измерительной цепи и имеет стабильный и
воспроизводимый потенциал, не зависящий от среды, в которую он
помещен. Его используют в качестве эталона, относительно которого
измеряют потенциал индикаторного электрода.
Если раствор имеет высокое омическое сопротивление и ток,
протекающий через ячейку, достаточно велик, то вследствие падения
238
напряжения в объеме раствора контроль за потенциалом
индикаторного электрода становится затруднительным. В этом случае
применяют трехэлектродную ячейку. В качестве третьего используют
вспомогательный электрод (противоэлектрод). Он обеспечивает
протекание тока через ячейку. Вспомогательный электрод обычно
изготавливают из инертного материала и не измеряют ни его ток, ни
его потенциал.
С помощью уравнения Нернста рассчитывают электродные
потенциалы, нельзя не учитывать потенциал электрода сравнения.
Электродные потенциалы всегда рассматривают относительно
электрода сравнения. В настоящее время для их вычисления
применяют водородную шкалу, в которой за нуль принят потенциал
стандартного водородного электрода (СВЭ) с активностью ионов
водорода в растворе, равной единице, и давлением водорода, равном
0,1013
МПа.
Таким образом, потенциал электрода определяют как э. д. с.
элемента, одним из электродов которого является исследуемый, а
другим - стандартный водородный электрод. Поскольку электродный
потенциал представляет собой электродвижущую силу, то для него
используют обозначение Е. Чтобы исключить неоднозначность в
понимании смысла этой величины, обычно применяют индексы.
Следует подчеркнуть, что данное определение электродного
потенциала справедливо, если отсутствует диффузионный потенциал.
Принято записывать ячейку так, чтобы ее э. д. с. имела положительный знак, когда реакция протекает слева направо самопроизвольно, т.е. электрод с левой стороны отрицателен, а справа положителен. При этом на левом электроде происходит окисление, а на
правом восстановление. В таком случае изменение AG имеет
отрицательный знак, как и должно быть при самопроизвольном
процессе. Если реакция протекает в противоположном направлении,
то знак э. д. с. изменится на обратный. Условия для определения знака
э. д. с. требуют также, чтобы СВЭ был слева. Эти правила можно
проиллюстрировать применением их к элементам
(-)Pt,H2|H+||Cr|AgCl,Ag(+)H
(+)Pt,H
239
|H+||Zn2+|Zn(-).
2
Следует заметить, что индикаторный электрод всегда выступа
ет как отдельный электрод, тогда как два других из рассматриваемых
электродов иногда объединяют. При этом в ячейке находятся два
физических электрода
-
индикаторный электрод и электрод сравнения
Двухэлектродные ячейки более просты по конструкции, чем
трехэлектродные. Их применяют в случаях, когда токи, проходящие
через ячейку, малы
низкое сопротивление
(
несколько микроампер
.
), а
электролит имеет
Обычно электрохимические ячейки изготавливают из какого
либо твердого химически стойкого материала, например
термостойкого стекла
(
пирекс) или кварца. В последнее время для
этих целей используют тефлон и другие полимерные материалы
Тефлон выгодно отличается от других материалов
не только
химической инертностью, но и тем, что на нем практически не ад
сорбируются многие ионы металлов и органические соединения, что
важно при их определении на уровне следовых количеств
Конструкция ячеек должна предусматривать проведение измерений с
тремя или даже с четырьмя электродами, обновление поверхности
индикаторного или рабочего электрода
вращения
),
смену исследуемого раствора, его протекание через ячейку
(
при необходимости его
и, наконец, измерение токов на уровне наноамперов и в ультрамалых
объемах жидкости (до
1
мкл
).
Такие ячейки применяются в детекторах
для контроля выходящих зон в жидкостной хроматографии и в других
методах, использующих поток жидкости. В большинстве случаев
ячейки поставляются в комплекте с прибором
вольтамперографом и др
.).
(
иономером
Если через ячейку протекает большой ток или она имеет
большое сопротивление, то измеряемая разность потенциалов будет
зависеть от положения электрода сравнения относительно
индикаторного электрода, поскольку ее величина включает в себя
падение напряжения в объеме раствора iRv между этими электродами
Следует учесть, что величина iRv нелинейная и меняется во времени в
соответствии с изменением тока
.
-
.
-
.
-
.
,
.
240
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]