Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Электрические измерения неэлектрических величин. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 152 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>



ства, аименно, магнитной проницаемости. Индукционные преобразователи представляют собой катушку, вкоторой при перемещении

впостоянном магнитном поле наводится ЭДС. Электромагнитные преобразователи применяются для измерения линейных иугловых перемещений искоростей, атакже величин, связанных сперемещением (усилий, давлений ит. п.).

Среди электростатических измерительных преобразователей различают емкостные ипьезоэлектрические. В емкостных пре- образователях под действием измеряемой величины происходит изменение электрической емкости конденсатора преобразователя или диэлектрических потерь внем. Пьезоэлектрические преобразо- ватели работают напьезоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении ЭДС под действием механических сил. Применяются электростатические преобразователи для измерения линейных иугловых перемещений, уровней жидкостей, влажности материала, сил, вибраций ит. п.

Действие электрохимических измерительных преобразователей основано назависимости электропроводности раствора электролита отего концентрации (электролитические преобразователи) или на явлениях, определяемых окислительно-восстановительными процессами, происходящими наэлектродах (гальванические преобразователи). Основное применение электрохимических преобразователей— это определение состава иконцентрации растворов, величины водородного показателя pH.

Работа ионизационных измерительных преобразователей основана наявлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения. Они применяются для измерения плотности исостава газа, геометрических размеров изделий ит. д.

В фотоэлектрических измерительных преобразователях измеряемая величина изменяет световой поток, откоторого зависит величина фототока преобразователя. Имеются три типа преобразователей: свнешним фотоэффектом, свнутренним фотоэффектом ифотогальванические. Область их применения —измерение температуры, прозрачности газовой ижидкой сред, линейных размеров тел.

По виду выходной электрической величины измерительные преобразователи можно разделить напараметрические игенераторные. Впараметрических преобразователях выходная величина является

-11-



∆ /RR

∆ /ll

∆=∆//R R Sl l

параметром электрической цепи (например, электрическим сопротивлением R, собственной L или взаимной M индуктивностями, емкостью C ит. п.). При этом для образования выходной электрической величины преобразователя всегда необходим дополнительный источник электрической энергии. Вгенераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или количество электричества (заряд). Вспомогательные источники при этом используются только для усиления ипреобразования полученного сигнала.

 

К параметрическим измерительным преобразователям относятся тензочувствительные (тензометрические), термочувствительные, индуктивные, емкостные, реостатные, электролитические, ионизационные ифотоэлектрические преобразователи.

 

В основе работы тензочувствительного преобразователя лежит зависимость электрического сопротивления проводника или полупроводника отего механической деформации (тензоэффект). При механическом воздействии относительное изменение электрического сопротивления

ной деформации

, где S— коэффициент тензочувствительности).

В зависимости от используемого материала тензорезисторы делятся наметаллические иполупроводниковые. Изметалличе- ских тензорезисторов наибольшее распространение получили проволочные, фольговые ипленочные.

Основными элементами проволочного тензочувствительного преобразователя (рис. 4) являются подложка 1, изготавливаемая изтонкой бумаги (толщиной 0,03–0,05мм), пленки лака или слоя цемента и,как правило, константановая проволока 2. Проволока укладывается петлями наподложку изакрепляется наней клеем. При температурах более 200°С применяются жаростойкие цементы, кремнийорганические лаки ит. п.

прямо пропорционально относитель-

тензочувствительного элемента (

-12-



Рис. 4. Проволочный тензочувствительный преобразователь

Отметим, что тензоэффектом вбольшей или меньшей степени обладают все проводники. Применение константана определяется его малым температурным коэффициентом электрического сопротивления— изменение сопротивления тензорезистора издругого материала под воздействием механической деформации, как правило, соизмеримо с изменением его электрического сопротивления взависимости оттемпературы окружающей среды, что требует применения дополнительных схем термокомпенсации. В схему тензорезистор подключается спомощью привариваемых выводов

3. Готовый преобразователь закрепляют наповерхность испытуемой детали так, чтобы направление предполагаемой деформации совпало спродольной осью подложки.

У фольговых преобразователей (рис. 5), изготовляемых ввиде печатных плат, чувствительный элемент получают путем травления фольги. При этом выбирается часть металла, так что оставшаяся часть образует чувствительный элемент нужной формы и сопротивления. Пленочные тензорезисторы получаются путем возгонки исходного материала споследующим его осаждением наподложку.

Основными достоинствами металлических тензорезисторов являются линейность их статической характеристики преобразования, атакже малые габариты ипростота конструкции. Кроме того, фольговые ипленочные тензопреобразователи допускают бóльшую мощность рассеяния, поскольку вних металл имеет лучший тепловой контакт собъектом. Однако металлические преобразователи имеют небольшой коэффициент тензочувствительности (порядка 2,1 для константана, адля манганина итого меньше).

-13-



Рис. 5. Фольговый тензочувствительный преобразователь

В полупроводниковых тензорезисторах чувствительный элемент представляет собой полоску полупроводника сn- или p-проводимостью. Механическая нагрузка вызывает изменение подвижности электронов вполупроводнике, что приводит кизменению электрического сопротивления элемента. Преимуществом таких датчиков является их высокая чувствительность, которая вдесятки раз превосходит чувствительность металлических преобразователей. Однако полупроводниковые преобразователи имеют низкую механическую прочность ибольшой разброс параметров ихарактеристик.

Для измерения сопротивления тензопреобразователей используются уравновешенные и неуравновешенные мосты как постоянного, так ипеременного тока. При этом лучший результат дает схема сдифференциальным включением тензорезисторов, вкоторой тензорезисторы, испытывающие один— деформацию растяжения, адругой— деформацию сжатия (например, нарис. 6тензорезистор Rт испытывает деформацию растяжения, атензорезистор

’

— деформацию сжатия), являются смежными плечами моста.

Рис. 6. Применение тензорезисторов для измерения деформаций

-14-



Тензопреобразователи применяют для измерения деформаций идругих величин, преобразуемых вупругую деформацию: сил, давлений, вращающих моментов, ускорений ит. п.

Погрешность тензорезисторов, возникающая при изменении температуры, связана как сизменением удельного сопротивления материала, так и с различием втемпературных коэффициентах удлинения тензорезистора идетали, накоторую он наклеен.

Температурный коэффициент сопротивления материала тензорезистора регулируют, изменяя режим его термообработки. Врезультате можно добиться того, что при наклейке наисследуемую деталь сопротивление тензорезистора не будет зависеть оттемпературы (в определенном диапазоне). Такие тензорезисторы называются термокомпенсированными.



Принцип действия термочувствительных преобразователей основан назависимости электрического сопротивления материала, изкоторого изготовлен преобразователь, оттемпературы.

Теплообмен между термопреобразователем иокружающей средой происходит вследствие теплопроводности самого термопреобразователя, теплопроводности защитной арматуры, накоторой он закрепляется, теплопроводности окружающей среды иконвекции вней, атакже излучения. При этом температура термопреобразователя будет определяться нетолько его геометрическими размерами, формой или конструкцией защитной арматуры, ноитемпературой, скоростью перемещения, составом, плотностью, теплопроводностью идругими физическими свойствами газовой или жидкой среды, окружающей термопреобразователь.

Перечисленные выше зависимости используются для определения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду, втом числе, скорости газового потока, степени разреженности, состава газовых смесей и,прежде всего, температуры окружающей среды.

В качестве термочувствительных преобразователей используются металлические терморезисторы, выполненные изплатино-

-15-



( )

 

( )

вой, медной или никелевой проволоки, полупроводниковые терморезисторы (термисторы), атакже термодиоды итермотранзисторы.

Металлические терморезисторы порежиму работы делятся наперегревные ибез перегрева. Впреобразователях без перегрева проходящий ток практически не вызывает нагрева, иего температуру определяет температура окружающей среды. Вперегревных терморезисторах ток вызывает перегрев, зависящий отсвойств среды: скорости, плотности, состава среды ит. д.

Платиновые терморезисторы применяются для измерения температуры вдиапазоне от–260 до+1100°С. Они обеспечивают высокую точность измерения температуры (приведенная погрешность порядка ±0,002%), нообладают большой инерционностью. Зависимость электрического сопротивления платины оттемпературы нелинейная иможет быть аппроксимирована винтервале температур от–200°С до0 выражением:

1 100

= ++ + −

R R at bt ct t

а винтервале температур от0 до+650°С выражением:

где R

1= ++

R R at bt

— электрическое сопротивление терморезистора при 0°С

(стандартные значения равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом); a, b, c— постоянные коэффициенты.

Конструкция платинового терморезистора показана нарис. 7. Вканалы керамической трубки 2 помещены две (может быть четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные электрически последовательно. Кконцам спирали припаяны выводы для соединения сэлектрической цепью. Внутрь каналов трубки засыпается порошок безводного оксида алюминия. Порошок имеет высокую теплопроводность, малую инерционность, является электрическим изолятором имеханическим фиксатором спирали. Для герметизации икрепления выводов керамическая трубка заливается глазурью 1. Далее терморезистор помещается взащитную арматуру из нержавеющей стали для предотвращения вредных механических ихимических воздействий.

-16-



( )

RR t

Рис. 7. Платиновый терморезистор

Медные терморезисторы применяются вдиапазоне температур от–200 до+200°С (при температуре более 200°С медь окисляется), вкотором их уравнение преобразования практически линейно:

1= +α

где R0— электрическое сопротивление при 0°С (стандартные значения— 10, 50, 53 и100 Ом); α— температурный коэффициент сопротивления меди.

Нагрев проходящим током не должен превышать 0,2°С для платиновых и0,4°С для медных терморезисторов.

Помимо платины имеди, для температур до+250…300°С применяют никель, который вдиапазоне 0…+100°С также имеет практически линейную характеристику преобразования.

Медные и никелевые терморезисторы имеют более низкую точность (погрешность— ±0,5%), номеньшую инерционность, чем платиновые, аникелевые терморезисторы— еще ивысокое удельное электрическое сопротивление (в5раз больше, чем умеди).

Для измерения температуры вдиапазоне от–270 до +300 °С наряду сметаллическими применяются полупроводниковые терморезисторы— термисторы. Температурный коэффициент утермисторов, как правило, отрицателен, а по абсолютной величине в8…10раз больше, чем уметаллов. Кроме того, термисторы имеют значительное удельное электрическое сопротивление ималую теплоемкость (на несколько порядков меньше, чем уметаллических терморезисторов). Это позволяет их изготовлять небольшого размера (например, ввиде шариков диаметром от0,006мм), нос большим номинальным сопротивлением (от 1 до 200 кОм) ивысоким быстродействием (малая теплоемкость обуславливает

-17-



( )

малую тепловую инерционность— известны термисторы спостоянной тепловой инерции внесколько миллисекунд).

Термисторы изготавливаются изокислов различных металлов: магния, кобальта, меди идр. Компоненты размалываются вмелкий порошок, прессуются испекаются ввиде шайбы, столбика или шарика. Для предохранения отвнешних воздействий термистор покрывают защитной краской, помещают вгерметичный металлический корпус или заливают стеклом.

Основными недостатками полупроводниковых терморезисторов являются плохая воспроизводимость характеристик, невысокая точность инелинейность функции преобразования:

= −exp / /

R R AT AT

где T — измеряемая температура; T рабочего диапазона; R мистора при температурах Т иТ

иR0— электрические сопротивления тер-

— начальная температура

; А— постоянный коэффициент.

В диапазоне температур от–80 до+150 °С применяют термодиоды итермотранзисторы, у которых используется температурная зависимость сопротивления p–n-перехода. Основными достоинствами термодиодов и термотранзисторов являются высокая чувствительность (значительно превышающая чувствительность стандартных термопар), незначительные размеры, малая инерционность, надежность вэксплуатации идешевизна; недостатками— узкий температурный диапазон иплохая воспроизводимость статической характеристики преобразования.

Полупроводниковые преобразователи применяют в тех случаях, когда нетребуется высокая точность измерения температуры, нонеобходимо измерить температуру небольших объектов, имеющих малую теплоемкость.

Терморезисторы совместно с измерительным устройством представляют собой термометры сопротивления. Измерение сопротивления терморезистора осуществляется спомощью мостовых или компенсационных схем, позволяющих уменьшить влияние подводящих проводов, сопротивление которых зависит оттемпературы окружающей среды.

-18-



m mm

Z RX



Индуктивные преобразователи реализуют зависимость собственной или взаимной индуктивностей обмоток, расположенных на магнитопроводе, от геометрических размеров и магнитного состояния отдельных элементов конструкции, атакже вслучае взаимной индуктивности отвзаимного положения обмоток (рис. 8).

Рис. 8. Индуктивный преобразователь

Собственная индуктивность L обмотки счислом витков w1 (при отсутствии второй обмотки) имагнитным сопротивлением Zm магнитопровода определяется извыражения:

а взаимная индуктивность M двух обмоток счислом витков w натом же магнитопроводе— извыражения:

При этом магнитное сопротивление:

где Rm иXm— его активная иреактивная составляющие соответственно.

= +

-19-

иw



ωΦ

Активная составляющая:

= +

, li и Si— относительная магнитная проницаемость, длина

где μ

∑

µµ µ

средней линии и площадь поперечного сечения различных i-х участков магнитопровода (общим числом n) соответственно;

4 10

µ = π×

−

Гн/м— магнитная постоянная; δ иS— длина ипло-

щадь поперечного сечения воздушного участка магнитной цепи соответственно.

Реактивная составляющая:

где P— мощность потерь нагистерезис ивихревые токи вмагнитопроводе; Φ— магнитный поток вмагнитопроводе; ω —угловая частота.

Приведенные для R

иXm соотношения показывают, что изме-

нять величины собственной ивзаимной индуктивностей можно посредством изменения таких параметров индуктивного преобразователя, как δ, S иP.

Перемещая подвижную часть (якорь) 1сердечника (рис. 8) относительно неподвижной 2, можно изменять длину воздушного зазора δ (вертикальное перемещение якоря) или площадь поперечного сечения S (горизонтальное перемещение якоря). Перемещая ввоздушном зазоре немагнитную металлическую пластину 3, можно влиять намощность потерь P вмагнитопроводе.

На рис. 9 показаны различные виды индуктивных преобразователей: а— спеременной длиной δ воздушного зазора; б— спеременным сечением S воздушного зазора; в— дифференциальный; г— дифференциальный трансформаторный; д — с незамкнутой магнитной цепью; е— магнитоупругий.

Индуктивный преобразователь спеременной длиной воздушного зазора имеет высокую чувствительность иприменяется для измерения перемещений от0,01 до5мм, однако, зависимость соб-

-20-

<<< < Предыдущая 12 / 152 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]