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 1 2 34 / 154 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

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

Статическая характеристика преобразования рассмотренных реостатных преобразователей носит ступенчатый характер, поскольку электрическое сопротивление между подвижным илюбым изнеподвижных контактов изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка обмотки преобразователя. Это

∆R

вызывает появление погрешности измерения

, где ΔR —макси-

мальное сопротивление одного витка; R— полное сопротивление обмотки преобразователя. Избежать этой погрешности можно, применив реохордный преобразователь, в котором подвижный контакт двигается вдоль оси проволоки или трубки.

Температурная погрешность определяется в первую очередь температурным коэффициентом сопротивления материала провода, который, как правило, меньше 0,1% на10°С.

Основными недостатками реостатных преобразователей, выходной параметр которых обычно измеряется мостовыми схемами, являются наличие скользящего контакта, необходимость сравнительно больших его перемещений изначительных усилий для перемещения. Однако простота конструкции, возможность получения мощных выходных сигналов идостаточно высокая точность преобразования делают их весьма удобными для измерения относительно больших линейных иугловых перемещений, атакже других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы вперемещение (давления, усилия ит. п.).

1.2.6. Электролитические преобразователи

В основе работы электролитических преобразователей лежит зависимость электрического сопротивления раствора электролита отего концентрации, ивосновном их используют при измерении концентраций растворов.

Электролиты при растворении вводе диссоциируют наположительные иотрицательные ионы, вследствие чего электропроводность раствора возрастает. При малых значениях концентрации (количество ионов мало) зависимость электрической проводимости отконцентрации однозначно пропорциональна иможет быть использована для определения последней.

-31-

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

Электролитический преобразователь (рис. 14) представляет собой сосуд сдвумя погруженными враствор электродами. При измерении концентрации электроды делаются неподвижными. Электрическое сопротивление между электродами преобразователя обратно пропорционально электрической проводимости раствора электролита.

Рис. 14. Электролитический преобразователь

Для промышленных непрерывных измерений применяются проточные конструкции измерительных преобразователей, вкоторых вкачестве электродов используются внешние металлизированные стенки сосуда (без непосредственного контакта между электродами ираствором).

Электролитические преобразователи при измерении включаются вмостовые схемы, часто работают с автоматическими мостами. Однако электрическая проводимость электролитов довольно сильно зависит оттемпературы. Для устранения этого влияния применяют стабилизацию температуры раствора (например, с помощью термостата) или используют цепи термокомпенсации (смедными терморезисторами, укоторых температурный коэффициент противоположен познаку температурному коэффициенту электролита).

-32-

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

Постоянный ток вызывает электролиз раствора иполяризацию электродов, что искажает результаты измерения. Всвязи сэтим питание измерительного моста сэлектролитическим преобразователем осуществляется переменным током (отпромышленной частоты донескольких кГц).



Принцип действия ионизационного преобразователя основан на преобразовании интенсивности радиоактивного излучения в электрическую величину (как правило, ток). Если камеру, наполненную газом, облучить ионизирующим излучением, то между электродами, включенными в электрическую цепь, потечет электрический ток (рис. 15, а). Этот ток зависит отприложенного напряжения, размера камеры иэлектродов, межэлектродного расстояния, свойств иинтенсивности ионизирующего излучения, плотности исостава газовой среды вкамере ит. д.

а б

Рис. 15. Ионизационный преобразователь

иего ампервольтная характеристика

Эти зависимости можно использовать для измерения различных неэлектрических величин: геометрических размеров деталей, плотности исостава газовой среды идр.

В качестве ионизирующего излучения используют α-, β-, γ-лучи, реже— рентгеновские лучи ипоток нейтронов.

На рис. 15, б изображена ампервольтная характеристика преобразователя— зависимость тока I отприложенного напряжения U

-33-

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

при постоянном составе газовой среды вкамере. Научастке А, пока напряжение иток малы, аколичество ионов значительно больше необходимого для поддержания этого тока, ток увеличивается пропорционально напряжению (закон Ома). Вконце участка пропорциональность нарушается, ирост тока замедляется, инаучастке Б ток неменяется, достигнув насыщения. Наэтом участке все ионы, образовавшиеся вкамере, достигают электродов. Научастке Впри дальнейшем увеличении напряжения возрастает скорость ионов, иих энергия становится достаточной для вторичной ионизации нейтральных молекул первичными ионами иэлектронами. Число носителей возрастает, увеличивается иток вкамере. Научастке Г ионизационный ток перестает зависеть отпервоначальной ионизации, и,наконец, наступает непрерывный разряд (участок Д), который отвоздействия радиоактивного излучения уже независит.

Среди ионизационных преобразователей наибольшее распространение получили ионизационные камеры игазоразрядные счетчики. Первые работают научастках АиБ ампервольтной характеристики, вторые— научастках ВиГ.

В отличие отионизационной камеры (рис. 15, а) внутри стеклянного баллона газоразрядного счетчика натянута тонкая вольфрамовая нить — анод. Цилиндрическая часть баллона внутри имеет металлическое покрытие — катод. В результате действия ионизирующего излучения возникающие электроны перемещаются, ускоряясь под действием приложенного напряжения, каноду. Их скорость иэнергия возрастают. Вблизи анода электроны становятся способными самостоятельно ионизировать газ вбаллоне. Возникает вторичная ионизация. Вцепи счетчика появляются импульсы тока, число которых пропорционально интенсивности излучения.

Кроме ионизационных камер и газоразрядных счетчиков вкачестве ионизационных преобразователей используют сцинтилляционные счетчики иполупроводниковые детекторы.

Принцип действия первых основан наэффекте возникновения внекоторых веществах (например, всернистом кадмии) под действием радиоактивного излучения световых вспышек (сцинтилляций), которые фиксируются фотоумножителем. Яркость вспышек, азначит, и ток фотоумножителя определяются интенсивностью радиоактивного излучения.

-34-

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

Основным элементом полупроводникового детектора является монокристалл полупроводника (германия) сp-i-n-областями. i-область— это область ссобственной проводимостью. Измеряемое излучение ионизирует вэтой области нейтральные частицы, увеличивая вней число электронов идырок. Под действием приложенного кp- иn-областям напряжения возникает импульс тока. Число носителей, азначит, иамплитуда импульса тока пропорциональны энергии излучения, аих средняя частота— его интенсивности.

Основными достоинствами ионизационных преобразователей являются независимость интенсивности излучения отизменения внешних условий (температуры, давления, напряжения питания и т. п.), возможность бесконтактных измерений, что используется при измерениях вагрессивных или взрывоопасных средах, атакже в условиях больших давлений или высоких температур. Недостатками таких преобразователей являются токсичность излучения и,вследствие этого, необходимость применения биологической защиты при использовании источника излучения высокой активности.

Ионизационные преобразователи имеют специфические погрешности. Одна связана суменьшением интенсивности излучения стечением времени врезультате естественного радиоактивного распада. Поэтому источники излучения должны иметь значительный период полураспада идостаточную энергию излучения (например, кобальт-60, стронций-90 идр.).

Другая погрешность связана сослучайным характером ядерного распада. Случайны как время распада, так и направление траектории радиоактивной частицы или кванта излучения. Вследствие этого последовательность импульсов преобразователя имеет непериодический характер. Число импульсов при незначительном времени подсчета может сильно отличаться при повторных измерениях. Для уменьшения этой погрешности необходимо увеличить время подсчета импульсов, при этом будет происходить усреднение.

Отметим, что всцинтилляционных счетчиках иполупроводниковых детекторах применяются источники низкой интенсивности рабочего излучения, что делает их применение практически безопасным.

-35-

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

λ= ν



В фотоэлектрическом преобразователе измерительным элементом является фотоэлектронный прибор (фотоэлемент). Различают три типа преобразователей: свнешним фотоэффектом, свнутренним фотоэффектом ифотогальванические.

К преобразователям свнешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Вакуумный фотоэлемент (рис. 16) представляет собой стеклянную колбу, изкоторой откачан воздух ив которую вплавлены два электрода: анод (А) и катод (К). При попадании фотонов света (Ф) накатод происходит эмиссия электронов (фотоэмиссия), которые при наличии напряжения между анодом икатодом (источник Е) образуют электрический ток (фототок) через нагрузку Rк. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона была больше работы выхода электрона Ee изматериала фотокатода.

Частота

ν= /

гр

, где h— постоянная Планка, называется крас-

ной границей фотоэффекта, асоответствующая ей длина волны

гр гр

фотоэффекта, т. е. при

, где c— скорость света, —длинноволновым порогом

λ>λ

фотоэффект отсутствует.

гр

вместо вакуума внутри баллона инертный газ. Благодаря иониза-

Рис. 16. Схема включения вакуумного фотоэлемента

Газонаполненный фотоэлемент подобен вакуумному, но

-36-

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

ции этого газа происходит усиление фототока, вследствие чего чувствительность газонаполненных фотоэлементов выше, чем увакуумных. Однако частотный диапазон у вакуумных фотоэлементов существенно выше, чем угазонаполненных, исоставляет единицы МГц против десятков кГц угазонаполненных фотоэлементов.

Фотоэлектронный умножитель— это вакуумный фотоэлемент свстроенной системой электродов для усиления фототока (рис. 17).

Рис. 17. Устройство фотоэлектронного умножителя

Напряжение на каждом из промежуточных электродов (Э) между анодом (А) икатодом (К) таково, что энергии фотоэлектрона достаточно для вторичной эмиссии электронов изэтих электродов, причем при вторичной эмиссии испускается электронов больше, чем падает наэлектрод. Так происходит усиление потока электронов. Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность иприменяются для измерения очень малых световых пото-

–5

ков (до10

лк).

У преобразователя с внутренним фотоэффектом (фоторези- стора) чувствительным элементом является пластинка снанесенным нанее слоем фоточувствительного полупроводникового материала (например, сернистого кадмия).

Как известно, электропроводность полупроводников связана спереходом взону проводимости возбужденных ввалентной зоне

-37-

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

инапримесных уровнях электронов; врезультате взоне проводимости увеличивается количество свободных электронов, аввалентной зоне появляются дырки. При освещении число возбужденных электронов увеличивается, что вызывает рост электропроводности. При небольших освещенностях число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, при больших освещенностях пропорциональность нарушается. Вольтамперная характеристика фоторезисторов линейна, т. е. их сопротивление независит отприложенного напряжения. Фоторезисторы обладают некоторой инерционностью, которая характеризуется постоянной времени (например, для сернисто-кадмиевых резисторов она составляет 1…140мс).

Фоторезисторы обладают высокой чувствительностью. Однако их сопротивление зависит оттемпературы окружающей среды. Для уменьшения температурной погрешности фоторезисторы включаются всмежные плечи измерительного моста.

Фотогальваническими преобразователями являются фотоэлектронные приборы с p–n-переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода появляется дополнительная концентрация носителей вp–n-переходе иприлегающих областях. Это приводит кусилению их диффузии кp–n-переходу ивнутри него. Например, уфотодиода, подключенного к запирающему напряжению (рис. 18), под действием света возрастает обратный ток, увеличивая падение напряжения нанагрузке Rн. Фототок зависит отосвещенности практически линейно. Величина дифференциального сопротивления фотодиода составляет несколько МОм, поэтому он работает врежиме, близком крежиму короткого замыкания.

Рис. 18. Схема подключения фотодиода кзапирающему напряжению

-38-



тф

= +II I

Полный ток фотодиода:

где Iт— темновой ток (сильно зависит оттемпературы); Iф— фототок, зависящий отсветового потока.

В фототранзисторе ток, создаваемый при освещении, усиливается, ипоэтому превосходит ток фотодиода всотни раз. Фотодиоды ифототранзисторы являются малоинерционными преобразователями спостоянной времени порядка 10–7…10–8с.

При измерении несветовых величин фотоэлектрические преобразователи неимеют непосредственного контакта собъектом измерения. Вследствие этого их можно применять, например, для измерения частоты вращения вала. Навал насаживается диск сотверстиями, который прерывает луч света, падающий нафотоэлектрический преобразователь. Таким образом, измеряемая скорость преобразуется вчастоту электрических импульсов. Другим примером может служить измерение концентрации раствора, когда световая величина является промежуточной (изменение поглощения света раствором).

Фотоэлектрические преобразователи имеют существенную погрешность, связанную состарением изависимостью параметров оттемпературы. Для уменьшения этой погрешности преобразователи включаются вдифференциальные или компенсационные измерительные цепи.

индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические, гальванические и,отчасти, фотогальванические преобразователи.



электромагнитной индукции. Всоответствии сэтим законом при изменении потокосцепления Ψ, сцепленного скатушкой счислом

 

К генераторным измерительным преобразователям относятся

В основе работы индукционных преобразователей лежит закон

-39-

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

=−Ψ =− Φ//e d dt wd dt

витков w, впоследней индуцируется ЭДС самоиндукции e, пропорциональное скорости изменения этого потокосцепления ипротиводействующее ему всоответствии свыражением:

где Φ— магнитный поток, сцепленный скатушкой.

Данный принцип действия можно реализовать либо путем перемещения (линейного или углового) катушки взазоре постоянного магнита, либо при механическом модулировании магнитного потока постоянного магнита (например, изменение величины воздушного зазора вцепи магнитопровода при неподвижной катушке).

На рис. 19схематично показано устройство некоторого индукционного преобразователя. Основные элементы преобразователя: 1— цилиндрическая катушка; 2— магнитопровод скольцевым зазо- ром; 3— постоянный магнит, создающий вкольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка линейно перемещается внаправлении x ипересекает силовые линии магнитного поля.

Рис. 19. Устройство индукционного преобразователя

Магнитный поток изменяется, ивкатушке наводится ЭДС, пропорциональная скорости перемещения катушки. Преобразователи такого типа обычно служат для преобразования линейной скорости вЭДС нанебольших длинах пути. Например, они используются вприборах для измерения скорости вибрации (виброметрах), где линейное перемещение непревышает нескольких сантиметров.

-40-

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 154 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]