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 3 45 / 155 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

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

Индукционные преобразователи для измерения угловой скорости представляют собой электромашинные генераторы постоянного или переменного тока снезависимым возбуждением отпостоянного магнита. Ротор генераторов механически соединяется сдеталью, скорость вращения которой измеряют. Вгенераторе постоянного тока угловая скорость пропорциональна наводимой ЭДС. Вгенераторе переменного тока амплитуда ичастота ЭДС пропорциональны угловой скорости вращения ротора. Преобразователи подобного типа нашли применение вприборах для измерения угловой скорости (тахометрах).

Выходной сигнал индукционных преобразователей можно проинтегрировать или продифференцировать повремени спомощью электронных интегрирующих или дифференцирующих устройств. Если сигнал преобразователя проинтегрировать электронным интегрирующим устройством, то его выходной сигнал будет пропорционален линейному или угловому перемещению. Если сигнал преобразователя продифференцировать электронным дифференцирующим устройством, то его выходной сигнал будет пропорционален линейному или угловому ускорению. Поэтому индукционные преобразователи применяются для измерения нетолько линейных иугловых скоростей, ноилинейных иугловых перемещений иускорений.

Погрешности индукционных преобразователей определяются восновном непостоянством индукции взазоре магнитопровода во времени ипри изменении температуры, атакже температурными изменениями электрического сопротивления обмотки. Значения погрешностей находятся впределах 0,2…0,5%.

Кроме того, тахометрическим преобразователям свойственна погрешность, связанная с реакцией якоря: проходящий поизмерительной обмотке индукционного преобразователя ток создает магнитное поле, которое согласно правилу Ленца направлено навстречу основному полю иоказывает размагничивающее действие. Вследствие этого суммарная индукция поля уменьшается, уменьшая при этом иЭДС преобразователя.

Достоинствами индукционных преобразователей являются сравнительная простота конструкции, надежность вработе ивысокая чувствительность, основным недостатком— ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

-41-

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

( )

=α−

E TT

1.3.2. Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан натермоэлектрическом эффекте. Сущность термоэлек- трического эффекта заключается вследующем: при соединении двух проводников изразнородных металлов награнице раздела этих металлов возникает контактная разность потенциалов, зависящая отрода металлов иоттемпературы контакта. Если оба конца двух разнородных проводников соединить друг сдругом иесли температуры точек соединения будут одинаковы, то контактные разности потенциалов вэтих точках соединений будут равны между собой, противоположно направлены и, следовательно, взаимно уравновешены. Если температуры точек соединения будут разными, то вцепи возникнет результирующая ЭДС (эффект Зеебека), которая называется термоэлектродвижущей силой (термоЭДС).

В небольшом интервале температур термоЭДС EТ можно считать пропорциональной разности температур горячего (T1) ихолодного (T2) контактов:

где α12— термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоЭДС). Впростейшем случае коэффициент термоЭДС определяется только материалами проводников, однако строго говоря, он зависит иоттемпературы, что внекоторых случаях сизменением температуры меняет знак коэффициента α12. Более корректное выражение для термоЭДС:

При неизменной температуре одного изконтактов термоЭДС будет всецело зависеть оттемпературы другого контакта материалов. Эта зависимость иположена воснову работы термоэлектрических преобразователей для измерения температуры.

Термопара— это два проводника изразнородных материалов, соединенных наодном конце иобразующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерений тем-

12 2 1

= α

E T dT

∫

-42-

( )

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

пературы (ГОСТ 6616-94). Таким образом, при измерении утермопары (рис. 20) один конец соединен (рабочий или горячий конец 1),

другой — разъединен (свободные или холодные концы 2, 2

), ив место разъединения включен измерительный прибор (электронный или цифровой милливольтметр mV или потенциометр). Если рабочий конец термопары поместить вточку измерения температуры, то насвободных концах появится термоЭДС, значение которой при неизменной температуре свободных концов T2 однозначно определится температурой рабочего конца T

. Прибор, под-

ключенный кконцам 2, 2/ термопары, может быть отградуирован непосредственно вградусах Цельсия.

Рис. 20. Термопара сизмерительным прибором

Для изготовления термопар восновном используют специальные сплавы. Внастоящее время наиболее широко используются термопары, характеристики которых приведены втабл. 1.

Погрешность измерения температуры современными термопарами зачастую зависит отизготовителя термопар иможет достигать довольно малых значений. Например, термопары компании «Fluke» имеют следующие погрешности измерения температуры:

1) при измерении выше –100°С:

– термопары J-, K-, T- , E- иN-типов ±(0,05% + 0,3°С);

– термопары R- иS-типов ±(0,05% + 0,4°С);

2) при измерении ниже –100°С:

– термопары J-, K-, E- иN-типов ±(0,20% + 0,3°С);

– термопара Т-типа ±(0,50% + 0,3°С).

-43-

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

Характеристики термопар

Таблица 1

Тип

термопары

K-тип (ТХА)

J-тип (ТЖК)

T-тип (ТМК)

L-тип (ТХК)

E-тип (ТХКн)

N-тип (ТНН)

R-тип (ТПП)

S-тип (ТПП)

В-тип (ТПР)

А1, А2, А3-тип

(ТВР)

Материалы электродов

термопар

Хромель (90% Ni + 10 % Cr)—

алюмель

(94,83 % Ni + 2 % Al + 2 % Mn +

+ 1 % Si + 0,1 % Fe

Железо— константан

(60 % Cu + 40 % Ni)

Медь— копель

(56 % Cu + 44 % Ni)

Хромель— копель –200…+800 0,1

Хромель— константан –150…+1 000 0,1

Нихросил (Ni + Cr + Si)— нисил

(Ni + Si)

Платинородий (13% родия)—

платина

Платинородий (10% родия)—

платина

Платинородий (30% родия)—

платинородий (6% родия)

Вольфрамрений (5% рения)—

вольфрамрений (20% рения)

Интервал

температур,

°С

–250…+1 370 0,1

–200…+1 200 0,1

–250…+400 0,1

–250…+1 300 0,1

0…+1 700 1,0

+600…+1 800 1,0

+100…+2 500 1,0

Разрешение,

°С

При измерении высоких температур применяются термопары R- иS-типа из благородных металлов и вольфрамрениевые термопары. Термопары изнеблагородных металлов дешевы иимеют более высокую чувствительность, чем термопары изблагородных металлов, ноуступают им встабильности характеристик ирассчитаны наизмерение более низких температур. Исключение составляет термопара N-типа (из неблагородных металлов), которая в2…5раз имеет более высокую термоэлектрическую стабильность исопротивление квысокотемпературному окислению посравне-

-44-

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

нию стермопарой K-типа, что позволяет их применять дотемператур порядка +1300°С.

Электроды термопары соединяют путем сварки, изолируют друг отдруга керамической трубкой ипомещают взащитный чехол (трубу, закрытую содной стороны). Чехол делается изжаропрочной стали, апри измерении очень больших температур— изкерамики или кварца.

Термоэлектрические преобразователи, обладая высокой чувствительностью, достаточно инерционны (от 5 секунд у самых быстродействующих донескольких минут).

Устройство, состоящее изтермопары, линии связи и электроизмерительного прибора или потенциометра, называется термоэлектрическим термометром.

Градуировку термоэлектрических термометров производят при температуре свободных концов, равной 0°С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°С. Поскольку при практическом применении этих термометров температура свободных концов обычно отлична от0°С, необходимо вводить поправку.

Широко применяются методы автоматического введения поправки натемпературу свободных концов. Термопару включают ввыходную диагональ измерительного моста вместе срезистором измедной проволоки, расположенным водном месте сосвободными концами термопары. Следовательно, этот резистор будет иметь ту же температуру, что исвободные концы термопары. Три остальных плеча моста, резисторы которых изготовлены изманганина, имеют постоянные сопротивления. Мост уравновешен при температуре свободных концов термопары и медного резистора, равной 0°С. Отклонение температуры от0°С вызовет изменение выходного напряжения моста, компенсирующее изменение напряжения навыходе термопары.

Для измерения термоЭДС применяются измерительные приборы сбольшим входным сопротивлением (например, электронные или цифровые милливольтметры). Это уменьшает влияние изменения сопротивлений проводов итермопары. Кроме того, втермоэлектрических термометрах применяются автоматические потенциометры, которые повышают точность измерения, практически исключая влияние сопротивлений проводов итермопары.

-45-

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

Q kF



Пьезоэлектрические преобразователи основаны наиспользовании прямого пьезоэлектрического эффекта.

В кристаллических диэлектриках разноименно заряженные ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Разноименно заряженные ионы чередуются, их заряды взаимно компенсируются, и вцелом кристалл получается электрически нейтральным. Одной изособенностей кристаллов является их симметрия. Кристаллы могут быть симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. Всоответствии свидом симметрии поопределенным законам строится кристаллическая решетка. Унекоторых веществ при действии накристалл механической силы в определенном направлении кристаллическая решетка деформируется, ивследствие изменения расстояний между положительными иотрицательными ионами кристалл электризуется. Наего гранях, перпендикулярных указанному направлению, появляется заряд, величина которого пропорциональна механической силе. Электризация кристалла под действием внешних механических сил называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (пьезоэффектом). Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Кним относятся кварц, тита- нат бария, сегнетовая соль идр. Для изготовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца, сочетающие хорошие пьезоэлектрические свойства свысокой механической прочностью, хорошими электроизоляционными характеристиками инезначительным влиянием температуры вдовольно широких пределах.

Вырежем изкристалла кварца пластину в форме параллелепипеда (рис.21), грани которого должны быть перпендикулярны оптической (Z), механической (Y) и электрической (X) осям кристалла (ось кристалла— это направление, вдоль которого кристалл обладает наилучшими соответствующими свойствами).

При воздействии напластину усилия F оси наперпендикулярных гранях появляется заряд

вдоль электрической

(про-

дольный пьезоэффект), где k— пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

-46-

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

Рис. 21. Пластина, вырезанная изкристалла кварца вформе параллелепипеда

При воздействии напластину усилия Fy вдоль механической оси натех же гранях возникает заряд:

= /

Q kF a b

(поперечный пьезоэффект),

где a иb— размеры граней пластины (a— длина; b— ширина).

Механическое воздействие вдоль оптической оси кристалла невызывает появления заряда.

На рис. 22 показано устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления газа. Давление p через металлическую мембрану 1 передается накварцевые пластины 3, зажатые между металлическими прокладками 2.

Рис. 22. Устройство пьезоэлектрического преобразователя

Шарик 4способствует равномерному распределению давления поповерхности кварцевых пластин. Средняя металлическая про-

-47-

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

( ) ( )

п0 п0

= += +//U QCC kSpCC

кладка имеет вывод 5, проходящий через втулку изизоляционного материала. При воздействии давления p между выводом 5 икорпусом преобразователя возникает разность потенциалов:

где Q— заряд, появляющийся на пластинах кварца при воздействии давления; Cп— электрическая емкость преобразователя;

C0— электрическая емкость проводов ивходной цепи прибора,

измеряющего разность потенциалов; k — пьезоэлектрический модуль кварца; S— площадь поверхности мембраны, накоторую воздействует давление p. Таким образом, поразности потенциалов U можно судить овеличине давления p.

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют иискусственные пьезоэлектрические материалы— пьезокерамику изтитаната бария, титаната ицирконата свинца.

Пьезокерамика имеет доменное строение (домен— микрообласть вещества, вкоторой оно поляризовано, т. е. имеется внутреннее электрическое поле с определенной ориентацией). При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление, инаповерхности изготовленного изпьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. Вэлектрическом поле домены ориентируются внаправлении этого поля, вещество поляризуется, инаповерхности появляется заряд. Если после этого ктелу из пьезокерамики приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменят свою ориентацию, изменится иполяризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда наповерхности тела.

Изготовление пьезокерамических преобразователей значительно проще, чем монокристаллических. Пьезокерамические изделия делаются по обычной для радиокерамических изделий технологии (путем прессования или спекания). Отличие заключается вэлектрической обработке— для поляризации изделие помещается вэлектрическое поле напряженностью 105…106 В/м.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения быстро меняющихся давлений, усилий, вибраций ит. п., что связано сутечкой заряда через сопротивление изоляции ивходную цепь измерительного прибора. Вследствие этого пьезоэлектриче-

-48-

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

ские преобразователи неиспользуются для статических измерений, а приборы, измеряющие разность потенциалов навыходе преобразователя, должны иметь большое входное сопротивление (порядка 1012…1016 Ом).

В последнее время все большее применение находят пьезо- резонаторы— пьезоэлектрические преобразователи, вкоторых используются одновременно прямой иобратный пьезоэффекты. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается втом, что при подаче наэлектроды преобразователя переменного напряжения впьезочувствительной пластине возникают механические колебания. При включении такого преобразователя врезонансный контур частота генерируемых электрических колебаний будет определяться собственной резонансной частотой механических колебаний пьезочувствительной пластины. Частота механических колебаний зависит оттолщины пластины, модуля упругости иплотности ее материала. При изменении этих параметров под влиянием температурных или механических воздействий изменится частота механических колебаний, и,соответственно, изменится частота генерируемых электрических колебаний. Этот принцип используется для преобразования температуры, давления идругих величин вчастоту.

Например, для измерения температуры свысокой точностью применяются кварцевые термочувствительные преобразова- тели. Как уже отмечалось, изменение температуры вызовет изменение частоты собственных колебаний контура стермочувствительным преобразователем. Измеряя частоту, можно измерить температуру. Этот принцип реализуется вприборах, называемых кварцевыми термометрами.

Чувствительность кварцевых термопреобразователей весьма высока идостигает 200…1000 Гц/К, что позволяет измерять температуру вдиапазоне 0…+100 °С с абсолютной погрешностью 0,05…0,005°С. Кварцевые термометры имеют рабочий диапазон температур от–260 до+500°С, хотя указанную погрешность они имеют лишь вдиапазоне 0…+100°С.

Высокая точность кварцевых термометров связана с высокой стабильностью параметров преобразователя (за10лет изменение характеристик кварца непревосходит 0,05%) ивысокими метрологическими характеристиками измерителей частоты. Недостатком

-49-

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

является ограниченная взаимозаменяемость, обусловленная разбросом параметров пьезочувствительных пластин.



В основе работы гальванического преобразователя лежит зависимость потенциала электрода отконцентрации ионов врастворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично растворяется внем. Положительные ионы металла переходят в раствор, сам электрод получает при этом отрицательный заряд. Возникшая разность потенциалов между электродом ираствором препятствует дальнейшему переходу ионов металла враствор, ирастворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит отконцентрации ионов врастворе иможет служить для определения их концентрации.

Гальванический преобразователь (рис. 23) состоит издвух сосудов: 1 и3. Водин сосуд заливается раствор с известной концентрацией, вдругой— раствор, концентрация которого измеряется. Воба сосуда погружены металлические электроды.

Рис. 23. Гальванический преобразователь

Между собой они соединены электролитическим ключом 2 — трубкой с насыщенным раствором KCl, закрытой с двух сторон полупроницаемыми пробками изваты или асбеста. ЭДС преобразователя E, измеряемая между электродами, определяется неизвестной концентрацией.

-50-

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 155 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]