Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ГОСЫ НОВЫЕ 2015

.docx
Скачиваний:
99
Добавлен:
18.02.2016
Размер:
6.34 Mб
Скачать

1. Объясните принцип действия реостатных преобразователей. Приведите примеры их применения. Реостатный преобразова­тель — это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое линейное перемещение движка, выходной — измене­ние его сопротивления. Устройство преобразователя показано на рис. Он состоит из кар­каса 1, на который намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка 3, укреп­ленного на оси 4. Движок касается провода 2, Для обеспечения электри­ческого контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции, В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществ­ляется с помощью неподвижного токосъемного кольца 5.Обмотка делается обычно из провода, изготовленного из манганина, константана, фехраля. Для повыше­ния точности и надежности она выполняется из платино-иридиевого сплава.

Преобразователь может включаться в электрическую цепь по потенциометрической схеме. Напряжение с его движка подается на нагрузку RН. Рассмотрим зависимость напряжения на нагрузке от изменения сопротивления R преобразователя. Если сопротивление RH столь велико (RН > RР), что током в этом сопротивлении можно пренебречь по сравнении с током в сопротивлении RР, то реостатный преобразователь работает в режиме холостого хода и напряжение на нагрузке UН = UR/RР пропорционально сопротивлению R. Если реостатный преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования R = (Rр/l)x, то напряжение UH пропорционально пере­мещению движка UН = (U/l)x.

Реостатные преобразователи бывают проволочными и непроволочными. Проволочные отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования. Указанные недостатки отсутствуют в непроволочных преобразователях, однако они значительно уступают проволочным по точностным характеристикам. Реостатные преобразователи применяют для измерения углов поворота, дистанционной передачи показаний различных приборов, измерения уровня жидкости ( см. рис. 10.1), перемещения деталей, усилий, давления и других величин, которые можно преобразовать в перемещение. Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины - перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины.

2. Расскажите о назначении и принципе действия тензорезистивных преобразователей. Тензорезисторный преоб­разователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяю­щий свое сопротивление при деформации сжатия—растяжения. При де­формации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к измене­нию удельного сопротивления р. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника R = pl/Q . Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления провод­никовых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180°С, является константант. Зависимость сопротивления R от относительной деформации ε с достаточной точностью опи­сывается линейным двучленом R = R0(1 + STε), где Roсопротивление тензорезистора без деформации; ST — тензочувствительность материала.

Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0—2,1. Нелинейность функции преобразования не превы­шает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4-12мкм (рис). Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротив­ления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20—50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволоч­ные преобразователи уступают фольговым.

Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5—20 мм, ширину 3—10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-76.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5-10 мм, шириной 0,2—0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Но­минальное сопротивление лежит в пределах 50—800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в преде­лах ST =55 - 130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой раз­брос параметров и характеристик.

Тензорезисторы применяются для преобразования деформации дета­лей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации.

Наиболее часто тензорезисторные преобразователи включаются в схему неравновесного моста.Если сопротивление нагрузки RH достаточно велико (режим холо­стого хода), то выходное напряжение моста UX=UR1/(R1+R2)-UR3/(R3+R4)=U[(R1R4-R2R3)/(R1+R2)(R3+R4), где U - напряжение питания. В качестве R1 и R2 включаются одинако­вые тензорезисторы.

3. Объясните принцип действия пьезоэлектрических преобразователей. Приведите примеры их применения. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определен­ном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разно­именно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. 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 построена кристаллическая решетка и расположены ионы. В направлении оси Х ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы FХ в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрица­тельными ионами изменяются и кристалл электризуется в этом направ­лении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется зарядq =d11FX пропорциональный силе FХ. Коэффициент d11 зависящий от вещества и его состояния, наз. пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется. Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пъезоэффектом. Вещества, обладающие пъезоэффектом, назы­ваются пьезоэлектрихами. Для изготовления измерительных преобразо­вателей наибольшее применение нашли естественные кристаллы квар­ца и искусственные пьезоэлектрические материалы — пьезокерамики.В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия—растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах Е = q/C, где q — пьезоэлектрический заряд: С - емкость, образованная электро­дами. Е = dF/C функция преобразования пьезоэлектрического преобразователя. Если преобразователь имеет форму плоской пластины, то емкость между его электродами С =εr ε0Q/δ, где εr - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; Q — площадь электродов; δ — расстояние между элект­родами. ЭДС, возникающая на электродах преобразователя, довольно значи­тельна — единицы вольт. Но если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд, мал и быстро стекает через входное сопротив­ление вольтметра. Если же сила переменна, то образуется перемен­ная ЭДС, измерить которую значительно проще. Если при этом период изменения силы много меньше постоянной времени, определяемой ем­костью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение преобразователя. При сину­соидальном законе изменения силы F=Fmsinωt ЭДС изменяется также синусоидально: E=Emsinωt Измерение переменной силы сводится к измерению переменной ЭДС или напряжения. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения парам. механических процессов, в том числе: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики. Преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты - пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эф-но излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др.

4. Объясните принцип действия емкостных преобразователей. Приведите примеры их применения. Емкостный преобразова­тель представляет собой конденсатор, электрические параметры которо­го изменяются под действием входной величины. Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора. В качестве емкостного преобразователя широко используется плос­кий конденсатор. Его емкость определяется выражением С=εr ε0Q/δ,где δ — расстояние между электродами; Qих площадь;ε0 — электри­ческая постоянная; εr — относительная проницаемость диэлектрика. Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденса­тора. У преобразователя с прямоугольными электродами (рис1.а) Q=bх и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в кото­ром емкость линейно зависит от х (рис.1,б).Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зави­симости чувствительность такого преобразователя S = dC/dx = εr ε0b/δ постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электро­дами δ.

Если изменяется расстояние δ между электродами, функция преобразования С = f(δ) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность преобразователя S = dC/ = εr ε0 Q /δ2 сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пла­стинами δ. Для увеличения чувствительности S целесообразно уменьшить δ. Надо учитывать, что при малых δ возможен электрический пробой между электродами. Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 2, а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсато­ров. Один нз них Cε образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой С0 - оставшейся частью электродов с межэлектрод­ным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью εr имеет толщину δ, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением C=Cε+C0=ε0[Q+Qε(ε-1)]/δ где Qплощадь электродов; Qε — часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами. Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяющих область их применения. Конструкция емкостного дат­чика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные элек­троды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной час­тотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Дня получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электро­дов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов. Основным недостатком емкостных преобразователей является ма­лая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток — сложность вторичных преоб­разователей. Недостатком является и то, что результат измерения за­висит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цель и вторичный прибор располагают вблизи датчика. Емкостные преобразователи широко применяются в научно-исследовательской работе, где имеется высококвалифицированный персонал для разработки, эксплуатации и ремонта датчиков и вторичных приборов. В усл. научного эксперимента ценным свойством дат­чиков является простота их констр. и технологии.

5 .Объясните принцип действия индуктивных преобразователей. Приведите примеры их применения. Индуктивный преобразо­ватель представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей; с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Пример схемы преобразователя первой группы по­казан на рис. а. Преобразователь состоит из П-образного магнитопровода 1, на котором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности дросселя. Другая широко используемая модификация (плун­жерный преобразователь) показана на рис. б. Преобразователь представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна.Схема преобразователя второй группы приведена на рис. в. В зазор магнитной цепи 1 вводится пластинка 2 с высокой электропро­водностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увели­чению потерь активной мощности катушки 3. Это эквивалентно увели­чению ее активного сопротивления. Функция преобразования преобразователя рис. 4.23, а с некоторыми допущениями может быть получена следующим образом. Как известно, индуктивность катушки L=wФ/I, где wчисло витков; Ф -пронизывающий ее магнитный поток; I-проходящий по катушке ток. Ток связан с МДС F соотношением I=F/w. Подставляя, получим L=w2/RM, где RM = F/Ф –магнитное сопротивление преобразователя. Если пренебречь рассеянием магнитного потока и нелинейностью кривой намагничивания стали, то для преобразователя по схеме рис. 4.23, а магнитное сопротивление RM = RCT+RЗ=lCT/μrμ0QCT+2δ/μ0Q,где RCT - магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода; lCT - длина средней силовой линии по стальным участкам; Q - их поперечное сечение; μr - магнитная проницаемость стали; μ0 = = 4π10-7 Гн/м - магнитная постоянная; R3 - магнитное сопротивле­ние воздушных зазоров, имеющих длину δ и сечение Q.

Будем считать QСТ = Q. При этом ин­дуктивность преобразователя L = μ0Qw2/( + lCT/μr).Если пренебречь активным сопротив­лением дросселя, то функция преобразователя, т. е. зависимость электриче­ского сопротивления Z от размера воз­душного зазора δ, выражается зависи­мостью (δ)=jωL=jωw2μ0Q/(+lCT/μr)≈jωw2μ0Q/2δ.В последнем равенстве имеется в виду, что 2δ>>lCT/μr вследст­вие большого значения магнитной проницаемости магнитопровода. Под чувствительностью индуктивного преобразователя часто пони­мают отношение S=lim(ΔZ/Z)/Δδ=(1/Z)(dZ/) Таким образом, S=-2/(+lCT/μr)≈1/δ.Индуктивный преобразователь является электромагнитом, его сила притяжения, возрастающая с увеличением чувствительности, нелинейно зависит от перемещения якоря и может явиться причиной погрешности преобразователя, предшествующего индуктивному.Описанные одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд не­достатков: их функции преобразования нелинейны; аддитивные по­грешности, в частности погрешность реального преобразователя, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велики; сила притяжения якоря значительна. Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинаковых одинарных преобразователей, которые имеют общий подвижный элемент. Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм. Также можно использовать индукт. датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидк. и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю. В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.

6. Объясните принцип действия термоэлектрических преобразователей. Приведите примеры их применения.

Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения - спаями. При небольшом перепаде температур между спаями термо-э.д.с. можно считать пропорциональной разности температур.

Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека основывается на следующих явлениях. Если вдоль проводника существует градиент температур, электроны на горячем конце добывают высшие энергии и скорости, чем на холодном. В итоге возникает поток электронов от горячего конца к холодному, и на холодном конце накапливается негативный заряд, а на горячем остается некомпенсированный позитивный заряд. Поскольку средняя энергия электронов зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой, при той же разнице температур термо-ЭДС на концах разных проводников будут отличаться: e1 = k1(T1 - T2); e2 = k2(T1 - T2)

где Т1 и Т2 - температуры горячего и холодного концов соответственно; k1 и k2 –коэффициенты, что зависят от физических свойств соответственно 1-го и 2-го проводников. Результирующая разница потенциалов называется объемной термо-ЕРС: eоб = e1 - e2 = (k1 - k2)(T1 - T2). В местах спайки разнородных проводников появляется контактная разница потенциалов, которая зависит от площади и материалов прилегающих поверхностей и пропорциональная их температуре: ek1 = kповT1; ek2 = kповT2 где kпов - коэффициент поверхностей касательных металлов. В итоге появляется вторая составляющая исходного напряжения - контактная термо-ЕРС: ek = ek1 - ek2 = kпов(T1 - T2) Напряжение на выходе термопары определяется как сумма объемной и контактной термо-ЭДС: Uвих = eоб + ek = (k1 - k2 + kпов)(T1 - T2) = к(T1 - T2) где к - коэффициент передачи. Недостатки термопары: - малая чувствительность (порядку 0,1 мВ/°К); - высокое исходное сопротивление; - необходимость поддержки постоянной температуры одного из концов. Термоэлектрические преобразователи (ТП) с металлическими электродами предназначены для измерения температуры (жидкостей и газов; твердых тел) в комплекте с милливольтметрами, автоматическими потенциометрами, измерительными преобразователями.

7. Охарактеризуйте терморезисторы. Объясните их назначение и область применения. Терморезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводникового материала от температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1–10 мкм до 1–2 см. Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния. Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году. Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. Их ещё называют NTC-термисторы и PTC-термисторы соответственно. У позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов —- наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.На рис. Представлен символ терморезистора, используемый в схемах.

Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170–510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900–1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–106 Ом.

Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электромагнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена терморезистора со средой. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) для позистора.

8. Объясните принцип действия преобразователей ионизирующего излучения. Приведите примеры их применения.

Ионизационным называется преобразователь, преобразующий интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину. Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

Ионизационная камера. Она состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, заполненного газом, и металлического электрода 2 , расположенного по оси корпуса и изолированного от него изолятором 3 . Корпус служит катодом и заземлен, электрод служит анодом. При помещении камеры в пространство с ионизирующим излучением находящийся в ней газ ионизируется. Если к электродам приложить напряжение U, то ионы газа образуют ток.

Газоразрядные счетчики представляют собой ионизационную камеру, работающую при напряжении большем, чем UB на рис. б. Они бывают двух типов: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера. Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный балахон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволока – анод. На цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытия – катод. Прикладываемое к электродам напряжение создает в межэлектродном пространстве поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникший под действием ионизирующей частицы или излучения в области малой напряженности, дрейфует к аноду, при этом его скорость и энергия возрастают. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, энергия возрастает настолько, что электрон становится способным сам ионизировать газ. Эта ионизация увеличивает число вторичных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 103 -104 , а иногда более чем в 106 раз. Газовый разряд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным газовым разрядом, он возникает при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее прекращении.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора – твердого тела, которое под действием излучения дает вспышку света, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Яркость вспышки, а следовательно, и импульс фототока ФЭУ определяются энергией частицы или излучения, поглощенной сцинтиллятором, их средняя частота – интенсивностью излучения.

Полупроводниковый детектор - прибор для регистрации ионизирующих излучений, основным элементом которого является кристалл полупроводника. Работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. Представляет собой полупроводниковый диод, на который подано обратное (запирающее) напряжение

Приборы с ионизационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые обеспечили их распространение. Эти приборы используют радиоактивные источники, излучение которых стабильно. На излучение не влияет изменение внешних условий: температуры, давления, напряжения питания, наличие агрессивных сред и т. п. Интенсивность изменяется только вследствие естественного распада ядер радиоактивного изотопа. Благодаря большой проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится в тяжелых эксплуатационных условиях (высокие температуры и давление, агрессивная среда и т.п.).

Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако разработка и использование высокочувствительных детекторов (сцинтилляционных и полупроводниковых) и снижение интенсивности рабочего излучения делают ионизационные приборы практически безопасными.

9. Объясните принцип действия электролитических преобразователей. Приведите примеры их применения. Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) электропроводность возрастает. При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы; при этом количество носителей и электропроводность раствора возрастают. При малых концентрациях электролита, когда количество ионов мало, увеличение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации с в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается. Электролитический преобразователь представляет собой два электрода 1, погруженные в раствор 2 . Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователя R обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита g : Коэффициент k называется постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением g . Электрические преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи и часто работают с автоматическими мостами. Сопротивление преобразователей сильно зависит от температуры. Для компенсации этой зависимости последовательно с электролитическим преобразователем включаются терморезисторы. Питание моста с электролитическими преобразователями производится напряжением переменного тока с промышленной частотой или частотой в несколько килогерц. Если электролитические преобразователи питать напряжением постоянного тока, то будет происходить электролиз раствора и изменится его концентрация в приэлектродных областях. Постоянный ток производит также поляризацию электродов. То и другое явления создают погрешность. Для повышения стабильности преобразователя его электроды должны быть химически инертны по отношения к исследуемому раствору. Они выполняются из платины, нержавеющей стали или графита. Загрязнение электродов, изменение их активной площади вызывают погрешность. Более надежны бесконтактные электролитические преобразователи, токоведущие элементы которых изолированы от электролита. Бесконтактный преобразователь (рис.а) представляет собой стеклянную трубку с тремя цилиндрическими камерами, через которую протекает исследуемый раствор. На внешнюю цилиндрическую поверхность камер наносится металлическое покрытие, служащее электродом. Два крайних электрода 1, 2 соединены вместе и заземлены, средний электрод 3 подключается к измерительной цепи. Эквивалентная схема приведена на рис. б. На этой схеме R1 и R2 – сопротивления раствора в левой и правой трубках; Ср1 и Ср2 – емкости раствора в соответствующей трубке; С1 , С2 , С3 – емкости между соответствующим электродом и раствором. В конденсаторах Ср1 и Ср2 - диэлектриком служит раствор, в конденсаторах С1 , С2 , С3 – стекло. Преобразователь питается напряжением с частотой несколько мегагерц.

Электролитические преобразователи используют для измерения механических перемещений и деформаций. При постоянной концентрации электролита изменение сопротивления преобразователя может быть вызвано изменениями расстояния между электродами или сечения электролита. На этом и основано действие электролитических преобразователей перемещения.

10. Расскажите о назначении и принципе действия гальванических преобразователей. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может служить для определения их концентрации.

Конструктивно гальванический преобразователь (рис.1) состоит из двух полуэлементов 1 и 2, которые гальванически соединены между собой электрическим ключом 3 . Полуэлемент представляет собой сосуд с раствором электролита, в который погружен металлический электрод. В одном полуэлементе находится раствор, концентрация которого измеряется, в другом – раствор с известной концентрацией. Электролитический ключ – это трубка, заполненная раствором КС1 и закрытая с двух сторон полупроницаемыми пробками из ваты или асбеста.

Приборы, служащие для измерения водородного показателя, называются рН-метрами. Их первичными преобразователями служат гальванические преобразователи, в которых роль металла играет водород, роль металлических ионов – ионы Н+.

Типичным полуэлементом рН-метра является водородный электрод 1 на рис.2 Он представляет собой стеклянный сосуд с электролитом, в который погружена пластинка, покрытая мелкодисперсной платиной (платиновой чернью). Снизу на пластинку подается газообразный водород. Он адсорбируется платиной и частично в виде ионов Н+ переходит в раствор. Вследствие оставшихся на пластинке электронов она имеет отрицательный потенциал относительно раствора.

Для измерения кислотности используют два полуэлемента. Один полуэлемент 1 заполняется электролитом с известной концентрацией, другой 2 – электролитом, значение рН которого нужно измерить.

Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно производиться при минимальном токе, поскольку при протекании тока происходит электролиз и изменяется концентрация раствора в приэлектродной области, что создает погрешность. Кроме того, при протекании тока происходит падение напряжения на довольно большом внутреннем сопротивлении преобразователя, что также вносит погрешность в измерение ЭДС. ЭДС рН-метров измеряется либо электронными вольтметрами с большим входным сопротивлением, либо с помощью потенциометров с ручным или автоматическим уравновешиванием.

ЭДС гальванического преобразователя зависит от температуры. Для уменьшения погрешности автоматические рН-метры имеют термокорректирующие цепи.

11. Покажите изменения показания ртутного U-образного манометра, если атмосферное давление уменьшилось на 7кПа при неизменном абсолютном измеряемом давлении. Температура окружающей среды и g не изменились.

Принцип действия U-образного манометра: измеряемое давление уравновешивается высотой столба затворной жидкости: Ризб = (h1 + h2) *ρ*g, где ρ — плотность затворной жидкости, h1 — отметка, на которую опустилась затворная жидкость ниже нуля, h2 — отметка, на которую поднялась жидкость в другом колене, Δ h1- отметка, на которую опустилась затворная жидкость ниже h1, Δ h2- отметка, на которую поднялась жидкость в другом колене выше h2 . Δ P =7000 Па g=9.8м/с² ρ = 13 500 кг/м3

ΔР = (Δh1 + Δh2)*g*ρ, Δ h1= Δ h2

2Δh=0.0529м

Δ h1 -опустилась затворная жидкость на 2,65 см

Δ h2 - поднялась жидкость в другом колене на 2,65 см

12. Покажите, зависят ли чувствительности медного и платинового термометров сопротивления от температуры, если известно, что сопротивления связаны с температурой выражениями Rt=R0(1+αt) для медного и Rt=R0(1+At+Bt2) для платинового, где α- температурный коэффициент сопротивления, A и Bconst t- температура в 0С, R0 –сопротивление при 00С?

Чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к абсолютному изменению измеряемой величины

ΔR/Δt=(R1-R2)/ (t1-t2)

Для медного ΔR/Δt==(R1-R2)/ (t1-t2)= (R0(1+αt1)- R0(1+αt2) )/ (t1-t2)= R0 α

Чувствительность не зависит от температуры

Для платинового ΔR/Δt==(R1-R2)/ (t1-t2)= (R0(1+At1+Bt12)- R0(1+At2+Bt22))/ (t1-t2)=

= R0(A(t1-t2)+B (t12 - t22 ))/ (t1-t2)= R0(A+B(t1 + t2 ) )

Чувствительность зависит от температуры

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]