Тема 9_Измерение неэлектрических величин

Тема: Измерение неэлектрических величин

1. Общие вопросы измерения неэлектрических величин электрическими средствами

В процессе производственной и научной деятельности, наряду с измерением электрических величин, возникает необходимость в измерении большого количества неэлектрических величин (температуры, давления, расхода, влажности, уровня и т. д.).

Измерение неэлектрических величин может осуществляться с помощью неэлектрических и электрических средств измерений.

Измерение неэлектрических величин с помощью электрических средств имеет ряд достоинств, определяющих их широкое применение. Основными преимуществами применения электрических средств являются:

1)возможность осуществления дистанционных измерений, когда результат измерений может быть получен на значительном расстоянии от объекта исследования;

2)удобство использования электрических измерительных сигналов для решения задач автоматического контроля и управления;

3)высокая чувствительность и малая инерционность.

При всем многообразии способов и методов измерения неэлектрических величин при помощи электрических средств измерений, их общность состоит в том, что измеряемую неэлектрическую величину предварительно преобразуют в пропорциональную ей электрическую (силу тока, напряжение, частоту, сопротивление и т.д.), а затем измеряют известными средствами электрических измерений. Структурная схема измерительной цепи представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема измерительной цепи:

x – измеряемая неэлектрическая величина; y = f(x) – электрическая величина, пропорциональная x; l – отсчет измеряемой неэлектрической величины; ИП – измерительный преобразователь (датчик); ИУ – электрическое измерительное устройство (вторичный прибор)

2. Измерительные преобразователи неэлектрических величин

Обязательным элементом любой измерительной цепи для измерений неэлектрической величины электрическими средствами является измерительный преобразователь (ИП).

По принципу действия все ИП разделяют на: 1) генераторные; 2) параметрические.

Генераторные ИП под воздействием измеряемой неэлектрической величины вырабатывают (генерируют) электрическую энергию (э.д.с., ток и т.д.), пропорциональную измеряемой величине.

Параметрическими называют ИП, в которых под воздействием измеряемой неэлектрической величины изменяются какие-либо электрические параметры (сопротивление, емкость, индуктивность и т.д.).

2.1 Генераторные измерительные преобразователи

2.1.1 Индукционные ИП

Принцип действия таких ИП основан на явлении электромагнитной индукции (наведении э.д.с. в контуре, находящемся в переменном магнитном по-

ле: e d w d ). dt dt

В качестве примера индукционного преобразователя может служить тахометрический преобразователь числа оборотов, схематически показанный на рис. 2.

Рис. 2. Индукционный ИП

Для этого случая

E kФn,

где k – конструктивный коэффициент, Ф – магнитный поток.

Рис. 3 Индукционный преобразователь параметров вибрации

2

2.1.2 Пьезоэлектрические ИП

Принцип действия таких ИП основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте, заключающемся в появлении электричесих зарядов на гранях кристаллов некоторых диэлектриков под влиянием механических напряжений, действующих на них.

Подобные диэлектрики называют пьезоэлектриками (сегнетоэлектриками). Характерными пьезоэлектриками, применяемыми в измерительной технике, являются: сегнетова соль, кварц, турмалин, титанат бария и др.).

Рис. 4 Принцип действия пьезоэлектрического ИП: 1 – пластина из пьезоэлектрика; 2 – электроды

При этом

Q kd F,

где Q – избыточный заряд; F – сила; kd – пьезоэлектрический модуль.

2.1.3 Термоэлектрические ИП (термопары)

Принцип действия таких ИП основан на термоэлектрическом эффекте (эффекте Зеебека), сущность которого заключается в том, что при соединении двух разнородных проводников в месте их соединения возникает ЭДС (термоЭДС), зависящая от рода материала проводников и температуры места соединения.

Проводники, образующие термопару, называются термоэлектродами. Место соединения термоэлектродов называется рабочим или горячим спаем. Противоположные концы называются холодными или свободными (рис. 5).

Рис. 5. Термоэлектрический преобразователь (термопара):

1 – термоэлектроды; 2 – горячий (рабочий) спай; 3 – холодные (свободные) концы

3

Термо-ЭДС, развиваемая термопарой, пропорциональна разности температур горячего спая и холодных концов и для небольшого диапазона температур может быт выражена линейной зависимостью:

Et α(tг tх),

где tг – температура горячего спая; tх – температура свободных концов;– коэффициент, зависящий от материала термоэлектродов и диапазона температур.

Вобщем случае НСХ термопар для всего диапазона измерений являются нелинейными и при их использовании для измерения температуры необходимо предусматривать меры по линеаризации.

Вкачестве материала для термоэлектродов используются как чистые металлы, так и их сплавы: медь, никель, платина, хромель, алюмель, копель и др.

2.2 Параметрические измерительные преобразователи

2.2.1 Индуктивные ИП

Принцип действия таких преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности катушек с ферромагнитным сердечником от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

Одно из конструктивных решений индуктивного преобразователя, поясняющее принцип его действия, показано на рис. 6.

Рис. 6 Принцип действия индуктивного ИП: x Rм L Z

Примерная зависимость полного сопротивления катушки Z от величины воздушного зазора δ показана на рис. 7.

4

Рис. 7 Зависимость Z от δ

Примеры других конструкций индуктивных ИП представлены на рис. 8

Рис. 8 Примеры конструкций индуктивных ИП

2.2.2 Тензочувствительные (тензорезисторные) ИП

В основе работы тензочувствительных преобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников (полупроводников) при их механической деформации.

Как известно сопротивление проводника определяется зависимостью

R l . S

При деформации изменяется его длина l и площадь поперечного сечения S, а также, из-за деформации кристаллической решетки – удельное сопротивление ρ, что приводит к изменению сопротивления R.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности Sт, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

R Sт l R.

l

5

Конструкция проволочного тензопреобразователя представлена на рис. 9.

Примеры конструкций фольговых тензопреобразователей представлены на рис. 10.

В настоящее время при измерении давления жидкостей и газов широко применяются полупроводниковые тензопреобразователи, у которых на тонкой пластине кремния, находящейся на подложке из изолятора (сапфира, корунда и т. п.) сформированы тензорезисторы и соединительные проводники (рис. 11).

6

Рис. 11 Упрощенная конструкция полупроводникового тензорезисторного преобразователя давления: 1 – кремниевая пластина; 2 – мембрана

2.2.3 Термочувствительные (терморезисторные) ИП

Принцип действия таких преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

Наибольшее распространение получили терморезисторы из меди и пла-

тины.

Для медного преобразователя характерна линейная зависимость сопротивления от температуры:

Rt R0(1 t),

где R0 – сопротивление при 0 °C; α – температурный коэффициент

(0,00428 °С–1).

Для платинового преобразователя зависимость нелинейная и в диапазоне температур от 0 °C до +650 °C определяется выражением:

Rt R0(1 At Bt2),

где A и B – постоянные коэффициенты.

В диапазоне температур от −60 °C до +120 °C находят применение полупроводниковые терморезисторы (термисторы). Они могут иметь отрицательный температурный коэффициент (ТКС) – сопротивление уменьшается с ростом температуры (NTC-резисторы) и положительный (как и у проводников) ТКС (PTC-резисторы). Недостаток полупроводниковых терморезисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования:

Rt R0 exp[B(1t 1t0)]

2.2.4 Емкостные ИП

Принцип действия таких преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для плоского конденсатора:

C 0 S , d

7

где ε0 – электрическая постоянная; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S – активная площадь обкладок; d – растояние между обкладками. Из этого выражения видно, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей C = f1(d), C = f2(S) и C = f3(ε).

Примеры конструктивного решения емкостных преобразователей показаны на рис. 12.

3 Методы и средства измерения технологических параметров в АПК

3.1 Измерение температуры

(смотри лабораторную работу №13)

8

При использовании в качестве ИП термопар, для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы, их следует удалить из зоны с переменной температурой.

Для этого используются провода из тех же материалов, что и для термоэлектродов, либо применяются специальные удлиняющие термоэлектродные провода, выполняемые из материалов, которые в паре (в ограниченном температурном диапазоне от 0 °C до 100 °C) генерируют ту же термоЭДС, что и рабочие термоэлектроды. В табл. 1 приведены характеристики некоторых удлиняющих термоэлектродных (компенсационных) проводов.

Таблица 1 – Характеристики удлиняющих термоэлектродных (компенсационных) проводов

9

3.2 Измерение уровня

(смотри лабораторную работу №14)

3.3 Измерение давления жидкостей и газов

Измерительные преобразователи давления в большинстве случаев представляют собой сочетание деформационного чувствительного элемента (мембраны, трубчатой пружины, сильфона – рис. 13), преобразующего давление в пропорциональное перемещение или деформацию, и преобразователя этого перемещения (деформации) в электрический сигнал измерительной информации.

Рис. 13 Деформационные ЧЭ

В качестве преобразователей перемещения (деформации) применяются индуктивные, тензорезисторные, емкостные и пьезоэлектрические ИП (рис. 14).

10