Измер консп_лекций - 2013

50

Таблица 6.1 - Характеристики термопар

Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Устройство промышленной термопары показано на рис. 6.9. Термоэлектроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим — подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур — из керамики или кварца. Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем. Противоположные концы называются холодными или свободными. Обычно в месте свободного спая термопара разомкнута. ЭДС термопары обычно не превосходит 50мВ.

51

Рисунок 6.9 – Конструкция термопары и её схема включения Схемы включения. Рабочий конец термопары погружается в среду,

температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами. В качестве последних используются два провода из различных материалов. Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.

Вкачестве вторичных преобразователей используются либо магнитоэлектрические милливольтметры, либо потенциометры постоянного тока.

Влабораторной практике используются потенциометры с ручной компенсацией, а в производственной — автоматические потенциометры.

52

Упрощенная схема автоматического потенциометра приведена на рис. 6.9. Термопара Т включается таким образом, что ее ЭДС Е направлена встречно компенсирующему напряжению Ек, создаваемому с помощью мостовой цепи. Это напряжение изменяется пропорционально перемещению движка по реохорду Rр. Разность ЭДС термопары и компенсирующего напряжения Е-Ек усиливается усилителем и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя, вращаясь, через редуктор, перемещает движок реохорда так, чтобы разность Е - Ек уменьшалась. Когда она становится равной нулю, вал останавливается. С движком реохорда связаны стрелка прибора, перемещающаяся по шкале, записывающее устройство, регистрирующее текущее значение температуры, контакты для ее регулирования, а также устройство для дистанционной передачи показаний.

6.6 Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Принцип действия пьезоэлектрических чувствительных элементов основан на использовании свойств некоторых кристаллов образовывать на своих гранях электростатические заряды под действием упругих деформаций. Этот, так называемый, пьезоэффект возникает на кристаллах кварца, турмалина, сегнетовой соли (калийно-натриевая соль винной кислоты), титаната бария и некоторых других веществ. Пьезоэлектрические чувствительные элементы позволяют контролировать быстро протекающие процессы, так как заряды образуются практически безынерционно.

Рисунок 6.10 – Кварцевый кристалл (О-z – оптическая ось; y-y –механическая ось; х-х – электрическая ось)

53

Для измерений почти всегда применяют кварц, имеющий низкую температурную чувствительность и обладающий большим модулем упругости (8×1010 Н/м2), позволяющим осуществлять измерения при ничтожно малых перемещениях. Кристаллы кварца представляют собой шестиугольные призмы (рис. 6.10) с продольной, называемой оптической, осью z-z, проходящей через ребра призмы электрической осью х-х и нейтральной, или механической, осью у-у, проходящей через середины противолежащих граней. Вырезанный из кварцевого кристалла прямоугольный параллелепипед (пластина), грани которого перпендикулярны осям у-у и х-х, обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Px

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + +

Px

+Qx -

Рисунок 6.11 – Чувствительный элемент с несколькими кварцевыми пластинами

Сила, направленная по оси y-y параллелепипеда, не возбуждает электрических зарядов на его гранях. Под действием растягивающего или сжимающего усилия, направленною вдоль электрической оси х-х, на перпендикулярных этой оси гранях возникают заряды разного знака (так называемый продольный эффект).

Этот заряд равен Qx

где Qx – заряд; d – постоянный коэффициент (пьезомодуль); Fx – сила, действующая на поверхность кристалла. Как видно из приведенного выше уравнения, Qx не зависит от размеров кристалла кварца.

Нагрузки, действующие в направлении механической оси кристалла

где lX и lY – размеры кристалла в направлениях осей х. При поперечном эффекте Qу, зависит от размеров кристалла. Условия прочности не позволяют

54

получить большие заряд счет увеличения lY и снижения lX, поэтому используют лишь продольный пьезоэффект. При температурах 500°С пьезоэффект исчезает. Температура 537°С, при которой структура кварца переходит в структуру не обладающую пьезоэлектрическим эффектом, называется точкой Кюри. Для измерения электрических зарядов, возникающих на гранях.

6.7 Элементы Холла

Физическая теория эффекта Холла. Рассмотрим проводящую прямоугольную пластинку (длиной L, шириной l, толщиной е) с приложенной к ней разностью потенциалов V, вызывающей ток I в продольном направлении (рис. 6. 11).

Рисунок 6. 11 – Принципиальная схема зонда, основанного на эффекте Холла.

55

противоположной стороне такой же заряд противоположного знака; эти заряды создают электрическое поле Ey, параллельное оси у, направленное в сторону возрастания у и действующее на каждый электрон с силой Fy = -q Ey. Состояние равновесия достигается, когда обе силы уравновешиваются: уравновешиваются: Ey Ex BN

Напряжение Холла VH соответствует произведению Ey на ширину пластины:VH Eyl Ex BN l ,

или, учитывая найденное ранее выражение для тока I,

Постоянная Холла зависит от температуры вследствие ее влияния на

Изменение KH в функции величины B может вылиться в отклонение от линейности порядка нескольких % от диапазона измерений; знак этой нелинейности зависит от материала.

Конструкция датчика. Измеряемая величина, к которой датчик, основанный на эффекте Холла, непосредственно чувствителен, — это нормальная составляющая BN магнитной индукции; соответствующая

Чувствительность SBN пропорциональна току I, проходящему по

зонду; она зависит от конструкции зонда (толщины e и выбора материала по коэффициенту KH).

Когда датчик используется для определения положений или перемещений, магнит, создающий индукцию, играет роль промежуточного преобразователя, на который воздействует первичная измеряемая величина

56

(положение или перемещение), изменяя вторичную измеряемую величину, KH, к которой датчик чувствителен непосредственно. Чувствительность к положению Sx определяется выражением

Чувствительность к положению Sx пропорциональна, в частности, градиенту нормальной составляющей индукции в области перемещения. Этот градиент зависит от природы магнита и от его положения относительно зонда; обычно он имеет значительную величину и более или менее постоянен только на очень ограниченном участке (порядка 1 мм).

Датчик с аналоговым выходом. Датчик этого типа в промышленном исполнении содержит обычно, кроме полупроводниковой пластины, цепь питания и усилитель напряжения Холла с коэффициентом усиления А. Если собственная чувствительность пластины (для данного тока I) равна SBN , то

Порядок величин параметров датчика следующий: чувствительность к индукции S BN от 5 до 15 мВ/мТ; диапазон измерений ±100 мТ; отклонение

от линейности от 1 до 1,5% диапазона измерений.

Измеряемое напряжение AVH может накладываться на выходе усилителя на постоянное напряжение смещения Vd v0 Vd AVH , что позволяет легко определить направление B в зависимости от соотношения

v0 Vd или v0 Vd .

Чувствительность к перемещению зависит от магнитной цепи, которая обычно реализуется с помощью нескольких постоянных магнитов, расположенных таким образом, чтобы образовать область со значительным градиентом индукции (от 0,1 до 1 Т/мм) и достаточным его постоянством на расстоянии нескольких миллиметров (рис. 6.12).

57

Рисунок 6. 12 – Пример магнитной цепи, связанной с зондом Холла, и зависимость напряжения Холла от взаимного расположения магнитной цепи и зонда

Элементы Холла позволяют осуществлять кодированное измерение перемещений, например, при помощи намагниченного, согласно определенному коду, вращающегося ферромагнитного диска, опрашиваемого рядом элементов Холла. Подобное устройство обычно выполняется как датчик поворота (кодирующий диск).

58

7 ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ОСНОВАННЫЙ НА ПРИНЦИПЕ КОРИОЛИСА. ВИХРЕВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЙ. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

7.1 Первичный преобразователь, основанный на принципе Кориолиса

Законами механики установлено, что на массу т, движущуюся со скоростью vr относительно системы отсчета, находящейся во вращательном движении с угловой скоростью Ω, действует сила fc называемая силой

Жидкость, массовый расход Q которой необходимо измерить, течет со скоростью vr через измерительную трубку U-образной формы (рис. 7.1). Трубку приводят в колебательное движение относительно оси OO´, перпендикулярной рукавам U-образной трубки; мгновенная угловая скорость трубки равна Ω. Пусть ρ — плотность жидкости, А — площадь поперечного сечения U-образной трубки, L — длина одного из ее рукавов, d — расстояние между рукавами. В этом случае легко получить выражения для массового

Рис. 7.1 – Измеритель массового расхода, использующий силу Кориолиса; а – колеблющийся измерительный прибор; б – направление сил Кориолиса; в – результирующие крутильные колебания.

59

Под воздействием кориолисового момента Гс U-образная трубка поворачивается на угол Θ и уравновешивается моментом действующих в

Угловая скорость Ω зависит от времени, как и угол Θ. Его можно измерить датчиками положения, сигналы которых после преобразования позволяют получить напряжение, пропорциональное массовому расходу Q.

Получаемое показание прибора не зависит от электрофизических свойств жидкости, и для определения Q не, требуется заранее знать ее плотность, вязкость, давление и температуру. Поэтому описанный датчик является особенно подходящим для неэлектропроводных, заряженных (смеси жидкости с твердыми частицами), двухфазных (эмульсии), неньютоновских (у которых вязкость зависит от скорости) жидкостей.

Такие датчики позволяют измерять расход от 3 кг/ч до 70 т/ч; погрешность измерений составляет 0,4% от полной шкалы.

7.2 Вихревые преобразователи перепадов давлений

Работа вихревых преобразователей перепадов давлений основана на использовании явления, получившего в физике название «эффект Кармана». Под действием потока у кромок, помещенных в поток преграды (тела обтекания) возникают с обеих сторон чередующиеся вихри, определенной частоты пульсаций, так называемая вихревая дорожка Кармана.

Расходомер, использующий вихри Кармана. Если поместить поперек потока цилиндрический стержень, то в следе за ним при некоторой определенной величине числа Рейнольдса образуются чередующиеся вихри

(рис. 7.2).

Рисунок 7.2 – Вихри в следе за препятствием