5

ЕЛЕКТРИЧНІ ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Розділ 18 вимірювальні перетворювачі неелектричних величин на електричні

18.1. Загальні відомості

Вимірювання неелектричних величин електричними ви­мірювальними засобами стає можливим завдяки поперед­ньому перетворенню неелектричної величини на функціо­нально зв'язану з нею електричну величину з допомогою вимірювальних перетворювачів неелектричних величин на електричні.

Виходячи з функціональних зв'язків між вхідними та вихідними величинами вимірювальних перетворювачів, до них ставлять такі основні вимоги: відтворюваність характе­ристик, однозначність функції перетворення і стабільність параметрів перетворювача в часі, мінімальна зворотна дія перетворювача на досліджуваний об'єкт, мала інерційність і т. п.

Будь-яку характеристику вхідних та вихідних величин перетворювачів, а також особливість процесу перетворення можна сприйняти як класифікаційну ознаку і на цій основі побудувати класифікацію вимірювальних перетворювачів неелектричних величин на електричні.

Серед найважливіших класифікаційних ознак слід від­значити фізичну природу вхідної величини, рід вхідної та вихідної величин, енергетичну характеристику вихідної ве­личини і вид перетворюваної енергії.

Досліджувані неелектричні величини групують за спо­рідненістю фізичних процесів, в яких вони проявляються, виділяючи механічні, акустичні, теплові, хімічні та світлові величини. Кожна з цих груп складається з великої кілько­сті різнорідних величин. Наприклад, механічними величи­нами є сила, тиск, момент, переміщення, швидкість, приско­рення тощо.

Зміна вхідної величини може призвести до зміни пасив­ного параметра перетворювача (опору, ємності, індуктив­ності) або до генерування активної величини (е. р. с., струм). Тому перетворювачі поділяють на дві групи — пара­метричні та генераторні.

Вимірювальне перетворення неелектричних величин на електричні завжди зв'язане з перетворенням або викорис­танням певного виду енергії (електричної, механічної, світ­лової, теплової, хімічної, атомної).

Найдоцільніше класифікувати вимірювальні перетво­рювачі неелектричних величин на електричні за фізичною природою явищ та ефектів, покладених в основу їх роботи з урахуванням виду перетворюваної енергії. Перетворювачі неелектричних величин на електричні можна поділити на такі основні групи: механоелектричні резистивні, електро­статичні, електромагнітні, теплоелектричні електрохіміч­ні, оптико- електричні, гальванокінетичні та атомні.

18.2. Механоелектричні резистивні перетворювачі

Контактні перетворювачі. Контактни­ми називаються перетворювачі, у яких вхідна величина (механічне переміщення) перетворюється в замкнений або розімкнений стан контактів, з допомогою яких керують роботою електричного кола. Контактні перетворювачі мо­жуть бути одно- (рис. 185, а) або багатограничними (рис. 185,6).

Найчастіше контактні перетворювачі застосовують для контролю розмірів виробу. Якщо розмір виробу / збіль­шується, то вимірювальний шток 4 переміститься, а кон­тактний елемент 3 торкнеться нерухомого контакту 2, за­микаючи певну ділянку електричного кола. Точність, на­дійність і стабільність роботи таких перетворювачів знач­ною мірою залежать від матеріалу і конструкції контактів, режиму роботи.

Контакти звичайно виготовляють сферичної форми. Ма­теріал контактів зумовлюється зусиллями, що будуть при­кладені до них. Для малих зусиль (0,01—0,02 Н) виготов­ляють контакти з платини й золота, для зусиль від 0,05 до 1Н —з срібла, для великих зусиль (1—3,5 Н) —з воль­фраму, молібдену та їх сплавів. Для кожного з контактних матеріалів існують певні значення струму і напруги, при перевищенні яких між зближеними контактами виникає електрична дуга (іскра). Крім цього, вибір матеріалу кон­тактів залежить від умов їх роботи, в тому числі від харак­теру комутованого навантаження та середовища, в якому вони працюють.

Наявність дуги або іскри призводить до зношення (еро­зії) контактів. Для зменшення потужності іскри або дуги застосовують ланки іскрогасіння —послідовно з'єднані конденсатор і активний опір, що шунтують проміжок між контактами.

Найменша похибка спрацювання контактних перетво­рювачів дорівнює 1—2 мкм.

Реостатні перетворювачі. Реостатний перетворювач застосовують для перетворень лінійних (рис. 186,а) або кутових (рис. 186,6) переміщень. Вихідною величиною реостатних перетворювачів є активний опір, що лінійно або функціонально залежить від вхідної величини (переміщення). На каркас 1 намотано обмотку 2, виготов­лену з ізольованого манганінового, константанового або вольфрамового дроту, а при підвищених вимогах до зносо­стійкості — із сплаву платини з іридієм (платина — 90%, іридій — 10%). Щітка 3, яку виготовляють з фосфористої бронзи або платино-іридію, ковзає по зачищеній від ізоля­ті і підполірованій контактній поверхні обмотки.

Найчастіше виготовляють реостатні вимірювальні пере­творювачі з лінійною залежністю між зміною струму і пере­міщенням.

Функція перетворення для перетворювача з лінійним переміщенням має вигляд

де R₀— повний опір реостатного перетворювача; / — його довжина; г — радіус; х та га_х — лінійне та кутове пере­міщення.

Вихідна величина реостатних перетворювачів, як і кон­тактних, є дискретною, оскільки їх опір залежно від пере­міщення змінюється не плавно, а ступенями з дискретністю &Rx — Rp/w (де w — число витків обмотки перетворювача). Похибка від дискретності зменшується із збільшенням числа витків (реостатні перетворювачі мають більше ста витків, а прецизійні —десятки тисяч).

Позитивними особливостями реостатних перетворювачів е достатня відтворюваність функції перетворення, досить висока точність, можливість одержання вихідних сигналів порівняно великої потужності. Недоліком таких перетво­рювачів є ковзні контакти.

Тензометричні перетворювачі. Тензомеїпричними перетворювачами називаються резистори, в яких під дією механічної деформації змінюється активний опір. Тензометричні перетворювачі можуть бути метале­вими (дротяними, фольговими) та напівпровідниковими.

Нарис. 187 зображено дротяний тензорезистор. На ізо­ляційну основу / наклеюють викладений зигзагоподібне тонкий дріт (чутливий елемент) 2 діаметром 0,01—0,03 мм з константану, ніхрому або манганіну. До кінців дроту при­варюють або припаюють контакти 3 з металевої фольги. При вимірюванні деформацій тензорезистор наклеюють на досліджувану деталь. Для температур до 200° С застосо­вуються бакеліто-фенольні клеї (БФ), бакелітовий лак тощо, для вищих температур —жаростійкі кремнійорганічні цементи і цементи на основі рідкого скла.

Вхідною величиною перетворювача є деформація, а ви­хідною — зміна опору. Відношення відносної зміни опору

Коефіцієнт тензочутливості визначається експеримен­тальне. Теоретично його можна визначити через коефіцієнт Пуассона ц як

Така залежність враховує лише зв'язок коефіцієнта тен­зочутливості з пружними деформаціями тензоперетворювача. Проте при роботі перетворювача також змінюються фізичні властивості матеріалу, з якого він виготовлений, в тому числі й питомий електричний опір. Тому визначе­ний експериментальне коефіцієнт тензочутливості буде біль­шим від ki, бо фактично

Для металів значення коефіцієнта m невелике, тому K і Kт мало відрізняються між собою. Для напівпровідників, навпаки, m >> k_т, a k ≈ m.

Коефіцієнт тензочутливості металевих тензорезисторів знаходиться в межах 0,5—2,1. Значення відносної деформа­ції в межах пружних деформацій в металах не перевищує 2,5 • 10^-3, що при k = 0,5 ÷ 2,1 призводить до відносної зміни опору (ΔR/R =(1,25 — 5,25) • 10^-3. Отже, навіть при граничних напруженнях в металах відносні зміни опору тензоперетворювачів дуже малі і тому треба усувати вплив зовнішніх факторів (особливо температури) на результати вимірювань.

Причиною температурної похибки може бути нагрівання перетворювача струмомта зміна температури навколишнього середовища і деталі, на яку наклеєно тензорезистор. Для компенсації температурної похибки у вимірювальну схему вмикають додаткові компенсаційні навантажені тензорезис-тори, що перебувають з основним тензорезистором в одна­кових температурних умовах.

Коефіцієнт тензочутливості напівпровідникових тензо­перетворювачів у сотні разів більший, ніж у металевих, і лежить в межах від —200 до +850. Проте напівпровідни­кові резистори мають порівняно з провідниковими ряд суттєвих недоліків: температурний коефіцієнт їх приблизно

в 100 разів більший, ніж у манганіну і константану, залеж­ність зміни опору від механічних напружень нелінійна. По­хибка, зумовлена неідентичністю напівпровідникових тен-зоперетворювачів, дорівнює приблизно 1,5%.

Відомо, що у рідин, через незмінність їх об'єму при де­формації, k = 2. На основі електропровідних рідин (ртуть, електроліт) створюють еластичні тензоперетворювачі (гу­мова трубка заповнена рідиною), які застосовують для ви­мірювань великих деформацій (до ЗО—50%).