Тема: Измерение неэлектрических величин электрическими методами.

Цель: Изучить основные понятия и способы измерения неэлектрических величин

 

Измерение неэлектрических величин электрическими методами — обширная область измерительной техники.

Быстрое развитие этой области объясняется возможностью непрерывного измерения, измерения на расстоянии, высокой точностью и чувствительностью.

Соблюдение любого технологического процесса можно обеспечить только применением измерительной техники и автоматики. Нередко такими методами производят замеры температуры, частоту вращения, давления, расход газов и жидкостей и др. Предназначенные приборы для измерения этих величин обладают преобразователем – это датчик, а их шкала отградуирована непосредственно в единицах измеряемых величин. Датчик же это элемент представляющий собой, преобразующий какую-либо физическую величину в сигнал, подходящий для замеров, передачи, регистрации, и конечно для воздействия им на управляемые процессы. Более широко используют датчики, действие которых сформировано на изменении электрического сопротивления, индуктивности, емкости – параметрические датчики, или на возникновении ЭДС вследствие теплового, механического, акустического, магнитного или оптического воздействия – генераторные датчики.

Параметрические датчики включают в цепь, содержащую источник тока и чувствительный измерительный прибор, который проводит регистрацию изменение силы тока, вызванное изменением сопротивления датчика. Реостатные датчики же собой представляют специальные резисторы, изменяющие под влиянием механических воздействий на них сопротивление в цепи.

 

В большинстве случаев измерение неэлектрических величин сводится к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую, измерение которой позволяет определить и неэлектрическую величину. Элемент измерительного устройства, преобразующий неэлектрическую величину в электрическую, называется измерительным преобразователем.

Во время механического воздействия, например, на подвижный контакт реостата, сопротивление цепи и сила тока в ней изменяются, и прибор в результате сигнализирует о степени неэлектрического воздействия.

Проволочные датчики тензометры изменяют электрическое сопротивление вследствие деформации. Изготавливают тензометры из нихрома, константана или железохромалюминиевого сплава. Из этих материалов проволоку диаметром 0,02 – 0,04 мм закрепляют с помощью специального клея между двумя листами тонкой бумаги. Концы проволок тензометра крепко соединяют с медными проводниками, при помощи которых тензометр подключают в электрическую цепь. Воспринимая механическую нагрузку, тензометр деформируется, вследствие чего электрическое сопротивление проволоки изменяется.

 

Если неэлектрическая величина преобразуется в один из электрических параметров r, L или C, то преобразователь — параметрический, если неэлектрическая величина преобразуется в э.д.с., то преобразователь — генераторный.

Параметрические преобразователи делятся по принципу действия на следующие группы:

1. Реостатные преобразователи. Зависимость сопротивления реостата от измеряемой неэлектрической величины, которая воздействует на его движок, используется для измерения объема и уровня жидкостей, для измерения перемещения деталей и т.д.

2. Преобразователи контактного сопротивления. В основе их работы лежит зависимость контактного сопротивления от измеряемой величины, например давления, деформации и т.д.

3. Проволочные преобразователи. Их работа основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.

4. Преобразователи-термосопротивления. Зависимость температуры и сопротивления провода при тепловом равновесии как от тока, так и от ряда физических величин, определяющих окружающую среду, используется для измерения температур, скорости движения газов, для определения составов газа и др.

5. Электролитические преобразователи. Зависимость электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации используется для измерения концентрации растворов электролитов и для количественного анализа жидкостей и газов, растворенных в жидкости.

6. Индуктивные преобразователи. Зависимость индуктивности преобразователя от изменения положения одной из его частей под действием измеряемой величины используется для измерения силы, давления, линейного перемещения.

7. Магнитоупругие преобразователи. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника преобразователя, а следовательно и индуктивного сопротивления преобразователя от механических напряжений, действующих на сердечник, используется для измерения механических величин.

8. Емкостные преобразователи. Изменение емкости преобразователя под действием силы, давления, линейного перемещения, угла поворота, количества вещества, содержания влаги, используется для измерения этих величин.

9. Фотоэлектрические преобразователи. Получение фототока, определяемого световым потоком, который зависит от измеряемой неэлектрической величины, или получение импульса фототока, частота которых зависит от измеряемой величины, используется для измерения линейных размеров, температуры, прозрачности и мутности жидкостей и газовой среды.

10. Ионизационные преобразователи. Зависимость ионизационного тока от ряда факторов используется для анализа газа и определения его плотности, определения геометрических размеров изделий и т.д.

Генераторные преобразователи делятся по принципу действия на следующие группы:

1. Индукционные преобразователи. Преобразование измеряемой неэлектрической величины в индуцированную э.д.с. используется для измерения скорости, линейных или угловых перемещений.

2. Термоэлектрические преобразователи. Возникновение термо-э.д.с. в цепи преобразователя и зависимость ее от температуры используется для измерения.

3. Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический эффект, т.е. возникновение э.д.с. в некоторых кристаллах под действием механических сил, используется для измерения этих сил, давлений и геометрических размеров изделий.

Устройство для измерения неэлектрических величин электрическим путем в простейшем случае состоит из преобразователя, соединительных проводов и измерительного механизма, на шкале которого обычно наносятся значения измеряемой неэлектрической величины. В большинстве же случаев измерительные устройства усложняются применением: а) специальных схем; б) источников питания; в) стабилизаторов; г) выпрямителей; д) усилителей и т.д.

Принцип работы и упрощенные схемы некоторых наиболее распространенных измерительных преобразователей рассмотрены далее.

Реостатные преобразователи

Реостатный преобразователь — это реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины х так, что величина сопротивления реостата r зависит от величины х. Измерив r, можно найти х.

В схемах с реостатным преобразователем использованы однорамочные магнитоэлектрические измерительные механизмы, а в другой схеме применен двухрамочный механизм логометра.

Пример применения реостатного преобразователя для измерения уровня или объема жидкости показан на рисунке.

Изменение положения поплавка, определяемого уровнем или объемом жидкости, вызывает изменение сопротивлений r1 и r2 , включенных последовательно с катушками логометра. В результате изменяются отношения токов в катушках и показания прибора. Шкала прибора градуируется в значениях измеряемой величины объема или уровня жидкости.

Реостатный преобразователь

Схемы с реостатным преобразователем

Схема уровнемера

Преобразователи контактного сопротивления

Столбик из 10—15 угольных шайб (d=0,5—1 см), на концах которого расположены латунные диски с выводами для включения в измерительную цепь, зажат между двумя винтами а и б, изолированными от столбика слюдяными прокладками. Электрическое сопротивление столбика зависит от его сжатия, так как при этом изменяется переходное сопротивление между шайбами. Таким образом, по изменению электрического сопротивления столбика можно определить механическую силу Р, действующую на винт б.

Применение двух столбиков — при действии на которые измеряемой силы Р увеличивается сжатие одного и уменьшается сжатие другого столбика — дает увеличение точности измерения.

Включение двух столбиков в два смежных плеча измерительного моста устраняет влияние температуры на результат измерения, так как изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивлений обеих столбиков и равновесие моста сохранится.

Преобразователь с угольными шайбами

Дифференциальный преобразователь с угольными шайбами

Проволочные преобразователи

Эти преобразователи изготавливаются из тонкой проволоки (d=0,02—0,04 мм), концы которой привариваются к медным выводам. Проволока закрепляется специальным клеем между двумя листочками тонкой бумаги площадью 0,1—10 см2.

Преобразователь приклеивается на поверхность испытываемой детали или конструкции и воспринимает ее деформацию, при этом изменяются размеры, удельное сопротивление материала и сопротивление преобразователя. По относительному изменению сопротивления можно определить механические напряжения, возникающие в детали или конструкции.

Схема проволочного преобразователя

Для преобразователей применяется проволока из константана, нихрома или железо-хромоалюминиевого сплава — материалов, обладающих большой относительной чувствительностью, малым температурным коэффициентом и большим удельным сопротивлением.

Сопротивление преобразователя — несколько сотен ом, а относительное изменение сопротивления — десятые доли процента.

Для устранения влияния температуры применяют два одинаковых преобразователя: один — «рабочий», другой — «нерабочий», которые включаются в два смежных плеча измерительного моста. Рабочий преобразователь наклеивается на поверхность испытываемой детали, а нерабочий — на поверхность из такого же металла, что и испытываемая деталь.

Проволочные преобразователи являются разовыми, т.е. наклеиваются 1 раз.

Партия преобразователей, изготовленных из одной и той же проволоки, при одинаковом сопротивлении и одинаковой технологии обладает характеристиками совпадающими с точностью до 1%. Получив указанную характеристику для одного из преобразователей данной партии, можно применять ее для остальных преобразователей этой партии.

Термосопротивления

Прохождение электрического тока по проводу сопровождается выделением тепла, которое частично идет на нагревание провода, частично отдается в окружающую среду конвекцией, теплопроводностью и излучением.

При установившемся тепловом равновесии температура провода и его сопротивление зависят от тока в проводе и от причин, влияющих на отдачу тепла в окружающую среду. К ним относятся: размеры провода, его конфигурация и арматура, температура провода и среды, скорость движения среды, ее состав, плотность и др.

Указанные зависимости используются для измерения температуры, скорости, плотности и состава газовой среды по сопротивлению провода. Провод, предназначенный для указанной цели, является измерительным преобразователем и носит название термосопротивления.

При применении термосопротивления необходимо создать условия, в которых измеряемая неэлектрическая величина оказывает наибольшее влияние на величину термосопротивления, а остальные величины, наоборот, по возможности не влияют на его величину. Следует стремиться к уменьшению теплоотдачи, возникающей благодаря теплопроводности выводных зажимов провода и лучеиспусканию. При длине провода, превосходящей в 500 или большее число раз его диаметр, отдачей через теплопроводность выводных зажимов провода можно пренебречь, если разность температур провода и среды не превышает 100 °C.

Рассмотрим газоанализаторы, в которых термосопротивление применяется для определения содержания газа в газовой смеси.

Смесь из двух газов, не вступающих друг с другом в химическую реакцию, имеет теплопроводность, равную среднему арифметическому теплопроводностей составляющих,

где l12, l1, l2 — теплопроводности смеси и ее составляющих; a и b — процентное содержание составляющих газовой смеси.

Приняв во внимание, что (b = 100 – a), можем написать:

Измерив теплопроводность смеси l12 и зная теплопроводности l1 и l2, можно определить процентное содержание одной из составляющих газовой смеси. При этом необходимо, чтобы температура термосопротивления, а следовательно, и его сопротивление при прохождении по нему тока I = const зависели только от теплопроводности смеси.

Газоанализатор углекислого газа имеет два одинаковых термосопротивления r1 и r2, включенных в два смежных плеча моста. Первое — рабочее — находится в камере, в которой проходит газовая смесь, второе — нерабочее, расположенное в камере с воздухом. На шкале измерителя нанесены деления, дающие значения содержания СО2.

В термометрах сопротивления термосопротивления применяются для измерения температур. Обычно они изготавливаются из проволоки, материал которой должен обладать большим температурным коэффициентом сопротивления: платина до 500 °C, никель до 300 °C, медь до 150 °C. Проволоку наматывают на каркас из пластмассы или слюды и помещают в защитную оболочку, размеры и форма которой определяются назначением термометра.

Сопротивление термометра обычно составляет 50 или 100 Ом.

По величине сопротивления преобразователя определяют его температуру, а следовательно и температуру окружающей его среды.

Для измерения часто применяют схему неуравновешенного моста с магнитоэлектрическим логометром (рис. 64). Три плеча моста r1, r2, r3 выполнены из манганина, четвертое rT — термосопротивление. Две рамки (rЛ1 и rЛ2) логометра включены в диагональ моста, общая точка их через сопротивление r5 соединена с вершиной моста г.

При равновесии моста (r2=r3, r1=rТ, rЛ1=rЛ2), когда потенциалы точек б и в одинаковые, в рамках логометра идут одинаковые токи встречного направления. При нарушении равновесия токи в рамках логометра изменяются. Их приращения не равны и имеют противоположные знаки, что влечет за собой поворот стрелки логометра.

Схема газоанализатора СО₂

Схема моста с логометром термометра сопротивления

Электролитические преобразователи

Удельная электропроводность электролита зависит от его концентрации, поэтому концентрацию можно определить по величине его сопротивления.

Измерительный электролитический преобразователь представляет собой сосуд с испытуемым электролитом и двумя электродами.

Во избежание электролиза измерение сопротивления электролита производится на переменном токе. Для устранения влияния температуры применяется температурная компенсация. Один из термокомпенсаторов показан на рисунке. Он представляет собой медно-никелевое сопротивление rк, расположенное в растворе и соединенное с разветвлением из искомого сопротивления rх и шунтирующего манганинового сопротивления r1. Сопротивления r1 и rк подобраны так, что изменение сопротивления электролита, вызванное изменением его температуры, с точностью до 1—2% компенсируется изменением сопротивления rк.

Схема электролитического преобразователя

Измеряемое сопротивление rх находится по сопротивлению rа,б между точками а, б схемы, которое определяется обычно при помощи неуравновешенного измерительного моста, в одно из плеч которого включаются зажимы а, б электролитического преобразователя. Мост питается через стабилизатор от сети переменного тока. На выходе моста включается выпрямительный миллиамперметр, шкала которого проградуирована в значениях концентрации раствора электролита.

Индуктивные преобразователи

Индуктивный преобразователь — это электромагнит, якорь которого перемещается под действием измеряемой механической величины Р: силы, давления, линейного перемещения. Изменение положения якоря изменяет воздушный зазор d, а следовательно и индуктивность катушки электромагнита и ее полное сопротивление.

В дифференциальном преобразователе перемещение якоря вызывает увеличение индуктивности одной катушки и уменьшение индуктивности другой, что повышает чувствительность преобразователя. Включение двух катушек в смежные плечи измерительного моста дает температурную компенсацию. В индуктивном преобразователе трансформаторного типа первичная обмотка питается переменным током с постоянным действующим значением. Под действием измеряемой механической величины Р изменяется воздушный зазор d, магнитное сопротивление цепи, а следовательно и магнитный поток, пронизывающий вторичную обмотку, к зажимам которой присоединен вольтметр. Таким образом, вторичная индуктированная э.д.с. и показания вольтметра зависят от измеряемой величины.

Схема индуктивного преобразователя

Схема индуктивного дифференциального преобразователя

Схема индуктивного преобразователя-трансформатора

Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлектрической величины.

Так как емкость конденсатора зависит от площади электродов, их формы, расстояния между ними и его диэлектрической проницаемости, то эти преобразователи можно применять для измерения тех неэлектрических величин, значения которых влияют на один из перечисленных выше параметров емкостного преобразователя.

В емкостных манометрах и динамометрах под действием измеряемого давления P или силы F изменяется воздушный зазор d между двумя пластинами конденсатора.

Работа емкостного преобразователя для измерения толщины резиновой ленты 1, которая протягивается между двумя неподвижными электродами 3, основана на влиянии толщины ленты на изменение воздушного зазора и емкости преобразователя.

Емкостный преобразователь для измерения влажности зерна, порошка, волокна, пряжи, представляет собой цилиндрический конденсатор. Внутренний электрод имеет форму цилиндрического стержня, наружный электрод — форму стакана, внутреннее пространство до определенного уровня заполняется

Принцип работы емкостного манометра и динамометра

Схема устройства емкостного преобразователя для измерения толщины ленты

Принцип устройства емкостного преобразователя влагомера

испытываемым материалом. Содержание влаги в испытываемом материале резко увеличивает емкость вследствие большой диэлектрической проницаемости воды.

Емкостные преобразователи имеют малую емкость, поэтому измерение их емкости производится при повышенной или высокой частоте с помощью электронных усилителей.

Ионизационные преобразователи

Структурная схема одного из ионизационных преобразователей с радиоактивным изотопом для непрерывного измерения толщины движущейся ленты или стального проката показана на рисунке

Радиоактивное излучение изотопа 1 частично поглощается изделием 2. Количество энергии, полученной датчиком 3, зависит от толщины изделия и материала. Датчик 3 через усилитель 4 соединен с измерительным механизмом 5, дающим значение измеряемой величины.

В измерителе давления газа под действием излучения изотопа 1 в сосуде 2 происходит ионизация газа. Интенсивность ионизации и ионизационный ток, проходящий по цепи под действием напряжения U, зависят от давления газа. Измерительный механизм 5 включен через усилитель 4 на сопротивление 3, на котором создается падение напряжения, пропорциональное ионизационному току.

Схема ионизационного преобразователя для измерения толщины ленты

Схема прибора для измерения давления газа

Индуктивные преобразователи

В индукционном преобразователе — приборе для измерения скорости вращения — измеряемая величина преобразуется в пропорциональную ей э.д.с. Тахометр представляет собой маленькую магнитоэлектрическую машинку, якорь которой вращается между полюсами постоянного магнита, а напряжение на зажимах будет пропорционально скорости вращения якоря. Якорь механически связан с валом машины, скорость которой измеряется, поэтому показание вольтметра, присоединенного к зажимам якоря, пропорционально измеряемой скорости вращения.

Индукционный тахометр с вращающимся магнитом состоит из алюминиевого диска 1, укрепленного на одной оси со стрелкой 2, и постоянного магнита, механически связанного с валом машины, скорость которой измеряется. При вращении постоянного магнита в диске индуцируется э.д.с. и вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с полем постоянного магнита создается вращающий момент, вызывающий поворот диска на угол, при котором этот момент уравновешивается моментом пружины 3. Каждой скорости вращения

соответствует определенный угол поворота подвижной части.

Схема индукционного тахометра

Устройство тахометра с вращающимся магнитным полем

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрический эффект, используемый в преобразователях, заключается в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков (кварц) под действием механических напряжений или деформаций.

Измеряемое давление Р действует на дно корпуса преобразователя, являющееся мембраной. Две пластинки кварца зажаты между тремя металлическими прокладками. Между верхней прокладкой и крышкой корпуса расположен шарик, обеспечивающий равномерность распределения измеряемого давления. К средней прокладке — отрицательному электроду — присоединен провод, изолированный от корпуса втулкой.

Пьезоэлектрический кварцевый преобразователь для измерения давления

Разность потенциалов между отрицательным электродом и корпусом пропорциональна давлению Р, которое и определяют по разности потенциалов.

Заряды при снятии давления исчезают, поэтому необходима хорошая изоляция отрицательного электрода.

Отрицательный электрод соединяется с сеткой первой лампы усилителя, на выходе которого включается измерительный механизм.

Термоэлектрические преобразователи

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с термоэлектрическим преобразователем — термопарой, предназначенное для измерения температур, называется термоэлектрическим пирометром.

Нагревание рабочего конца термопары вызывает термо-э.д.с. и ток в цепи измерительного механизма, по отклонению подвижной части которого и определяется температура. Провода термопары должны быть достаточно длинными, чтобы их свободные концы находились в среде с температурой, при которой градуировался пирометр. При измерении невысоких температур влияние температуры свободных концов термопары может быть очень большим. Для устранения этого влияния свободные концы помешают в термостат с постоянной температурой.

Для термопар применяют: медь — константан (до 300 °C), медь — никель (до 600 °C), железо — копель (до 800 °C), хромель — копель (до 800 °C), хромель — алюмель (до 1300 °C), платину — платинородий (до 1600 °C).

Схема термоэлектрического пирометра

Для защиты от механических повреждений и действия газов термопары помещают в защитные трубки из латуни, стали, фарфора или других материалов.