ivanstudent

Путь к Файлу: /Измерительная техника и датчики / 217 / RAZD2-2.DOC

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   2
Пользователь:   ivanstudent
Добавлен:   24.12.2014
Размер:   232.0 КБ
СКАЧАТЬ

Измерительные цепи: для преобразователей с внешним фотоэффектом и фотогальванических преобразователей, вследствие малости фототоков, производят преобразование тока в напряжение на высокоомном образцовом сопротивлении и измеряют полученное напряжение с предварительным усилением его. Фоторезисторы и фотодиоды включаются в мостовые цепи, реже в цепь делителя напряжения. Чаще используются дифференциальные или компенсационные измерительные цепи.

Погрешности: погрешность достаточно велика, определяется старением, усталостью и зависимостью параметров преобразователей от температуры, отклонением от номинальной характеристики.

Достоинства:

1) Высокая чувствительность фотопреобразователей.

2) Высокое быстродействие (ФЭУ, фотодиоды).

3) Возможность измерения без механического контакта с объектом измерения.

Недостатки:

1) Сильная зависимость характеристик фоторезисторов и фотодиодов от температуры.

2) Относительно малое быстродействие газонаполненных фотоэлементов.

Область применения. Для измерения освещенностей и других (несветовых) величин, которые могут быть преобразованы в силу света (концентрации растворов, частота и скорость углового и линейного перемещения и т.д.).

 

 

12. Генераторные  ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

                               ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Выходной величиной ИП является ЭДС или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной. Дополнительный источник питания для ИП не нужен.

 

12.1. Термоэлектрические преобразователи

Основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.

Термопара представляет собой два отрезка проволоки, изготовленных из разнородных проводников (или полупроводниковых) и соединенных одним концом (рис. 12.1).

Соединение 1 называется горячим (или рабочий конец термопары), а 2 и 2¢ - холодными концами термопары (или свободные концы). При разных темпера турах спая  1  и холодных концов между контактами 2 и 2¢  возникает

RAZD2-2термоЭДС, величина которой определяется разностью температур спая и концов RAZD2-2. В общем случае эта зависимость нелинейна. Подключение соединительных проводов и измерительных приборов не меняет величины термоЭДС, если они находятся при одинаковой температуре  с  2, 2¢.

Прибор  для  измерения  термоЭДС  может быть

включен и в разрыв одного из термоэлектродов, при условии соединения концов 2 и 2¢.

Конструктивно термопара представляет собой защитную арматуру в виде трубки из жаропрочной стали, в которую вставляются термоэлектроды, изолированные друг от друга керамикой. Градуируют термопары обычно при температуре свободных концов RAZD2-2С.

Для изготовления термопар применяют различные материалы. Наибольшее распространение получили термопары хромель-алюмель (диапазон рабочих температур -200¸+1000°С, термоЭДС Е (100°С, 0°)=4,1 мВ), хромель-копель (-200¸600°С, Е=6,9 мВ), платинородий-платина (0¸1300°С, Е=0,64 мВ), вольфрамрений (5%) – вольфрамрений (20%) (0¸2200°С,      Е=1,33 мВ) и др.

Свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре. Но не всегда можно обеспечить это условие на небольшом относительно расстоянии от рабочего спая. В этом случае используют удлинительные термоэлектроды, причем чаще всего из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов (вследствие достаточно высокой стоимости последних). При этом необходимо, чтобы места присоединения удлинительных электродов к основным имели одинаковую температуру, а сами удлинительные электроды были термоэлектрически идентичны основной термопаре. Например, для термопары хромель-амомель удлинительные электроды изготовливаются из меди и константана.

Измерительные цепи: магнитоэлектрические милливольтметры с предварительным усилением термоЭДС и потенциометры постоянного тока, в том числе автоматические.

Погрешности.

1) Отличие от номинальной характеристики.

2) Погрешность термоЭДС, обусловленная изменением температуры свободных концов термопары.

3) Погрешность, обусловленная изменением внешнего сопротивления соединительных контактов и проводов в зависимости от температуры, степени окисления и т.д.).

Достоинства: широкий диапазон рабочих температур.

Недостатки.

1) Относительно малая чувствительность.

2) Необходимость обеспечения постоянства температуры свободных концов термопары (иногда применяется термостатирование).

Область применения. Для измерения температуры и других физических величин, которые преобразуются в температуру.

 

12.2. Индукционные преобразователи

 

Основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке

                                                RAZD2-2,                                                 (12.1)

где потокосцепление RAZD2-2, а RAZD2-2 - число витков катушки, Ф – проходящий через нее магнитный поток, В – индукция магнитного поля, S – площадь, через которую проходит магнитный поток. ЭДС в катушке может наводиться при изменении любой из величин RAZD2-2 и RAZD2-2.

Индукционные преобразователи служат для измерения скорости линейных и угловых перемещений. Если выходной сигнал проинтегрировать или продифференцировать во времени, то измеряться будет соответственно перемещение или ускорение. Наибольшее распространение нашли в приборах для измерения угловой скорости (тахометрах) и в приборах для измерения параметров вибраций.

Пример схемы преобразователя линейной скорости вибраций приведен на рис. 12.2.

RAZD2-2
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                             2                   

 

Катушка, намотанная на каркас, находится в цилиндрическом воздушном зазоре. Кольцевой постоянный магнит (N-S) создает постоянное магнитное поле. При движении катушки ЭДС наводится в той ее части, которая находится внутри магнитной системы, за счет изменения количества витков этой части. Так как ЭДС генерируется только при движении катушки в магнитном поле, то возможно измерение скорости вибрации, когда ее амплитуда меньше нескольких сантиметров.

Для измерения угловой скорости вибраций катушку располагают на валу, который находится между полюсными наконечниками постоянного магнита. Вал поворачивается, потокосцепление катушки меняется, в ней возникает соответствующая ЭДС.

Тахометрические преобразователи чаще всего представляют собой электромашинные генераторы. На рис. 12.3 приведена схема синхронного преобразователя (т.е. частота ЭДС равна или кратна частоте вращения вала) с вращающимся постоянным магнитом.

 

 

 

RAZD2-2
 

 

 

 

 

 

 


                                                                                         

 

 

Такие преобразователи состоят из статора с обмоткой и ротора с постоянным магнитом (или наоборот). При вращении ротора, жестко связанного с валом, частоту вращения которого необходимо измерить, изменяется магнитный поток, проходящий через обмотку, и в ней индуцируется переменная ЭДС. Частота ЭДС определяется соотношением

RAZD2-2,

где  RAZD2-2 - частота вращения об/мин;

       RAZD2-2 - число пар полюсов обмотки.

Существуют тахометрические генераторы и постоянного тока. В таких преобразователях об угловой скорости судят по величине ЭДС.

Достаточно широкое распространение нашли и импульсные тахометрические преобразователи. Такой преобразователь (рис. 12.4) представляет собой катушку с разомкнутым сердечником, установленную возле вала, частота вращения которого измеряется.

RAZD2-2
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


На валу монтируются один или несколько ферромагнитных зубцов. При вращении вала зубец проходит вблизи зазора намагниченного сердечника катушки и уменьшает магнитное сопротивление RAZD2-2 сердечника. В соответствии с этим изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, и в ней индуцируется ЭДС в виде двуполярных импульсов, частота которых пропорциональна частоте вращения вала и измеряется частотомером.

Измерительные цепи: милливольтметры постоянного или переменного напряжения, иногда с предварительным усилением ЭДС, частотомеры для импульсных тахометрических преобразователей.

Погрешности.

1) За счет изменения магнитного поля во времени и от температуры.

2) Погрешность, определяемая величиной потребляемого измерителем от преобразователя тока. Измерительный ток, проходя через катушку, создает магнитное поле, направленное, согласно правилу Ленца, против основного поля. Это явление называется реакцией якоря. Характеристика преобразования становится нелинейной.

3) Изменение сопротивления обмоток за счет изменения температуры.

Достоинства:

1) простота конструкции, высокая надежность;

2) высокая чувствительность.

Недостаток: ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

 

 

 

12.3. Пьезоэлектрические преобразователи

 

Основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.

Преобразователь (рис. 12.5) представляет собой вырезанную из кристалла пластинку, границы которой перпендикулярны оптической оси OZ, механической оси OY и электрической оси ОХ. На грани перпендикулярные оси ОХ наносятся электроды.

RAZD2-2При воздействии на пластинку силы RAZD2-2 вдоль оси ОХ или силы RAZD2-2 вдоль оси OY на гранях, перпендикулярных ОХ появляется заряд RAZD2-2 или RAZD2-2,      (12.2)

где RAZD2-2 и RAZD2-2 - площади граней, перпендикулярных осям ОХ и ОY соответственно,

RAZD2-2                                                      RAZD2-2 - пьезоэлектрические модули.

                                                     Для кварца RAZD2-2.

Возникновение заряда под воздействием RAZD2-2 называется продольным пьезоэффектом, а возникновение заряда под действием RAZD2-2 - поперечным пьезоэффектом. Механическое воздействие на пластинку вдоль оптической оси не вызывает появления зарядов.

Основной материал, из которого изготавливают преобразователи – кварц, обладающий высокой механической прочностью, отличными изоляционными качествами, слабой зависимостью характеристик от температуры, высокой стабильностью характеристик во времени. При предельной рабочей температуре 573°С (температура Кюри) кварц теряет свои пьезоэлектрические свойства. Широкое распространение нашла также пьезокерамика – это поляризованная керамика из титаната бария, титаната и цирконата свинца. Свойства керамик зависят от их технологии изготовления и поляризующего напряжения. Пьезоэлектрический модуль для титаната бария d=(4,35¸8,35)×10-11 RAZD2-2. Керамики обладают меньшим диапазоном рабочих температур (для титаната бария до 115°С), имеют достаточно хорошую температурную стабильность, но временная стабильность значительно ниже, чем у кварца. Действие пьезоэлектрического преобразователя основана на прямом пьезоэффекте. При этом выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах RAZD2-2, где RAZD2-2 - пьезоэлектрический заряд, а С – емкость между электродами.

ЭДС преобразователя довольно значительна – единицы вольт. Однако если сила постоянна, то измерить ЭДС очень трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Поэтому такие преобразователи используются для измерения только переменных сил, образующих переменную ЭДС, которую легко измерить (основное требование к вольтметру – высокое входное сопротивление – до 1011¸1015 Ом). В качестве измерителя используются электронные вольтметры с предварительным усилением входного сигнала.

Находят применение и пьезорезонаторы, в которых используется одновременно и прямой и обратный пьезоэффекты. Обратный пьезоэффект заключается в том, что при подаче на пластинку переменного напряжения, возникают механические колебания, резонансная частота RAZD2-2, которых определяется толщиной пластины RAZD2-2, модулем упругости RAZD2-2 и плотностью ее материала RAZD2-2. При включении пластины в контур генератора, при  изменении значений RAZD2-2, RAZD2-2, RAZD2-2 под влиянием механических или температурных воздействий частота RAZD2-2 изменится. То есть выходным параметром преобразователя в этом случае становится частота.

Измерительные цепи: электронные вольтметры с высоким входным сопротивлением, электронные частотомеры.

Погрешности.

1) За счет нестабильности параметров входной цепи измерителя. Вибрация соединительных кабелей, изменения температуры и влажности изменяют RAZD2-2 и RAZD2-2, что приводит к изменению выходного напряжения преобразователя (изменяется чувствительность ИП).

2) Гистерезис или нелинейность характеристики преобразования из-за несовершенства материала преобразователя.

3) Погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.

4) За счет наводок от внешних электромагнитных полей.

5) Погрешность, обусловленная зависимостью характеристик материала от температуры.

Достоинства: высокая стабильность свойств.

Недостатки:

1) Возможность измерения только переменных величин.

2) Достаточно жесткие требования к измерительным приборам в части стабильности входных параметров.

Области применения: используются для измерения переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений, температур и т.д.

 

12.4. Гальванические преобразователи

 

Основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от химической активности ионов электролита, т.е. от концентрации ионов и окислительно-восстановительных процессов в электролите.

Применяются для определения реакции раствора (кислая, нейтральная, щелочная), которая зависит от активности водородных ионов раствора, а также для измерения концентрации ионов в растворе.

Суть процессов, происходящих при погружении металлического электрода в раствор, состоит в следующем. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла и при определенной разности потенциалов растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и поэтому может служить для определения их концентрации.

RAZD2-2Дистиллированная вода имеет хоть и небольшую, но вполне определенную проводимость за счет диссоциации на ионы Н2О      Н+ +ОН-. Причем ионное произведение RAZD2-2, где RAZD2-2 и RAZD2-2 - концентрации соответствующих ионов в моль/л, постоянно и при t° =22° C    RAZD2-2. Для чистой воды RAZD2-2. Если в воде растворить кислоту, то концентрация ионов RAZD2-2 увеличится, а концентрация ионов RAZD2-2 станет меньше за счет воссоединения части ионов RAZD2-2 с ионами RAZD2-2.

Для кислого раствора RAZD2-2, соответственно для щелочного раствора RAZD2-2, при постоянстве RAZD2-2.

За единицу измерения кислотности принят водородный показатель

                                                RAZD2-2,                                         (12.3)

а приборы для его измерения называются  рН-метрами. Их первичными преобразователями служат гальванические преобразователи, в которых роль металлического электрода играет водород с ионами RAZD2-2.

Гальванический преобразователь (рис. 12.6) состоит из двух полуэлементов.

 

 

 

RAZD2-2
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.6

 

Так как измерить абсолютное значение пограничного потенциала нельзя, то измеряют его относительное значение по отношению к раствору с известными характеристиками. Каждый полуэлемент содержит платиновый электрод, покрытый платиновой чернью, погруженный в электролит и обдуваемый водородом, и трубку с раствором КCl,  гальванически соединяющую растворы полуэлементов.

Развиваемая разность потенциалов

                                           RAZD2-2,                                    (12.4)

где  С – газовая постоянная;

        Т – температура в К;

        RAZD2-2 - измеряемая концентрация ионов;

        RAZD2-2 - образцовая концентрация ионов.

Если измерение производится при использовании в качестве образцового раствора с нормальной концентрацией ионов RAZD2-2=1 г/л при t=18°С, то RAZD2-2.

В приборах промышленного типа вместо водородных электродов используются более удобные сурьмяные, хлорсеребряные или стеклянные электроды. Они позволяют измерять RAZD2-2 в пределах от 0 до 14 с высокой точностью.

Измерительные цепи: электронные вольтметры, компенсаторы, потенциометры.

Погрешности.

1) За счет конечного RAZD2-2 измерительной цепи. При измерении ЭДС через раствор протекает ток, происходит электролиз, что приводит к погрешности. Для уменьшения используются электронные вольтметры с предварительным усилением с RAZD2-2>1011 Ом.

2) При протекании измерительного тока на большом внутреннем сопротивлении электролита падает напряжение, что приводит к погрешности измерения.

3) Температурная погрешность. При изменении температуры значительно меняется активность ионов (окислительно-восстановительные процессы). Для уменьшения погрешности вводятся термокомпенсирующие цепи или вносятся температурные поправки.

 

12.5. Гальвано-магнитные преобразователи

 

Основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц (при протекании тока). Известны эффекты Холла и Гаусса.

Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС на боковых гранях помещенной в магнитное поле полупроводниковой пластинки, если по ней протекает ток. Эффект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в аналогичных условиях в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта проявляются одновременно, и каждый из них ослабляет другой. Выбирая соответствующим образом конструкцию и состав материала преобразователя, усиливают один эффект, ослабляя другой, и получают  либо преобразователь Холла, либо магниторезистивный преобразователь. Магниторезистивные преобразователи не получили широкого распространения, поэтому более подробно рассмотрим преобразователи Холла (рис. 12.7).

 

RAZD2-2
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.7

 

Через полупроводниковую пластину (или пленку), плоскость которой расположена перпендикулярно магнитному полю с индукцией В протекает постоянный ток RAZD2-2. Токовые электроды выполняются по всей ширине граней пластинки, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные (холловые) электроды расположены в центральной части других граней пластинки. В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани уменьшается. Возникающая при этом ЭДС Холла определяется выражением

                                                   RAZD2-2,                                         (12.5)

где  RAZD2-2 - постоянная Холла, зависящая от материала пластинки;

         RAZD2-2 - толщина пластинки.

Таким образом, выходная величина преобразователя пропорциональна произведению тока и магнитной индукции, что может быть использовано для измерения различных физических величин.

Измерительные цепи: милливольтметры с предварительным усилением, потенциометры.

Погрешности:

1) Нелинейность характеристики (0,1-10% при изменении индукции В в пределах 0¸10 Тл).

2) Нестабильность чувствительности (0,1¸1 % в год).

3) Наличие и дрейф остаточного напряжения (ЭДС Холла при В=0).

4) Температурная погрешность.

Основная погрешность при малых В обычно составляет десятые доли процента.

Достоинства. Возможность измерения как постоянных, так и переменных магнитных полей. Хорошее пространственное разрешение благодаря малым размерам преобразователя.

Недостаток. Сравнительно большая зависимость ЭДС Холла от температуры.

Область применения. Измерение магнитных полей и измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в ток и магнитную индукцию.

В дальнейшем рассмотрим некоторые виды приборов для измерения конкретных неэлектрических величин с применением вышеуказанных измерительных преобразователей.

 

 

 

13. Измерение  неэлектрических

физических величин

 

13.1. Измерение температуры

 

Приборы, представляющие собой сочетание преобразователя температуры (терморезистора, термотранзистора, термистора, термопары, пьезоэлектрического преобразователя) с электрическим измерительным прибором, называют электрическими термометрами. В зависимости от типа используемого ИП приборы называются термометрами сопротивления, термоэлектрическими термометрами, термотранзисторными и т.д. Термометры предназначены для контактного измерения температуры. Приборы для бесконтактного измерения температуры, использующие энергию излучения нагретых тел, называются пирометрами.

 

 

13.1.1. Электрические термометры сопротивления

 

Представляют собой терморезистор, термотранзистор, термистор, включенный в измерительную цепь – чаще всего равновесный или неравновесный мост. На рис. 13.1 приведена схема термометра в виде неравновесного моста.

Измерителем разбаланса является логометр – в этом случае устраняется влияние изменения напряжения питания RAZD2-2. Сопротивление RAZD2-2 служит для уравновешивания моста при начальной измеряемой температуре (не всегда равной нулю). Сопротивление RAZD2-2 (уравнительное) дополняет сопротивление внешней цепи (сопротивление проводов RAZD2-2, RAZD2-2, контактов и т.д.) до нормированного значения, принятого при градуировке прибора (0,6; 5; 15; 25 Ом): RAZD2-2 (контрольное сопротивление) равно сопротивлению RAZD2-2, соответствующему определенной отметке на шкале прибора, предназначен для выставления RAZD2-2.

RAZD2-2 при калибровке включают вместо RAZD2-2 и изменяют RAZD2-2 до тех пор, пока стрелка логометра  Лог. не станет на указанную отметку шкалы. После этого RAZD2-2 закорачивают. Показания логометра градуируют в значениях температуры.

 

 

 

 

 

 

RAZD2-2RAZD2-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 13.1

 

Такая схема включения терморезистора называется двухпроводной (т.к. к RAZD2-2 идет два провода). В такой схеме достаточно велика погрешность за счет изменения сопротивления проводов (зачастую достаточно длинных) при колебаниях температуры окружающей среды. Для устранения этой погрешности применяют трехпроводную схему включения (к RAZD2-2 подводят три провода). При этом два провода включают в смежные плечи моста (т.е. их сопротивления уравновешивают друг друга), а третий провод включают в диагональ питания (т.е. изменение его сопротивления не нарушает баланса моста). В настоящее время вместо аналоговых милливольтметров широкое распространение находят цифровые приборы.

Для построения термометров в виде равновесных мостов выпускаются автоматические мосты класса точности 0,25; 0,5, при использовании в качестве ИП стандартных медных и платиновых терморезисторов.

 

 

13.1.2. Термоэлектрические термометры

 

Состоят из термоэлектрических ИП (термопары) и милливольтметра или компенсатора (рис. 13.2).

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика