Измерение не электрических величин

Измерение неэлектрических величин электрическими методами — обширная, быстро развивающаяся область измерительной техники.

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

Соблюдение любого технологического процесса возможно обеспечить только применением измерительной техники и автоматики.

В большинстве случаев измерение неэлектрических величин сводится к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину, измеряя которую, определяют и неэлектрическую величину.

Измерение не электрических величин электрическими методами

Элемент измерительного устройства, преобразующий неэлектрическую величину в электрическую, называется измерительным преобразователем.

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

Рис. 1. Реостатный преобразователь.

Параметрические преобразователи по принципу действия делятся 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. Работа их 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 состава газов 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, растворимых 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 величине.

Рис. 2. Схемы с реостатным преобразователем.

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 импульсом фототока, частота которых зависит от измеряемой величины, используется для измерения линейных размеров, температуры, прозрачности и мутности жидкости 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 по принципу действия делятся на следующие группы:

1. Индукционные преобразователи. Преобразование измеряемой неэлектрической величины в индуктированную 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 ее измерения.

Рис. 3. Схема уровнемера.

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 не электрических величин электрическим путем в простейшем случае состоит из:

1) Преобразователя.

2) Соединительных проводов.

3) Измерительного механизма, на шкале которого обычно наносятся значения измеряемой не электрической величины.

В большинстве же случаев измерительные устройства более сложны и состоят из:

а) Приборов сравнения;

б) Источников питания;

в) Стабилизаторов;

г) Выпрямителей;

д) Усилителей и т. д.

Рассмотрим принцип работы и упрощенные схемы некоторых наиболее распространенных измерительных преобразователей.

Реостатные преобразователи

Реостатный преобразователь — это реостат (рис. 1), движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины так что величина сопротивления реостата r зависит от величины х:

r = f(х).

Измерив г, можно найти х.

В схемах на рис. 2, а и б с реостатным преобразователем использованы однорамочные магнитоэлектрические измерительные механизмы, а в схеме на рис. 2, в применен двухрамочный механизм логометра.

Рис. 4. Преобразователь с угольными шайбами.

Пример применения реостатного преобразователя для измерения уровня или объема жидкости показан на рис. 3.

Изменение положения поплавка, определяемого уровнем или объемом жидкости, вызывает изменение сопротивлений

r₁ и r₂ включенных последовательно с катушками лого метра. В результате изменяются отношение токов в катушках и показание прибора.

Шкала прибора градуируется в значениях измеряемой величины объема или уровня жидкости.

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 (рис. 4), 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 (рис. 5) — при действия на которые измеряемой силы Р. увеличивается сжатие одного и уменьшается сжатие другого столбика — дает увеличение точности измерения.

Рис. 5. Дифференциальный преобразователь с угольными шайбами.

Включением двух столбиков в два смежных плеча измерительного моста устраняется влияние.

Температуры на результат измерения, так как изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивлений обоих столбиков и равновесие моста сохранится.

Проволочные преобразователи

Эти преобразователи изготовляются из тонкой проволоки (d = 0,02 ÷ 0,04 мм) концы которой привариваются к медным выводам (рис. 6).

Проволока закрепляется специальным клеем между двумя листочками тонкой бумаги площадью 0,1—10 см².

Преобразователь приклеивается на поверхность испытуемой 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.

Для преобразователей применяется проволока из константана, нихрома или железо-хром-алюминиевого — сплава — материалов.

Обладающих большой относительной чувствительностью Ʀ =(∆r/r)/(∆l/l) малым температурным коэффициентом сопротивления и большим удельным сопротивлением.

Рис. 6. Схема проволочного преобразователя.

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 испытуемой детали, а нерабочий — на поверхность из такого же металла, что и испытуемая деталь.

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

Партия преобразователей, изготовленная из одной и той же проволоки, при одинаковом сопротивлении и одинаковой технологии обладает характеристиками r = f (∆l/l), совпадающими с точностью до 1%.

Это дает возможность, получив указанную характеристику для одного из преобразователей данной партии, применять ее и 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, температуры провода и среды, скорость движения среды, ее состав, плотность и др.

Рис. 7. Схема газоанализатора СО₂

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, в 500 или большее число раз превосходящей его диаметр, отдачей через теплопроводность выводных зажимов провода можно пренебречь.

Отдачей тепла излучением можно пренебречь, если разность температур провода и среды не превышает 100° С.

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

Рис. 8. Схема моста с логометром термометра сопротивления.

Смесь из двух газов, не вступающих друг с другом в химическую реакцию, имеет теплопроводность, равную сред ней арифметической из теплопроводностей составляющих, т.е.

λ₁₂ = (λ₁a + λ₂b)/100

где λ₁₂,λ₁, λ₂ — теплопроводности смеси и ее составляющих; а и b — процентное содержание составляющих газовой смеси.

Приняв во внимание, что b = 100 — а, можем написать:

λ₁₂ = (λ₁a + λ₂(100 — а))100

откуда

a = 100(λ₁₂ — λ₂)/(λ₁ — λ₂)

Измерив теплопроводность смеси и зная теплопроводности λ₁ и λ₂ можно определить процентное содержание одной из составляющих газовой смесив.

При этом необходимо, чтобы температура термосопротивления, а следовательно, и его сопротивление при прохождении по нему тока I = const, зависели только от теплопроводности смеси λ₁₂, т.е. чтобы

r = f (λ₁₂) или r = f₁(а).

Газоанализатор углекислого газа (рис. 7) 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 СO₂.

В термометрах сопротивления термосопротивления применяются для измерения, температур.

Они изготовляются обычно из проволоки, материал которой должен обладать большим температурным коэффициентом сопротивления: платина до 500° С, никель до 300° С, медь до 150° С.

Проволоку наматывают на каркас из пластмассы или слюды и помещают в защитную оболочку, размеры и форма которой определяются назначением термометра.

Сопротивление термометра обычно 50 или 100 ом.

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

Для измерений часто применяют схему неуравновешенного моста с магнитоэлектрическим логометром (рис. 8).

Три плеча моста r₁, r₂, r₃ выполнены из манганина, четвертое r_т — термосопротивление.

Две рамки логометра (r_л1 и r_л2) включены в диагональ моста, общая точка их через сопротивление r₅ соединена с вершиной моста г.

При равновесии моста:

(r₂ ⁼ r₃ ;r₁ = r_т r_л1 ⁼ r_л2),

когда потенциалы точек бив одинаковые в рамках логометра идут одинаковые токи встречного направления.

При нарушении равновесия токи в рамках логометра изменяются.

Их приращения ∆I_Л1 и ∆I_Л2 не равны и имеют противоположные знаки, что влечет за собой поворот стрелки логометра.

Угол поворота:

α = f(I₁/I₂) = f((I_Л1+ ∆I_Л1)/(I_Л2+ ∆I_Л2)) = f₁(r_т) = f₂(0)

Электролитические преобразователи

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

Рис. 9. Схема электролитического преобразователя.

Измерительный электролитический преобразователь представляет собой сосуд с испытуемым электролитом и двумя электродами (рис. 9)

Во избежание электролиза измерение сопротивления электролита производится на переменном токе.

Для устранения влияния температуры применяется температурная компенсация. Один из термокомпенсаторов показан на рис. 9.

Он представляет собой медно-никелевое сопротивление r_к, расположенное в растворе и соединенное последовательно с разветвлением из сопротивления r_х и шунтирующего манганинового сопротивления r₁.

Сопротивления r₁ и r_к подобраны так, что изменение сопротивления электролита, вызванное изменением его температуры, с точностью до 1—2%, компенсируется изменением сопротивления r_к.

Измеряемое сопротивление r_х находится по сопротивлению r_а,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 (рис. 10 а) — это электромагнит, якорь которого перемещается под действием измеряемой механической величины Р: силы, давления, линейного перемещения.

Рис. 10 а. Схема индуктивного преобразователя.

Изменение положения якоря изменяет воздушный зазор δ, а следовательно, индуктивность катушки электромагнита и ее полное сопротивление, т. е.

z = f(P),

В дифференциальном преобразователе (рис. 10 б) 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 (рис. 11) первичная обмотка питается переменным током с постоянным действующим значением.

Под действием измеряемой механической величины Р изменяется воздушный зазор δ, магнитное сопротивление цепи, а следовательно, и магнитный поток, пронизывающий вторичную обмотку, к зажимам которой присоединен вольтметр.

Рис. 10 б. Схема индуктивного дифференциального преобразователя.

Таким образом, вторичная индуктированная э. д. с. и показания вольтметра зависят от измеряемой величины, т.е.

E₂ ≈ U₂ = f(P)

Емкостные преобразователи

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

Рис. 11. Схема индуктивного преобразователя-трансформатора.

Так как емкость конденсатора зависит от площади электродов, их формы, расстояния между ними, а также от размеров диэлектрика 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.

Рис. 12. Принцип paботы емкостного манометра и динамометра

В емкостных манометрах и динамометрах изменяется воздушный зазор δ (рис. 12) между двумя пластинами конденсатора под действием измеряемого давления Р или силы F.

Работа емкостного преобразователя для измерения толщины резиновой ленты 1, которая протягивается между двумя неподвижными электродами 3 (рис. 13), основана на влиянии толщины ленты на изменение воздушного зазора и емкость преобразователя.

Рис. 13. Схема устройства емкостного преобразователя для измерения толщины ленты.

Емкостный преобразователь для измерения влажности зерна, порошка, волокна, пряжи представляет собой цилиндрический конденсатор (рис. 14).

Внутренний электрод имеет форму цилиндрического стержня, наружный электрод — форму стакана, внутреннее пространство до определенного уровня заполняется испытуемым материалом.

Содержание влаги в испытуемом материале резко увеличивает емкость вследствие большой диэлектрической проницаемости воды (ε — 80).

Рис. 14. Принцип устройства емкостного преобразователя влагомера.

Емкостные преобразователи имеют малую емкость, поэтому измерения их емкости производятся при повышенной или высокой частоте с применением электронных усилителей.

Ионизационные преобразователи

Структурная схема одного из ионизационных преобразователей с радиоактивным изотопом для непрерывного измерения толщины движущейся ленты или стального проката показана на рис. 15.

Радиоактивное излучение изотопа 1 частично поглощается изделием 2. Количество энергии, полученной индикатором 5, зависит от толщины изделия и его материала.

Индикатор 3 через усилитель 4 соединен с измерительным механизмом 5, дающим значение измеряемой величины.

Рис. 15. Схема ионизационного преобразователя для измерения толщины ленты.

В измерителе давления газа под воздействием излучения изотопа 1 (рис. 16) 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 5, на котором создается падение напряжения, пропорциональное ионизационному току.

Индукционные преобразователи

В индукционном тахометре, приборе для измерения скорости вращения, измеряемая величина преобразуется в пропорциональную ей э. д. с.

Тахометр (рис. 17) представляет собой маленький магнитоэлектрический генератор, якорь которого вращается между полюсами постоянного магнита и, следовательно, напряжение на зажимах которого пропорционально скорости вращения якоря.

Рис. 16. Схема прибора для измерения давления газа.

Якорь механически связан с валом машины, скорость которой из меряется, поэтому, показание вольтметра, присоединенного к зажимам якоря, пропорционально измеряемой скорости вращения.

Индукционный тахометр с вращающимся магнитом (рис. 18) состоит из алюминиевого диска 7, укрепленного на одной оси со стрелкой 2, и постоянного магнита, механически связанного с валом машины, скорость которой измеряется.

Рис. 17. Схема индукционного тахометра.

При вращении постоянного магнита в диске индуктируются 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.

Рис. 18. 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 (рис. 19), 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.

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

Рис. 19. Пьезоэлектрический кварцевый преобразователь для измерения давления.

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 (рис. 20), 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 помещают в термостат с постоянной температурой.

Рис. 20. Схема термоэлектрического пирометра.

Для термопар применяют; медь — константан (до 300° С), медь — копель (до 600° С), железо — копель (до 800° С), хромель — копель (до 800° С), хромель — алюмель (до 1 300° С), платина — платинородий (до 1 600° С).

Указанные сплавы имеют состав: копель 56,5% Сu + 43,5% Ni; хромель 90% Ni + 10% Сr; алюмель 1% В + 2% Аl + 17% Fe + 2% Мn + 78% Ni.

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

Быстрые ответы?