Тема: Вимірювання неелектричних величин
1. Загальні питання вимірювання неелектричних величин електричними засобами
У процесі виробничої і наукової діяльності, поряд з вимірюванням електричних величин, виникає необхідність у вимірі великої кількості неелектричних величин (температури, тиску, витрати, вологості, рівня і т. Д.).
Вимірювання неелектричних величин може здійснюватися за допомогою неелектричних і електричних засобів вимірювань.
Вимірювання неелектричних величин за допомогою електричних засобів має ряд переваг, що визначають їх широке застосування. Основними перевагами застосування електронних грошей є:
1) можливість здійснення дистанційних вимірювань, коли результат вимірювань може бути отриманий на значній відстані від об'єкта дослідження;
2) зручність використання електричних вимірювальних сигналів для вирішення завдань автоматичного контролю і управління;
3) висока чутливість і мала інерційність.
При всьому різноманітті способів і методів вимірювання неелектричних величин за допомогою електричних засобів вимірювань, їх спільність полягає в тому, що вимірюється неелектричну величину заздалегідь перетворять в пропорційну їй електричну (силу струму, напругу, частоту, опір і т.д.), а потім вимірюють відомими засобами електричних вимірювань. Структурна схема вимірювального ланцюга представлена на рис. 1.
Мал. 1. Структурна схема вимірювального ланцюга:
x - вимірювана неелектричних величин; y = f (x) - електрична величина, пропорційна x; l - відлік вимірюваної неелектричної величини; ІП - вимірювальний перетворювач (датчик); ІУ - електричне вимірювальний пристрій (вторинний прилад)
2. Вимірювальні перетворювачі неелектричних величин
Обов'язковим елементом будь-якої вимірювальної ланцюга для вимірювань неелектричної величини електричними засобами є вимірювальний перетворювач (ІП).
За принципом дії всі ІП поділяють на: 1) генераторні; 2) параметричні.
Генераторні ІП під впливом вимірюваної неелектричної величини виробляють (генерують) електричну енергію (е.р.с. ток і т.д.), пропорційну вимірюваній величині.
Параметричними називають ІП, в яких під впливом вимірюваної неелектричної величини змінюються будь-які електричні параметри (опір, ємність, індуктивність і т.д.).
2.1 Генераторні вимірювальні перетворювачі
2.1.1 Індукційні ІП
Принцип дії таких ІП заснований на явищі електромагнітної індукції (наведення е.р.с. в контурі, що знаходиться в змінному магнітному по-
ле: e d w d). dt dt
Як приклад індукційного перетворювача може служити тахометричних перетворювач частоти обертання, схематично показаний на рис. 2.
Мал. 2. Індукційний ІП
Для цього випадку
де k - конструктивний коефіцієнт, Ф - магнітний потік.
Мал. 3 Індукційний перетворювач параметрів вібрації
2.1.2 П'єзоелектричні ІП
Принцип дії таких ІП заснований на прямому п'єзоелектричного ефекту, що полягає в появі електричних зарядів на гранях кристалів деяких діелектриків під впливом механічної напруги, що діють на них.
Подібні діелектрики називають п'єзоелектрик (сегнетоелектриками). Характерними п'єзоелектрик, застосовуваними в вимірювальної техніці, є: сегнетова сіль, кварц, турмалін, титанат барію та ін.).
Мал. 4 Принцип дії п'єзоелектричного ІП: 1 - пластина з пьезоелектрика; 2 - електроди
де Q - надлишковий заряд; F - сила; k d - п'єзоелектричний модуль.
2.1.3 Термоелектричні ІП (термопари)
Принцип дії таких ІП заснований на термоелектричному ефекті (ефекті Зеєбека), сутність якого полягає в тому, що при з'єднанні двох різнорідних провідників в місці їх з'єднання виникає ЕРС (термоЕРС), що залежить від роду матеріалу провідників і температури місця з'єднання.
Провідники, що утворюють термопару, називаються термоелектроди. Місце з'єднання термоелектродів називається робочим або гарячим спаєм. Протилежні кінці називаються холодними або вільними (рис. 5).
Мал. 5. Термоелектричний перетворювач (термопара):
1 - термоелектроди; 2 - гарячий (робочий) спай; 3 - холодні (вільні) кінці
Термо-ЕРС, що розвивається термопарою, пропорційна різниці температур гарячого спаю і холодних кінців і для невеликого діапазону температур може побут виражена лінійною залежністю:
де t г - температура гарячого спаю; t х - температура вільних кінців; - коефіцієнт, що залежить від матеріалу термоелектродів і діапазону температур.
У загальному випадку НСХ термопар для всього діапазону вимірювань є нелінійними і при їх використанні для вимірювання температури необхідно передбачати заходи по лінеаризації.
Як матеріал для термоелектродів використовуються як чисті метали, так і їхні сплави: мідь, нікель, платина, хромель, алюмель, копель і ін.
2.2 Параметричні вимірювальні перетворювачі
2.2.1 Індуктивні ІП
Принцип дії таких перетворювачів заснований на залежності індуктивності або взаємної індуктивності котушок з феромагнітним сердечником від положення, геометричних розмірів і магнітного стану елементів їх магнітного ланцюга.
Одне з конструктивних рішень індуктивного перетворювача, що пояснює принцип його дії, показано на рис. 6.
Мал. 6 Принцип дії індуктивного ВП: x R м L Z
Орієнтовна залежність повного опору котушки Z від величини повітряного зазору δ показана на рис. 7.
Мал. 7 Залежність Z від δ
Приклади інших конструкцій індуктивних ІП представлені на рис. 8
Мал. 8 Приклади конструкцій індуктивних ІП
2.2.2 тензочувствітельності (тензорезисторні) ІП
В основі роботи тензочуттєві перетворювачів лежить явище тензоеффекта, що полягає в зміні активного опору провідників (напівпровідників) при їх механічній деформації.
Як відомо опір провідника визначається залежністю
При деформації змінюється його довжина l і площа поперечного перерізу S. а також, через деформацію кристалічної решітки - питомий опір ρ, що призводить до зміни опору R.
Характеристикою тензоеффекта матеріалу є коефіцієнт відносної тензочутливості S т. Визначається як відношення зміни опору до зміни довжини провідника:
Конструкція дротяного тензопреобразователя представлена на рис. 9.
Приклади конструкцій фольгових тензопреобразователь представлені на рис. 10.
В даний час при вимірюванні тиску рідин і газів широко застосовуються напівпровідникові тензопреобразователь, у яких на тонкій пластині кремнію, що знаходиться на підкладці з ізолятора (сапфіра, корунду і т. П.) Сформовані тензорезистори і сполучні провідники (рис. 11).
Мал. 11 Спрощена конструкція напівпровідникового тензорезисторного перетворювача тиску: 1 - кремнієва пластина; 2 - мембрана
2.2.3 Термочутливі (терморезисторні) ІП
Принцип дії таких перетворювачів заснований на залежності електричного опору провідників і напівпровідників від температури.
Найбільшого поширення набули терморезистори з міді і пла-
Для мідного перетворювача характерна лінійна залежність опору від температури:
де R 0 - опір при 0 ° C; α - температурний коефіцієнт
Для платинового перетворювача залежність нелінійна і в діапазоні температур від 0 ° C до +650 ° C визначається виразом:
R t R 0 (1 At Bt 2),
де A і B - постійні коефіцієнти.
У діапазоні температур від -60 ° C до +120 ° C знаходять застосування напівпровідникові терморезистори (термістори). Вони можуть мати негативний температурний коефіцієнт (ТКС) - опір зменшується з ростом температури (NTC -резістори) і позитивний (як і у провідників) ТКС (PTC -резістори). Недолік напівпровідникових терморезисторів - погана відтворюваність і нелінійність характеристики перетворення:
R t R 0 exp [B (1 t 1 t 0)]
2.2.4 Ємнісні ІП
Принцип дії таких перетворювачів заснований на залежності електричної ємності конденсатора від розмірів, взаємного розташування його обкладок і від діелектричної проникності середовища між ними.
Для плоского конденсатора:
де ε 0 - електрична постійна; ε - відносна діелектрична проникність середовища між обкладинками; S - активна площа обкладок; d - відстань між обкладинками. З цього виразу видно, що перетворювач може бути побудований з використанням залежностей C = f 1 (d), C = f 2 (S) і C = f 3 (ε).
Приклади конструктивного рішення ємнісних перетворювачів показані на рис. 12.
3 Методи і засоби вимірювання технологічних параметрів в АПК
3.1 Вимірювання температури
(Дивись лабораторну роботу №13)
При використанні в якості ІП термопар, для виключення впливу температури вимірюваного об'єкта на вільні кінці, їх слід видалити із зони зі змінною температурою.
Для цього використовуються дроти з тих же матеріалів, що і для термоелектродів, або застосовуються спеціальні подовжують термо електродний дроти, що виконуються з матеріалів, які в парі (в обмеженому температурному діапазоні від 0 ° C до 100 ° C) генерують ту ж термоЕРС, що і робочі термоелектроди. У табл. 1 наведені характеристики деяких подовжують термоелектродних (компенсаційних) проводів.
Таблиця 1 - Характеристики подовжують термоелектродних (компенсаційних) проводів
3.2 Вимірювання рівня
(Дивись лабораторну роботу №14)
3.3 Вимірювання тиску рідин і газів
Вимірювальні перетворювачі тиску в більшості випадків являють собою поєднання деформаційного чутливого елемента (мембрани, трубчастої пружини, сильфона - рис. 13), що перетворює тиск в пропорційне переміщення або деформацію, і перетворювача цього переміщення (деформації) в електричний сигнал вимірювальної інформації.
Мал. 13 Деформаційні ЧЕ
В якості перетворювачів переміщення (деформації) застосовуються індуктивні, тензорезисторні, ємнісні і п'єзоелектричні ІП (рис. 14).