Измерения неэлектрических величин

Переходный процесс проявляется  в виде инерции — запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины. Например, при погружении термопары в среду, температура которой измеряется, термо э.д.с. на выходе термопары установится в соответствии с измеряемой температурой только по истечении некоторого промежутка времени.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому  при оценке качества преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения.

Динамические свойства преобразователя  в соответствии с ГОСТ 8.256—77 могут  быть охарактеризованы полными и  частными динамическими характеристиками.

Обычно от преобразователя  требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования.

Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитываются  также и другие показатели качества их работы: влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, удобство монтажа и обслуживания, габариты, масса, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.

Для удобства изучения измерительные  преобразователи классифицируют по принципу их действия, т. е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую. Преобразователей, отличающихся принципом действия, очень много. Ниже будут рассмотрены только наиболее часто применяемые преобразователи.

Параметрические измерительные преобразователи

Общие замечания. В параметрических  преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, М, С). При использовании параметрических преобразователей необходим дополнительный источник питания. Параметрические преобразователи весьма разнообразны по своему устройству, назначению и областям применения. Ниже приводятся описание устройства и основы теории параметрических преобразователей, получивших наибольшее практическое применение.

 Реостатные  преобразователи. Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины — перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 6 схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового (рис. 6, а) и линейного /рис. 6, бив) Перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функции преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д.  Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью).

Проволока для обмотки  выполняется из сплавов (сплав платины  с иридием (5—30%), константан, нихром и фехраль). Для обмотки преобразователя  обычно используется изолированный  эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения  его со щеткой.

Щетка преобразователя выполняется  либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые

металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т. д.). Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которое выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотен граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.

Габариты преобразователя  определяются значением измеряемого  перемещения, сопротивлением обмотки  и мощностью, выделяемой в обмотке.

Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции преобразования очень часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис. 6, в).

В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимость изменения  сопротивления от перемещения щетки  имеет ступенчатый характер, так  как сопротивление изменяется скачками на значение сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразования. Максимальная приведенная погрешность при этом , где — максимальное сопротивление одного витка; R — полное сопротивление преобразователя.

Иногда применяются реохордные преобразователи, в которых щетка  скользит вдоль оси проволоки. В  этих преобразователях отсутствует указанная выше погрешность.

Выходной параметр реостатных преобразователей — сопротивление — измеряется обычно с помощью мостовой схемы.

К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки — наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения.

Применяются реостатные преобразователи  для преобразования сравнительно больших  перемещений (угловых, линейных) и других неэлектрических величин (усилия, давления и т. д.), которые могут быть преобразованы  в перемещение.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезиcторы). В основу работы преобразователей положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Если проволоку подвергнуть  механическому воздействию, например растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки

 

 

где S — коэффициент тензочувствительности;  l/l — относительная деформация проволоки.

Изменение сопротивления  проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные преобразователи, широко применяемые в настоящее время (рис. 7), представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке 1) проволоку 2 (проволочную решетку). Преобразователь включается в схему с помощью привариваемых или припаиваемых выводов 3. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки.

Для изготовления преобразователей применяется главным образом проволока диаметром 0,02—0,05 мм из константана, имеющего коэффициент S = 1,9 2,1. Константан обладает малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, что очень важно, так как изменение сопротивления преобразователей при деформациях, например, стальных деталей соизмеримо с изменением сопротивления преобразователя при изменении температурных условий. В качестве подложки используется тонкая (0,03— 0,05 мм) бумага, а также пленка лака или клея, а при высоких температурах — слой цемента.

Применяются также фольговые  преобразователи, у которых вместо йроволоки используется фольга. Чувствительный элемент преобразователя создается путем травления фольги. При травлении из фольги выбирается часть металла таким образом, что оставшийся металл образует чувствительный элемент необходимой формы и сопротивления.

Чувствительный элемент  так называемых пленочных тензорезисторов  создается путем возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на подложку. Способ удобен при  массовом изготовлении тензорезисторов.

Для наклеивания проволоки  на подложку и всего преобразователя на деталь применяются различные клеи: раствор целлулоида в ацетоне, клей БФ-2, БФ-4, бакелитовый и т. д. Для высоких температур (выше 200 °С) используются различные жаростойкие цементы, кремнийоргаиические лаки и клеи и т. п.

Преобразователи выполняются  различных размеров в зависимости от назначения. Наиболее часто используются преобразователи с длиной решетки (базой) от 5 до 50 мм, имеющие сопротивление 30—500 Ом.

Методы определения характеристик  тензорезисторов регламентированы ГОСТ 21615—76. -

Изменение температуры вызывает изменение функции преобразования тензорезисторов, что объясняется температурной зависимостью сопротивления преобразователя и различием температурных коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали. Влияние температуры устраняется обычно путем применения соответствующих методов температурной компенсации.

Наклеенный тензочувствительный преобразователь невозможно снять с одной детали и наклеить на другую. Поэтому для определения функции преобразования (коэффициента S) прибегают к выборочной градуировке преобразователей.

Погрешности наклеиваемых тензорезисторов  могут быть ±1 %. Достоинства этих преобразователей: линейность функции преобразования, малые габариты и масса, простота конструкции. Недостатком их является малая чувствительность.

В тех случаях когда  требуется высокая чувствительность, находят применение тензочувствительные преобразователи, выполненные в виде полосок из полупроводникового материала. Коэффициент 5 у таких преобразователей достигает нескольких сотен или даже тысяч. Однако воспроизводимость характеристик полупроводниковых преобразователей плохая. Очень удобны малогабаритные преобразователи, выпускаемые в настоящее время на основе литого микропровода в сплошной стеклянной изоляции.

Для измерения выходного  параметра тензорезисторов применяются мостовые (равновесные и неравновесные) схемы.

Используются тензорезисторы для измерения деформаций и других неэлектрических величин: усилий, давлений, моментов и т. д.

Термочувствительные преобразователи (терморезисторы). Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.

Между терморезистором и  исследуемой средой в процессе измерения происходит теплообмен. Так как терморезистор при этом включен в электрическую схему, с помощью которой производится измерение его сопротивления, то по нему протекает ток, выделяющий в нем теплоту. Теплообмен терморезистора со средой происходит из-за теплопроводности среды и конвекции в ней, теплопроводности самого терморезистора и арматуры, к которой он крепится, и, наконец, из-за излучения.

Интенсивность теплообмена, а следовательно, и температура  терморезистора зависят от его геометрических размеров и формы, от конструкции защитной арматуры, от состава, плотности, теплопроводности, вязкости и других физических свойств газовой или жидкой среды, окружающей терморезистор, а также от температуры и скорости перемещения среды.

Таким образом, зависимость  температуры, а следовательно, и  сопротивления терморезистора от перечисленных  выше факторов может быть использована для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду.

При конструировании преобразователя  стремятся к тому, чтобы теплообмен терморезистора со средой в основном определялся измеряемой неэлектрической величиной.

По режиму работы терморезисторы разделяются на перегревные и без преднамеренного перегрева. В преобразователях без перегрева ток, проходящий через терморезистор, практически не вызывает перегрева, и температура последнего определяется температурой среды; эти преобразователи применяются для измерения температуры. В перегревных преобразователях электрический ток вызывает перегрев, зависящий от свойств среды. Перегревные преобразователи используются для измерения скорости, плотности, состава среды и т. д. Так как на перегревные терморезисторы влияет температура среды, обычно применяются схемные методы компенсации этого влияния.

Для измерения температуры -наиболее распространены терморезисторы, выполненные из платиновой или медной проволоки.

Стандартные платиновые терморезисторы применяются для измерения температуры в диапазоне от —260 до +П00°С, медные — в диапазоне от —200 до +200°С (ГОСТ 6651—78).

Низкотемпературные платиновые образцовые и лабораторные терморезисторы (ГОСТ 12877—76) применяются для измерения  температуры в пределах от —261 до —183°С.

В платиновых терморезисторах  используется проволока без изоляции, наматываемая на каркас из слюдяных пластин. В медных терморезисторах применяется  проволока, изолированная эмалью или  шелком и наматываемая на пластмассовый  каркас.

На рис. 8, а схематически показано устройство платинового терморезистора. Неизолированная платиновая проволока 2 диаметром 0,07 мм намотана бифилярно на каркас 1 — слюдяную пластину с зубчатой насечкой на краях. К концам обмотки приварены выводы из более толстой (около 1 мм) серебряной проволоки (или ленты). Каркас с обмоткой зажат между двумя более широкими пластинами 3, служащими для изоляции проволоки. Пакет из слюдяных пластин скреплен серебряной лентой 4 и вставлен в алюминиевый цилиндрический чехол 5, защищающий обмотку преобразователя от механических повреждений. Для уменьшения тепловой инерции преобразователя между пакетом и чехлом помещены сплошные металлические вкладыши 6, В малоинерционных преобразователях вместо сплошных вкладышей применяются полые дюралюминиевые вкладыши — лепестки, которые обеспечивают достаточно хорошую передачу теплоты и имеют малую теплоемкость, что уменьшает тепловую инерцию преобразователя.

Для защиты терморезистора от воздействия внешней среды (влажности, давления, агрессивных газов и т д ) чехол вместе с обмоткой помещается в защитную арматуру (рис. 8, б).

 

Рис. 8, Устройство (а) и внешний вид арматуры (б) платинового термометра сопротивления

 

Начальные сопротивления (при 0°С) платиновых стандартных терморезисторов  равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом; а для медных — 10, 50, 53 и 100 Ом.

Допустимое значение тока, протекающего по терморезистору при  включении его в измерительную  схему должно быть таким, чтобы изменение  сопротивления терморезистора за счет нагрева не превышало 0,1% начального сопротивления.

Для стандартных терморезисторов  имеются градуировочные таблицы (ГОСТ 6651—78). Аналитически зависимость сопротивления  от температуры для платиновых терморезисторов  выражается следующими уравнениями:

R_t = R₀ [ 1 + At + Bt² + Ct³ (t - 100)] при - 200°C ≤ t ≤ 0°C;

R_t = R₀ (1 + At + Bt²) при 0°C≤ t ≤ + 650°C,

где R₀ — сопротивление при t = 0°C; A = 3,97 *10^-3 K^-1; B = =. —5,85*10^-7 К^-2; С = —4,22*10-¹² K-¹.