Измерения неэлектрических величин

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.

Тепловая инерционность  стандартных термометров сопротивления согласно ГОСТ 6651—78 характеризуется показателем тепловой инерции , определяемым как время, необходимое для того чтобы при внесении преобразователя в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее преобразователя стала равной 0,37 того значения, которое она имела в момент наступления регулярного теплового режима.

Показатель тепловой инерции  определяется по той части кривой переходного теплового процесса преобразователя, которая соответствует регулярному режиму, т. е. имеет экспоненциальный характер (в полулогарифмическом масштабе — прямая линия).

Значение   для различных типов стандартных преобразователей находится в пределах от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

В случаях когда необходимы малоинерционные терморезисторы, для  их изготовления используется очень  тонкий провод (микропровод) или применяют термисторы малого объема (бусинковые) типа СТ-18, СТ-19.

Терморезисторы применяются  в приборах для анализа газовых  смесей. Многие газовые смеси отличаются друг от друга и от воздуха по теплопроводности. Теплопроводность смеси, состоящей из двух газов, не вступающих в реакцию друг с другом,

 

где а — процентное содержание первого (искомого) компонента;

₁ и ₂ — теплопроводность соответственно первого и второго компонентов.

Таким образом, измеряя теплопроводность газовой смеси _1,2 можно судить о процентном содержании искомого компонента (при ₁= const и ₂  = const).

Рис. 9. Преобразователь газоанализатора, основанный на принципе измерения теплопроводности

В приборах для газового анализа — газоанализаторах —  для измерения теплопроводности используется перегревный платиновый терморезистор 1 (рис. 9), помещенный в камеру 2 с анализируемым газом.

Конструкция терморезистора, его арматура и камера, а также  значение нагревающего тока  I выбираются такими, чтобы теплообмен со средой осуществлялся в основном за счет теплопроводности газовой среды.

Для исключения влияния внешней  температуры кроме рабочей используется компенсационная камера с терморезистором, заполненная постоянным по составу газом. Обе камеры выполняются в виде единого блока и находятся в одинаковых температурных условиях. Рабочий и компенсационный терморезисторы при измерениях включаются в соседние плечи мостовой схемы, что и позволяет осуществлять компенсацию влияния температуры.

Терморезисторы применяются  в приборах для измерения вакуума. На рис. 10 показана зависимость теплопроводности газа, находящегося между телами А и Б, от его давления. Характер этой зависимости объясняется следующим образом.

Теплопроводность газа ₌ kpl, где k — коэффициент пропорциональности; р — плотность газа; l — средняя длина пути свободного пробега молекул.

В свою очередь, р = k₂*1/n, где k₁ и k₂ —- коэффициенты пропорциональности; n — число молекул в единице объема.

Следовательно, при давлениях  газа, близких к атмосферному,

₌ kk₁ nk₂*1/n= const.

При разрежении газа, когда  длина пути свободного пробега молекул  теоретически станет равной расстоянию между телами А и Б или больше его, практически длина пути свободного пробега молекул будет ограничена расстоянием d, т. е. в этом случае l_практ = d = const, и теплопроводность газа

= k k₁nd.

Таким образом, теплопроводность газа становится зависимой от числа молекул  в единице объема, т. е. от давления (вакуума). Зависимость теплопроводности газа от давления используется в вакуумметрах — приборах для измерения вакуума.

Для измерения теплопроводности, а следовательно, вакуума в вакуумметрах используются металлические (платиновые) и полупроводниковые терморезисторы, помещаемые в стеклянный или металлический баллон (баллон радиолампы), который соединяется с контролируемой средой.

Терморезисторы используются в приборах для измерения скорости газового потока  -термоанемометрах. Установившаяся температура перегревного терморезистора, помещенного на пути газового потока, зависит от скорости потока. В этом случае основным путем теплообмена терморезистора со средой будет конвективный (принудительный). Изменение сопротивления терморезистора за  счет уноса теплоты с его поверхности движущейся средой функционально связано со скоростью среды.

Конструкция и тип терморезистора (металлический или полупроводниковый), арматура и нагревающий терморезистор ток выбираются таким образом, чтобы были снижены или исключены все пути теплообмена, кроме конвективного.

Достоинствами термоанемометров являются высокая чувствительность и быстродействие. Эти приборы позволяют измерять скорости менее 1 м/с и могут быть применены в диапазоне частот от 0 до 50 кГц (при использовании схемы, с помощью которой температура терморезистора автоматически поддерживается почти неизменной).

Электролитические преобразователи. Электролитические преобразователи основаны на зависимости электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации. В основном они применяются для измерения концентраций растворов.

Рис. 12. Лабораторный электролитический преобразователь

На рис.11 для примера  показаны графики зависимостей удельной электрической проводимости некоторых растворов электролитов от концентрации растворенного вещества. Из этого рисунка следует, что в определенном диапазоне изменения концентрации зависимость электрической проводимости (сопротивления) от концентрации однозначна и может быть использована для определения последней.

Преобразователь, применяемый  в лабораторных условиях для измерения концентрации, представляет собой сосуд с двумя электродами (электролитическая ячейка) — рис. 12.

Для промышленных непрерывных  измерений преобразователи выполняются проточными, причем часто используются конструкции, в которых роль второго электрода играют стенки сосуда (металлического).

Размеры, форма сосуда и  электродов выбираются с учетом желаемого диапазона изменения сопротивления ячейки при изменении концентрации раствора и с учетом расхода раствора. Выбор материала сосуда и электродов зависит от природы электролита.

Электрическая проводимость растворов сильно зависит от температуры. В первом приближении эта зависимость выражается уравнением

= х₀(1 + t),

где х₀ — электрическая проводимость при начальной температуре (18°С); Р — температурный коэффициент электрической проводимости (для растворов кислот, оснований и солей = 0,016 -т- 0,024 К-¹

Таким образом, при использовании  электролитических преобразователей возникает задача по устранению влияния температуры. Эта задача решается путем стабилизации температуры раствора с помощью холодильника (нагревателя) или применения схем температурной компенсации. Для температурной компенсации обычно используются медные терморезисторы, так как температурные коэффициенты меди и растворов электролитов имеют противоположные знаки.

При прохождении постоянного  тока через преобразователь происходит электролиз раствора, что приводит к искажению результатов измерения. Поэтому измерения сопротивления раствора обычно проводятся на переменном токе (700—1000 Гц) чаще всего с помощью мостовых схем.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

Индуктивность обмотки, расположенной  на магнитопроводе (рис. 13),

 

где Z_M — магнитное сопротивление магнитопровода; w_t — число витков обмотки.

Взаимная индуктивность  двух обмоток, расположенных на том  же магнитопроводе,

М =

где w₁ и w₂ — число витков первой и второй обмоток. Магнитное сопротивление определяется выражением

=

Где активная составляющая магнитного сопротивления (рассеиванием магнитного потока пренебрегаем); ,,— соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i-ro участка магнитопровода;магнитная постоянная— длина воздушного зазора; поперечного сечения воздушного участка магнитопровода; — реактивная составляющая магнитного сопротивления; Р — потери в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; w — угловая частота; Ф — магнитный поток в магнитопроводе.

 

Приведенные соотношения  показывают, что индуктивность и  взаимную индуктивность можно изменять, например, воздействуя на длину , сечение воздушного участка магнитопровода  s, на потери в магнитопроводе и другими путями.

Этого можно достичь, например, перемещением подвижного сердечника (якоря) 1 (рис. 13) относительно неподвижного 2, введением немагнитной металлической пластины 3 в воздушный зазор и т. д.

На рис. 14 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей.

Индуктивный преобразователь (рис. 14, а) с переменной длиной воздушного зазора Ь характеризуется нелинейной зависимостью L ⁼ . Такой преобразователь обычно применяется при перемещениях якоря на расстояние 0,01—5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = (s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. 8.14, б). Эти преобразователи используются при перемещениях якоря до 10—15 мм. 

Якорь в индуктивном преобразователе  испытывает усилие притяжения со стороны  электромагнита, которое определяется производной от энергии магнитного поля по перемещению якоря:

 где W_M — энергия магнитного поля; L — индуктивность преобразователя; I — ток, проходящий через обмотку преобразователя.

Широко распространены индуктивные  дифференциальные преобразователи (рис. 14, е), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и  притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов.

Дифференциальные преобразователи  в сочетании с соответствующей  схемой (обычно мостовой) имеют более  высокую чувствительность, чем обычные  преобразователи, дают возможность  уменьшить нелинейность функции  преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов. В этих преобразователях результирующее усилие на якорь со стороны электромагнитов мецьше, чем в недифференциальных.

Применяются также индуктивные  дифференциальные преобразователи трансформаторного типа (рис. 14, г), в которых две секции первичной обмотки включены согласно, а две секции вторичной обмотки — встречно. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов э. д. с. на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря возникает сигнал на выходных зажимах.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50—100 мм) применяются  индуктивные преобразователи с  незамкнутой магнитной цепью. На рис. 14, д схематически показано устройство дифференциального трансформаторного индуктивного преобразователя с незамкнутой магнитной цепью, используемого для передачи показаний различных неэлектрических приборов (манометров, дифференциальных манометров).

Если ферромагнитный сердечник  преобразователя подвергать механическому  воздействию F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника р изменится магнитное сопротивление цепи, что повлечет за собой изменение индуктивности L и взаимной индуктивности М обмоток. На этом принципе основаны магнитоупругие преобразователи (рис. 14, ё).

Конструкция преобразователя  определяется главным образом значением  измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают, исходя из необходимой мощности выходного  сигнала и других технических  требований.

Для измерения выходного  параметра индуктивных преобразователей наибольшее применение получили мостовые схемы (равновесные и неравновесные), а также компенсационная схема (в автоматических приборах) для дифференциальных трансформаторных преобразователей

Индуктивные преобразователи  используются для преобразования перемещения и других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д.).

По сравнению с другими  преобразователями перемещения  индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Недостатком их является наличие  обратного воздействия преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.

Емкостные преобразователи. Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его о'бкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость

,

гдедиэлектрическая постоянная; — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; s — активная площадь обкладок; — расстояние между обкладками.

Из выражения для емкости  видно, что преобразователь может  быть построен с использованием зависимостей

На рис. 15 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей. Преобразователи на рис. 15, а представляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Изменение расстояния между пластинами ведет к изменению емкости преобразователя.