Преобразователи неэлектрических величин в электрические

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9 Тензорезистор (проволочный преобразователь):

а — схема тензометра; б — схема расположения тензометра для измерения силы и деформации; А — проволока; 1 — бумага; 2 — сварка или силы и деформации; 3 — выводы

 

              

 

 

 

 

 

Рис. 10 Фольговые преобразователи:

 а – для измерений линейных деформаций; б – наклеиваемый на мембрану для измерения давления: 1 – подгонные петли; 2 – витки, чувствительные к усилиям, растягивающим мембрану; 3 – витки, чувствительные к сжимающим усилиям; в – наклеиваемый на мембрану для измерения крутящих моментов.

 

 

 

 

Тензосопротивления  используются в приборах для измерения  деформаций неэлектрических величин: усилия, давления, моментов и так  далее. Для примера рассмотрим устройство прибора для измерения давления (манометр) с использованием проволочных тензосопротивлений (рис. 11).

Рис. 11 Манометр с тензометрическим преобразователем

Схема состоит  из измерительного преобразователя  – стального цилиндра с наклеенными тензосопротивлениями R_p и R_k, включенными в мостовую схему усилителя с миллиамперметром на выходе. Зависимость деформации и поверхности цилиндра ε_l от давления можно определить по формуле: ε _l=P_xr/Eh, где Р_x – измеряемое давление; r, h – радиус и толщина стенок цилиндра; Е – модуль упругости стали. Деформация ε_l воспринимается рабочим тензосопротивлением R_p. Компенсационное тензосопротивление R_k, наклеенное вдоль образующей цилиндра, служит для температурной компенсации.

 

 

 

 

В целях увеличения мощности рассеяния тензорезистора применяют проволочные решетки, закрепленные по концам, - «открытые конструкции». Здесь части 1 и 2 связаны с объектом и могут перемещаться относительно друг друга. Проволока закрепляется на стойках 3 из изолирующего материала (керамика).

 

2.5. Термометры электрического сопротивления

Наиболее часто терморезисторы используются в приборах для измерения температуры. Они называются термометрами электрического сопротивления, или термометрами сопротивления. Такие терморезисторы работают при малой нагрузке током, чтобы выделяемое ими тепло было возможно малым по сравнению с теплом, получаемым от среды, температура которой измеряется.

Наибольшее распространение получили преобразователи термометров сопротивления, выполненные из платиновой или медной проволоки.

Платиновые терморезисторы применяются для измерения температур в интервале от -183 до +500 °С (температура кипения кислорода составляет -182,97 °С).

Зависимость сопротивления  платины от температуры t в диапазоне от 0 до +660 °С подчиняется следующему выражению:

R _t= R₀(1+β₁t+β₂t)

где R0 — сопротивление при температуре 0 °С

В интервале от 0 д||-183 °С зависимость сопротивления платины от температуры выражается уравнением:

                   R₁ = R₀[1+ β₁t+β₂t²+β₃(t-100)t³]

Значения температурных  коэффициентов в приведенных  выше формулах следующие:

β₁ = 3,940*10^-3 1/1°C;  β₂ = -5,8*^10-7 1/1°C; β₃ = 4*10^-12 1/1°С

 

Термометры сопротивления  с преобразователем из медной проволоки  применяются для измерения температур не выше

100...150°С, так как при  более высоких температурах медь заметно окисляется. 

Зависимость сопротивления меди от температуры можно определить по формуле:

R_t = R₀(1+β_cut),

где R₀ — сопротивление при температуре 0°С; β_Cu — температурный коэффициент меди, равный 4,28-10^-3 1/1 °С.

Рабочий ток в преобразователе термометра сопротивления обычно не превышает 10... 15 мА. Начальное сопротивление (при 0°С) таких преобразователей составляет 50 Ом, реже — 100 Ом. При подобных параметрах теплота, выделяемая током в промышленных термометрах сопротивления, не отражается на точности измерения.

В платиновых термометрах сопротивления применяется проволока без изоляции, наматываемая на каркас из слюдяных пластан: в медных термометрах сопротивления используется проволока, изолированная эмалью или шелком, которая наматывается на каркас из пластмассы либо керамики. В последнее время иногда в качестве преобразователей термометров сопротивления применяют полупроводниковые термосопротивления, имеющие отрицательный температурный коэффициент сопротивления порядка 0,03...0,04 1/1°С, что обеспечивает чувствительность преобразователя в 8... 10 раз большую, чем чувствительность преобразователя из металлической проволоки. Эти терморезисторы отличаются малыми размерами и большим сопротивлением (от 1000 до 200 000 Ом). Они пригодны для работы в диапазоне температур от-100 до+120 °С.

Недостатком полупроводниковых терморезисторов является заметная неидентичность их характеристик, что требует подгонки температурного коэффициента каждого из них к заданному значению путем последовательного или параллельного присоединения к нему сопротивления из манганина. Это ограничивает возможность широкого использования полупроводниковых терморезисторов для измерений температуры.

 

 

 

                   

 

Рис. 12  Устройство платинового термосопротивления

Неизолированная платиновая проволока 2 диаметром 0,07 мм, намотана бифилярно на каркас из слюды 1. К концам обмотки приварены выводы из толстой проволоки или ленты. Каркас с обмоткой зажат между двумя широкими пластинами 3, служащими для изоляции проволоки преобразователя. Пакет из слюдяных пластин скреплен серебряной лентой 4 и вставлен в алюминиевый цилиндрический цоколь 5, защищающий обмотку преобразователя от механических повреждений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.13 Общий вид термометров сопротивления: а – ТСП-175; б – ТСП-972; в – ТСП-0063.

Сигнализатор типа CBК-3М представляет собой автоматический непрерывно действующий прибор. Принцип действия прибора основан на определении теплового эффекта сгорания горючих газов и паров на поверхности чувствительных элементов, выполненных в виде цилиндров из оксидов алюминия, внутри которых установлена платиновая нить.

При появлении  горючих газов в воздухе контролируемого помещения на рабочем чувствительном элементе R1 происходит окисление горючего газа, при этом повышается температура элемента, и электрическое сопротивление платиновой спирали увеличивается. Нарушается условие равновесия измерительного моста и в измерительной диагонали моста возникает разность потенциалов, пропорциональная объёмной концентрации горючего газа.

          Устройство датчика сигнализатора типа СВК-3М показано на рис. 14

 

Рис. 14 Устройство датчика сигнализатора типа СВК – 3М:

Эжектор 1, запитанный давлением сжатого воздуха через  фильтр 8 и

редуктор 7, под  действием разряжения пропускает через  датчик 3 анализируемый газ, расход которого контролируется ротаметром 2. Двухходовой кран 6 переключается в два положения: "анализ", при котором контролируется загазованность помещения, и «контроль», при котором производится проверка нуля прибора по воздуху.

 

 

 

 

 

2.6. Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрическим преобразователем является термопара, представляющая собой два проводника А и В (рис. 15, а) из разнородных материалов, соединенных между собой в точке 7 (рабочий конец термопары — «горячий спай») и точке 2 (свободный конец термопары — «холодный спай»).

Если изменять температуру  одной из этих точек, то в цепи появится термоЭДС, являющаяся разностью функций температур мест соединения проводников:

E_AB = f(t₁) - f₁(t₂).

Если поддерживать температуру одной точки соединения постоянной, например точки 2, то

E_AB=f(t₁)-C=f₁(t_l).

Последнее выражение  и положено в основу измерения температуры с помощью термопар.

Измерение термоЭДС производится либо милливольтметром (рис. 15, б), либо компенсатором. Точка соединения 1 называется рабочим концом термопары, а точки соединения 2 — свободными концами термопары. Милливольтметр с данной термопарой образует термоэлектрический термометр.

Градуировка такого термометра производится при температуре свободных концов, равной 0°С. При практическом использовании термометра температура свободных концов обычно выше нуля, что вызывает погрешность измерения: прибор показывает несколько меньшую по сравнению с действительной температуру. Введение поправки на температуру свободных концов сводится к тому, что к показаниям прибора прибавляют температуру свободных концов.

 

Удлинительные термоэлектроды. Чтобы обеспечить постоянную температуру свободных концов и облегчить введение поправки, желательно отвести свободные концы дальше от зоны высокой температуры.

Термопара обычно помещается в жесткую защитную арматуру (от химического воздействия испытуемой среды и от механических повреждений) поэтому приходится надставлять ее гибкими термоэлектродами, присоединяя их, с одной стороны, к коробке зажимов термопары, а с другой - к проводам, идущим к милливольтметру. Такие термоэлектроды часто называют компенсационными проводами, однако это название не является точным, так как эти термоэлектроды ничего не компенсируют.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наименование термопары	ТермоЭДС при 100°С (t0 = 0°C), мВ	Верхний предел измеряемой температуры, °С
		при длительном применении	при кратковременном  применении
Платинородий (90% Pt + 10% Ph) – платина	0,64	1400	1600
Медь – копель (56% Cu + 44%Ni)	4,75	350	500
Железо - копель	5,75	600	800
Хромель (90% Ni + 10% Cr) - копель	6,90	600	800
Хромель – алюмель (94,83% Ni + 2% Al + 2% Mn + 1% Si + 0,17% Fe)	4,10	1100	1250

        Характеристики наиболее распространенных термопар приведены в табл. 5.1.

 

Характеристика платинородий-платиновой термопары не является линейной: при температуре 1600 °С эта термопара развивает термоЭДС, равную 16,76 мВ. Характеристики остальных термопар практически линейны.

 

 

 

 

 

 

Рис. 15 Принцип действия термоэлектрического преобразователя (термопары):                           а — схема образования термоЭДС; б — схема измерения термоЭДС; / - рабочий конец термопары; 2 - свободный конец термопары; А и В — проводники

 

 

 

 

 

 

 

2.7. Пьезоэлектрические преобразователи

 

Пьезоэлектрические  преобразователи применяются для  измерения: силы, давления, перемещения и количества вещества

Принцип действия пьезоэлектрических измерительных преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков под действием механических сил или деформаций. При этом различают прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.

 Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых диэлектриков и электрической поляризации внутри них под влиянием механических напряжений или деформаций. При исчезновении напряжений диэлектрик снова приходит в ненаэлектризованное состояние. Подобные диэлектрики называют пьезоэлектриками.

Обратный пъезоэффект заключается в том, что в пьезоэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникают деформаций.

Наиболее сильно пьезоэлектрический эффект выражен у сегнетоэлектриков. Под сегнетоэлектриками понимают некоторые кристаллические вещества и поляризованные керамики, обладающие высокой диэлектрической проницаемостью и сильным пьезоэлектрическим эффектом. Типичным сегнетоэлектриком, нашедшим широкое применение, является сегнетова соль. В последнее время в измерительной технике используются такие сегнетоэлектрики, как титанат бария и фосфат аммония.

Кварц. Для измерений наибольшее применение получил кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокими механической прочностью и изоляционными качествами, а также независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах.

На рис. 16 показано расположение осей симметрии в кристаллах кварца: схема кристалла в изометрии (а); вид на кристалл сверху (б).

В кристаллах кварца различают следующие главные оси: продольная ось Z—Z, называемая оптической осью; ось X— X, проходящая через ребра шестигранной призмы перпендикулярно оптической оси, — электрическая ось; ось Y— Y, перпендикулярная граням, — нейтральная, или механическая ось.