Лекции / 12. Методы и средства измерения неэлектрических величин

На основе индуктивных датчиков выпускается большое количество измерительных средств, например, индуктивный микрометр, индуктивный толщиномер, индуктивный манометр и т. п.

К недостаткам этих преобразователей можно отнести обратное влияние преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь), влияние на результат измерений колебания напряжения и частоты питающего напряжения, инерционность якоря.

Емкостные преобразователи. Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости среды между обкладками конденсатора, размеров обкладок и расстояния между ними.

Для плоского конденсатора с двумя обкладками электрическая емкость определяется выражением C ε0 ε sδ , где ε0 – электрическая постоянная, ε – относительная диэлектрическая проницаемость, s – активная площадь обкладок, δ – расстояние между обкладками. Как видно из выражения в основу работы преобразователей могут быть положены зависимости: C f1 ε , C f2 s , C f3 δ .

На рис. 12.6 схематично показано устройство различных емкостных преобразователей.

Рис.12.6

В преобразователе на рис. 12.6 а измеряемая неэлектрическая величина x приложена к подвижной пластине конденсатора, которая перемещается относительно неподвижной пластины. Статическая характеристика преобразования C f3 δ нелинейна, чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния δ между пластинами. Такие емкостные датчики используются для измерения расстояний до 1 мм.

В связи с тем, что рабочее расстояние между обкладками мало, на результат измерения, сказывается изменение этого расстояния за счет колебания темпера-

туры окружающей среды. Данную погрешность удается уменьшить выбором размеров деталей преобразователя и материалов, из которых он изготавливается.

В дифференциальных преобразователях построенных по схеме приведенной на рис. 12.6 б, измеряемая величина прикладывается к подвижной пластине, которая перемещается между двумя неподвижными пластинами, что приводит к изменению емкостей C1 и C2 , а усилие притяжения компенсируется. При соответствующем включении данные преобразователи обладают повышенной чувствительностью.

На рис. 12.6 в приведена схема дифференциального преобразователя с переменной величиной активной площади пластин, который используется для измерения сравнительно больших линейных и угловых перемещений.

Преобразователи на основе зависимости C f1 ε используют, как правило, для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Пример такого использования приведен на рис. 12.6, г, где показана обобщенная схема уровнемера. Емкость между электродами в сосуде зависит от уровня жидкости, так как уровень жидкости влияет на диэлектрическую проницаемость среды между обкладками. Подбором конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема жидкости.

В качестве измерительных цепей с емкостными преобразователями применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать высокочувствительные приборы для измерения переме-

тании емкостных преобразователей используются токи повышенной частоты (до десятков мегагерц).

Достоинствами емкостных датчиков являются высокая чувствительность, простота устройства, малая инерционность. Недостатки – влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности, необходимость использования специальных источников питания повышенной частоты.

12.4. Генераторные измерительные преобразователи

Термоэлектрические преобразователи. В основе работы преобразователя лежит термоэлектрический эффект, возникающий в цепи термопары.

На рис. 12.7 приведены термопара и способ ее подключения к измерительному прибору. При разности температур между точками 1 и 2 соединения двух

разнородных проводников А и В, образующих термопару, в цепи термопары возникает термоЭДС. При постоянной температуре точки 2, термоЭДС термопары равна EAB f t1 f t2 f t1 C . Эта зависимость и используется в термоэлектрических преобразователях для измерения температуры.

Рис. 12.7

Измерение термоЭДС производят либо с помощью обычных милливольтметров, либо с помощью компенсаторов с ручным или автоматическим уравновешиванием. Точку 1 термопары называют рабочим концом, а точки 2 и 2' – свободными концами.

Градуировку термоэлектрических термометров – приборов на основе термопар осуществляют при температуре свободных концов 0°С, но рабочее использование этих приборов осуществляются при температуре свободных концов отличной от 0°С. Поэтому при применении термоэлектрических термометров всегда необходимо вводить поправку на температуру свободных концов термопары.

Для изготовления термопар используют сплавы из благородных и неблагородных металлов. В табл. 12.1 приведены характеристики некоторых наиболее используемых термопар.

до 1100°С обычно используют сплавы из неблагородных металлов, для температур свыше 1100…1600°С – из благородных.

Для защиты электродов термопары от внешних воздействий их помещают в защитную арматуру похожую на арматуру терморезисторов.

С целью стабилизации температуры свободных концов иногда термопару удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов. Они выполняются либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специальных более дешевых материалов, удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с электродами термопары в диапазоне возможных температур свободных концов (0…100°С), т.е. удлинительные провода должны иметь такую же зависимость термоЭДС что и термопара.

Динамические свойства термопар характеризуют показателем тепловой инерции. Малоинерционными считаются термопару с показателем тепловой инерции 5…20 с. Для обычных термопар этот показатель достигает нескольких минут.

Индукционные преобразователи. Принцип действия преобразователей основан на индуцировании ЭДС в катушке при изменении магнитного потока сцеп-

Назначение индукционных преобразователей – измерение скорости линейных и угловых перемещений. Если в последующей измерительной цепи используются специальные устройства, позволяющие проинтегрировать или продифференцировать во времени выходной сигнал преобразователя, то прибор может быть использован для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений. Наибольшее применение индукционные преобразователи получили при изготовлении приборов измерения угловой скорости (тахометров) и приборов для измерения параметров вибрации.

Преобразователи, используемые для тахометров, представляют собой небольшие генераторы постоянного или переменного тока (1…100 Вт) обычно с независимым возбуждением от постоянного магнита, ротор которых механически связан с испытуемым валом. В случае генератора постоянного тока об измеряемой угловой скорости судят по ЭДС генератора, а в генераторе переменного тока – по значению или ее частоте.

На рис. 12.8 схематично показан индукционный преобразователь для измерения амплитуды, скорости и ускорения. На рисунке приведены цилиндрическая катушка 1, перемещающаяся в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное магнитное поле. Приложенное к катушке внешнее воздействие приводит к перемещению катушки и пересечении ею силовых линий магнитного поля. В катушке возникает ЭДС, пропорциональная скорости перемещения.

Рис. 12.8

Основными достоинствами индукционных преобразователей являются высокая чувствительность, сравнительная простота конструкции и надежность в работе. Недостатком – ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

Пьезоэлектрические преобразователи. Преобразователи данной группы основаны на использовании прямого (реже обратного) пьезоэлектрического эффекта, который выражается в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под влиянием механических напряжений. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении геометрических размеров кристалла под действием приложенного к электродам напряжения.

12.5. Измерение температуры

Температура, как физическая величина, относится к числу наиболее используемых параметров для характеристики объекта измерения. Описание явлений природы, технологических процессов, нашей повседневной жизни не возможно без умения измерять температуру. Диапазон значений температур, которые необходимо измерять, очень широк, от низких температур, близких к абсолютному нулю, до значений в десятки тысяч градусов, например, температуры плазмы. Причем, важным моментом современных тепловых измерений является измерение не только стационарных температур, но и температур, которые могут изменяться за секунду на сотни градусов.

При этом требования к точности результатов измерения предъявляются на уровне метрологических измерений с максимальной точностью. Используемые

для измерения температуры средства классифицируются по следующим признакам: по диапазону измеряемых значений температуры, по типу используемых термопреобразователей, и по наличию (контактные) или отсутствию (бесконтактные) непосредственной связи между объектом и средством измерения.

Контактные измерения температуры. Наибольшее распространение при выполнении контактных измерений получили средства измерения на основе терморезисторов и термоэлектрических преобразователей.

Терморезистор совместно с измерительной цепью, которой, как правило, является мост, работающий в равновесном или неравновесном режиме, составляют прибор для измерения температуры – электрический термометр сопротивления.

Терморезистор включается в измерительное плечо моста по двухпроводной или по трехпроводной схеме (см. рис. 12.9).

Рис. 12.9

При двухпроводной схеме оба соединительных провода включаются последовательно с датчиком. Такие приборы используются при менее ответственных измерениях или при измерениях, выполняемых в лабораторных условиях, поскольку при колебании окружающей температуры возникает погрешность от вли-

противление (при 0°С) и температурный коэффициент терморезистора соответственно.

В трехпроводной схеме данная погрешность при работе моста в равновесном режиме отсутствует, поскольку два соединительных провода включены в соседние плечи моста, а третий в диагональ питания (см. рис. 12.9 а). В неравновесном режиме также удается значительно снизить погрешность от влияния сопротивления соединительных проводов.

При работе моста в неравновесном режиме на точность измерения температуры большое влияние оказывает погрешность от изменения напряжения питания.

На рис. 12.9 б приведена неравновесная схема моста с логометром. Принцип компенсации указанной погрешности заключается в том, что перед измерением

соответствующим терморезистору в определенной точке шкалы прибора, изме-

уравнительным, оно дополняет сопротивление проводов до значения, принятого при градуировке (5 Ом или 15 Ом). Для этой схемы также возможно трехпроводное включение терморезистора.

При измерении температур в диапазоне –270…+1100 °С в качестве чувствительных элементов в термометрах сопротивления используются наряду с мед-

ными и платиновыми терморезисторами, полупроводниковые терморезисторы, термотранзисторы и кварцевые термометры. Из них наибольшую точность из-

мерений обеспечивают платиновые терморезисторы и цифровые кварцевые термометры. Однако из-за своих достаточно больших габаритов указанные датчики обладают значительной тепловой инерцией. Поэтому для выполнения измерений нестационарных температур используют полупроводниковые терморезисторы и термотранзисторы.

Полупроводниковые терморезисторы, благодаря повышенной чувствительности в области низких температур применяются и для измерения температур меньших –260 °С.

Для работы с температурами от сотен градусов и до нескольких тысяч градусов (до 2500 °С) наибольшее распространение получили термоэлектрические термометры. Эта группа приборов обладает меньшей точностью по сравнению

Рис. 12.10

Шкала прибора в этом случае, как правило, градуируется в градусах и при

(0,6; 5; 15; 25 Ом), то в схему введен RУ , подгоняющий внешнее сопротивление до градуировочных значений.

Наиболее существенное влияние на результат измерения оказывает погрешность от изменения температуры свободных концов термопары, для устранения, которой используют различные способы введения поправок. При ручном способе в конечном результате учитывается поправка, пропорциональная отклонению температуры свободных концов от 0 °С. Полуавтоматический способ подразумевает смещение перед началом измерения с помощью корректора стрелки прибора на отметку шкалы, равную вводимой поправке. Тогда при дальнейших измерениях поправка вводится в результат без участия оператора.

Также на рис. 12.10 приведена схема термометра с автоматическим введением поправки. В измерительную цепь последовательно с термопарой и милливольтметром включают неравновесный мост, в котором в плечо моста включается медный резистор R1 , размещаемый в зоне свободных концов термопары. Резисторы R2 , R3 , R4 выполняются из манганина. Поскольку при градуировке прибора мост находится в равновесном состоянии, то в реальных условиях измененной температуры разность потенциалов, появляющаяся в измерительной диагонали моста полностью компенсирует изменение термоЭДС. Резистор R5 используется для регулировки чувствительности моста.

Дополнительным источником погрешности контактных способов измерения температуры является потеря теплоты через термопреобразователь. Температура анализируемой среды отличается от температуры, помещенного в нее чувствительного элемента, температура которого и измеряется прибором, вследствие постоянного теплообмена между преобразователем и средой.

Снижение этой погрешности достигается за счет тщательной изоляции выступающих частей преобразователя, размещения его в том месте, где скорость перемещения среды максимальная, установление требуемой глубины погружения преобразователя в измеряемую среду.

Бесконтактные измерения температуры. Бесконтактные измерения вы-

полняются в случаях, когда введение преобразователя вызовет искажение температурного поля объекта измерения, когда контакт с измеряемым объектом принципиально невозможен, например, среда, в которой находится объект, является агрессивной и при измерении температур больших 2500 °С. Для работы в указанных условиях, как правило, применяются пирометры излучения.

Температура поверхностей нагретых тел в диапазоне 30…2500 °С измеряется с помощью радиационных пирометров, с приведенной погрешность на уровне ±1%. Недостатком этих приборов является зависимость результата от состояния среды между пирометром и объектом измерения (дым, туман, пыль и т.д.). Для диапазонов температур больших +700 °С, но с верхним пределом до +6000 °С используются оптические пирометры.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов /Б.Я. Авдеев, В.В. Алексеев, Е.М. Антонюк и др. Под редакцией В.В. Алексеева. М.: Ака-

демия, 2007.

2.Росстандарт. Федеральный информационный фонд по обеспечению един-

ства измерений. http://www.fundmetrology.ru.