4. Устройства для измерения напряжения и тока

В устройствах для измерения напряжений применяют электромеханические элементы, положение подвижной части которых пропорционально приложенному напряжению. На рис. IV.21, а показана схема устройства для измерения напряжения сети переменного тока. В устройство входят трехфазный трансформатор Тр и моментный двигатель МДв. При номинальном напряжении и_в якорь моментного электродвигателя неподвижен, так как момент от натяжения пружины уравновешивает момент двигателя.

Рис. IV.21. Схемы устройств для измерения

напряжений:

а - переменного тока; 6 — постоянного тока

Если напряжения и_в, отличаются от номинального на Δи_в, то планка повернется на угол α, т. е.

α = kΔu_в (IV.76)

где k — коэффициент пропорциональности.

Можно представить устройство другого типа для измерения напряжения (рис. IV.21, б). В зависимости от угла поворота рамки β изменяется напряжение и_в, снимаемое с ее выходных клемм:

(IV.77)

где w₁ — число витков катушки для подмагничивания; w₂ — число витков рамки; k - коэффициент пропорциональности; и_П — напряжение питания.

При малых углах β выражение (IV.77) можно представить в виде

(IV.78)

Устройства для измерения тока выполняют часто в виде мостовых схем. На рис. IV.22 показана схема моста Уитсона. За счет изменения величин R_i в плечах моста изменяется ток i₅. Величина этого тока может быть найдена из уравнений контуров ABCDE, ABD, BCD и уравнений токов в точках А. В и D, т. е.

(IV.79)

Из решения данной системы уравнения найдем

(IV.80)

5. Устройства для измерения температур и излучений

Наибольшее применение в системах автоматического регулирования для измерения температуры получили термометры сопротивления, термисторы и термопары.

Термометры сопротивления служат для измерения температур от —170 до +700° С. В качестве материалов термометров сопротивлений используют металлы, полупроводники и жидкости, у которых электрическое, удельное сопротивление изменяется при изменении температуры.

Рис. IV.22. Схема устройства

для измерения тока

В небольшом диапазоне температур, где температурный коэффициент сопротивления можно считать постоянным, сопротивление проводника при температуре θ можно определить по формуле

(IV.81)

где R₀ — сопротивление проводника при температуре υ₀.

Числовые значения коэффициентов α в 1/°С приведены ниже:

Алюминий 0,0045

Железо (сплавы) 0,002 - 0,006

Платина 0,0039

Уголь . . . . . . . . . . . - 0,0007

Электролиты - (0,02 - 0,09)

Термометры сопротивления включаются в мостовые схемы. С помощью таких схем можно измерять температуры до 200° С с ошибкой, не превышающей 0,001° С. При температурах порядка 700° С ошибка достигает 0,05° С.

Термисторы — твердые полупроводники с большими значениями температурных коэффициентов сопротивления. Зависимость удельного сопротивления от температуры для термистора можно представить в виде экспоненциального закона

(IV.82)

где р₀ и ро — удельное сопротивление термистора соответственно при температурах υ₀ и υ (в градусах Кельвина); В — постоянная, зависящая от материала термистора (~ 4000). Большинство термисторов обеспечивают измерение температур в диапазоне от 60 до 120° С с точностью до 0,0005° С.

Термопара представляет собой цепь, состоящую из двух сваренных проводников, выполненных из различных материалов. При нагревании спая в цепи возникает термо-ЭДС, которая поступает на измерительную схему.

В автоматических системах обычно применяют металлические термопары: высокотемпературные (до 1600° С), имеющие один электрод из чистой пластины, а другой из сплава, содержащего 90% платины и 10% родия; полупроводниковые — с одним электродом из борида циркония и другим из графита; среднетемпературные (до 1200° С), состоящие их хромеля (сплав: 90% никеля и 10% хрома) и алюмеля (сплав: 95% никеля и 5%. алюминия, кремния и марганца) из хромеля и копеля (сплав: 55% меди и 45% никеля).

Концы термопары, присоединяемые к потенциометрической схеме, называют холодным спаем, а собственно спай, находящийся в объекте регулирования, — горячим спаем. Естественно, что термо-ЭДС термопары зависит от температуры как горячего, так и холодного спаев. Изменения температуры холодного спая обычно компенсируются мостовой схемой, в которую, вводится термометр сопротивления R_K, измеряющий температуру - холодного спая (рис. IV.23). Для установки заданной температуры при использовании потенциометрической схемы служит резистор R_p, изменяющий напряжение моста и_аб.

Рис. IV.23. Схема включения термопары

Рис. IV.24. Схема ионизационной камеры Рис. IV.25. Характеристика иониза­ционной камеры

Зависимость термо - ЭДС от температуры для термопар можно определять по формуле

(IV.83)

где υ — температура одного из спаев; второй спай находится при температуре υ = 0° С. Постоянные А, В и С зависят от материалов, из которых приготовлена термопара.

Ниже приведены значения термо-ЭДС (в мВ), которые можно снять термопары, один из электродов которой выполнен из платины:

Кремний 44,8 Никель - 1,5

Хромель 2,4 Константин - 3,4

Железо 1,8 Молибденит - (69 - 104)

Приведенные значения определены при температуре горячего спая 30° С и холодного спая υ = 0° С.

Измерение параметров нейтронных потоков и у-излучений выполняют помощью различного рода газонаполненных детекторов. Заряженная частица, попадая в объем камеры, производит ионизацию газа. На рис. IV.24 показана схема ионизационной камеры с расположенным в ее середине металлическим электродом 1. Одна из стенок камеры 2 служит вторым электродом.

Характеристика камеры (рис. IV.25) разделена на пять участков.

Участок 1 соответствует слабому полю, так как разность потенциалов малая. При этом ионы притягиваются недостаточно, и многие из их рекомбинируют, прежде чем достигнут электродов.

Участок 2 имеет более высокую разность потенциалов, когда рекомбинация ионов отсутствует и ток камеры выдерживается постоянным.

Участок 3 соответствует значительному уровню разности потенциалов, и первичные электроны, приобретая большую скорость, вызывают вторичную ионизацию. При этом наблюдается существенное нарастание тока камеры.

Участок 4. При дальнейшем увеличении разности потенциалов образуются положительные заряды с высокой энергией, достаточной для выбивания из катода вторичных электронов, которые приводят к нарастанию тока.

Участок 5. На этом участке лавинный процесс устанавливается, ток имеет постоянное значение.

Ионизационные камеры обычно работают на втором участке. Зависимость между измеряемым током насыщения в камере и мощностью дозы на оси камеры определяется по формуле

i = 3,3·10^-10VР, (IV.84)

где V — объем камеры, см³; Р — мощность дозы на оси камеры, рентген/с.

Ионизационные камеры применяют в качестве детекторов нейтронов. Так как нейтроны не имеют электрического заряда, то они не могут непосредственно ионизировать газ в камере, поэтому нейтроны действуют на камеру следующим образом. Сначала нейтрон образует в камере заряженную частицу, которая вызывает ионизацию. Затем от действия ионизации в камере возникает электрический ток.

Регистрация нейтронов основана на явлении упругого рассеяния их на ядрах, т. е.

(IV.85)

где п — число зарегистрированных нейтронов; n₀ — число нейтронов, поступающих на детектор; N — число ядер в единице объема; σ — сечение упругого рассеяния нейтронов на ядрах детектора; Е_в — энергия нейтрона.