• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Неелектричних величин у електричні

Основні різновиди вимірювальних перетворювачів

В наш час доводиться вимірювати сотні неелектричних

величин, зокрема параметрів технологічних процесів. Це:

- величини, що характеризують простір та час (геометричні

розміри, час, параметри руху);

- механічні величини (маса, сила, момент сили, тиск,

механічні напруження);

- теплові величини (температура, кількість теплоти,

теплопровідність);

- світлотехнічні та енергетичні характеристики світла (сила

світла, світловий потік, яскравість, потужність випромінювання,

енергетична яскравість);

- акустичні величини (величини, що характеризують

хвильовий рух у пружних середовищах – звуковий тиск,

гучність звуку, акустичний шум);

- величини що характеризують фізико-хімічні властивості

речовин: хімічний склад, густину розчину, масову чи молярну

концентрацію, активність (концентрацію іонів водню);

- величини що характеризують іонізуюче випромінювання.

Вимірювання неелектричних величин електричними

вимірювальними засобами передбачає попереднє їх

перетворення у функціонально зв’язані з ними електричні

величини за допомогою відповідних вимірювальних

перетворювачів неелектричної величини у електричну та

наявність вторинного електричного вимірювального приладу, а

також пристроїв їхнього спряження (ліній зв’язку,

вимірювальних підсилювачів, пристроїв корекції похибок

тощо).

Методики вимірювання неелектричних величин діляться на

контактні та безконтактні.

При контактнихвимірюваннях первинний перетворювач

безпосередньо контактує з досліджуваним об’єктом. При цьому

може

спостерігатися

зворотня

дія

вимірювального

перетворювача на параметри досліджуваного об’єкта, що

призводить до зростання похибок вимірювання.

При безконтактнихвимірюваннях, первинний перетворювач

безпосередньо не контактує з досліджуваним об’єктом і не

впливає на його параметри. Однак у цьому випадку, на

результат вимірювання значно впливає довкілля, що їх розділяє.

Основні переваги електричного способу вимірювання

неелектричних велечин:

- можливість вимірювання кількох неелектричних величин за

допомогою одного електричного вимірювального засобу (при

використанні відповідних вимірювальних перетворювачів та

комутатора);

- простота автоматизації вимірювання внаслідок того, що в

електричних колах можна виконувати логічні та цифрові

операції;

- можливість забезпечення високої чутливості, необхідної

точності та швидкодії;

- дистанційність – можливість вимірювання параметрів

досліджуваних об’єктів на будь-якій від них відстані завдяки

можливості передачі електричних сигналів лініями зв’язку чи

через випромінювання електромагнітних хвиль.

За фізичними закономірностями, покладеними в основу

принципу дії ВП діляться на наступні групи.

1. Механічніпружніперетворювачі, які широко

застосовуються як первинні перетворюючі елементи

динамометрів, манометрів, віброметрів та акселерометрів.

Вхідними величинами цих перетворювачів є сила, тиск,

обертовий момент, а вихідною – переміщення (лінійне або

кутове) чи деформація.

В якості пружних елементів порівняно великих сил (понад 10

кН) застосовуються суцільні стержні. Порожнисті стержні

дозволяють підвищити чутливість перетворювачів, однак межі

їх перетворень є не нижчі ніж 0,5 кН. Недолік таких

перетворювачів - малі вихідні переміщення.

Певні переваги мають кільцеві пружні елементи, проте

найчутливішими до дії сил є балкові пружні елементи.

2. Резистивніперетворювачімеханічнихвеличин. Принцип

дії таких перетворювачів грунтується на зміні їхнього

електричного опору в залежності від переміщення (під дією

механічних сил) повзунка (рис. 1.2) реостата чи реохорда в

реохордних перетворювачах або внаслідок тензоефекту в

тензорезистивних перетворювачах (рис. 1.3).

Реостатний перетворювач (рис. 1.2) виконаний у вигляді

реостата, повзунок якого преміщується під дією вхідної

(вимірюваної неелектричної величини x ). Вихідною величиною

є електричний опір R_x, який перетворюється в напругу U вих^.

U

I

RВП

l

x = x_max

R − R_x

x

R_xI_H

x = 0

R_H

Uвих

Рис. 1.2. Реостатний перетворювач:

U - напруга живлення; l - довжина котушки реостата; RВП ^-опір

котушки; Rн і Ін ^-відповідно навантажувальний опір і струм що протікає

через нього; U вих ^-вихідна напруга.

Якщо Rн^>>RВП^,то

Uвих

=

U

l

x S x , (1.4)

де S - чутливість перетворювача ( S^U

= ).

l

Із (1.4) видно, що для вказаного випадку залежність

( )

Uвих⁼f x - статична характеристика, має лінійний характер.

Тензорезисторнийперетворювач (рис. 1.3) складається з

двох тонких плоско-паралельних пластин 1, виготовлених із

діелектрика, між якими знаходиться тензочутливий елемент 2

(опір якого змінюється в межах 50…400 Ом) виконаний із

тонкого дроту, довжиною l , укладеного у вигляді плоскої

одношарової решітки. До кінців тензочутливого елементу

припаяні ніжки (виводи) 3.

Рис. 1.3. Будова дротяного (а) та фольгового (б) тензорезисторів

При деформації досліджуваної конструкції, до якої жорстко

прикріплено тензорезистор, відбувається відносна зміна

довжини

∆l_,питомого опору

∆ñ та площі поперечного

l

ñ

перерізу провідника 2, в результаті чого спостерігається зміна

його опору

∆R ₍∆l , ∆ñ , ∆R - приріст довжини, питомого

R

опору та опору провідника; l , ñ , R - відповідно його початкова

довжина, питомий опір та повний опір).

Основною характеристикою тензорезистора є коефіцієнт

тензочутливості k_T



 k_T=



∆

∆

/

/







, який являється паспортною

величиною для відповідного типу тензорезистора (k_T≈ 2) .

3. Ємнісніперетворювачі (електричні конденсатори). Їхня

дія грунтується на залежності ємності конденсатора від відстані

між його електродами, площі їхнього перекриття чи

діелектричної проникності середовища що знаходиться між

електродами.

Для плоско-паралельного конденсатора електрична ємність

C визначається як

S

C = å₀å ä , (1.5)

де å₀ - електрична стала; å - діелектрична проникність

середовища між обкладками конденсатора; S - площа

перекриття обкладок; ä - відстань між обкладками.

Із (1.5) видно, що перетворювач може бути побудований на

основі використання залежностей:

C = f₃( ).

C = f₁( );

C = f₂( ) ;

Відповідно до цього схематично показано (рис. 1.4)

конструктивні схеми різних ємнісних перетворювачів.

Рис. 1.4. Ємнісні перетворювачі:

а) зі змінною відстанню між обкладками; б) диференціальний;

в) диференціальний зі змінною активною площею обкладок;

г) зі змінною діелектричною проникністю середовища між обкладками

На рис. 1.4, а пертворювач являє собою конденсатор, одна

(рухома) обкладка якого переміщується під дією вимірюваної

величини x відносно нерухомої обкладки. Такі перетворювачі

використовуються для вимірювання малих переміщень (до 1

мм).

Диференціальний перетворювач з однією рухомою і двома

нерухомими обкладками представлено на рис. 1.4, б. При дії

вимірюваної величини x , у таких перетворювачів одночасно

змінюються електричні ємності C₁і C₂.

На рис. 1.4, в показано диференціальний перетворювач зі

змінною активною площею обкладок. Ці перетворювачі

використовуються для вимірювання порівняно великих (більше

1 мм) лінійних, а також кутових переміщень.

Перетворювачємнісногорівнеміра наведено на рис. 1.4, г.

Величина ємності між електродами, зануреними у посудину з

водою залежить від рівня рідини x , оскільки останнє

призводить до зміни середньої діелектричної проникності

середовища «вода - повітря» між даними електродами.

4. П’єзоелектричніперетворювачі грунтуються на

використанні прямого п’єзоефекта, який полягає в появі

електричних зарядів на поверхні деяких кристалів (кварца,

турмаліна) під впливом механічних сил.

Із кристалів кварцу вирізують пластинку, грані якої

перпендикулярні оптичній осі z механічній осі 0 y та

електричній осі 0 x кристала (рис. 1.5 а і б).

Рис. 1.5. Кристал кварцу (а) та пластинка (б), що вирізана з нього

При дії на пластинку сили F_xвздовж осі 0 x на гранях x

виникає заряд Q = k ⋅ F , де k - п’єзоелектричний коефіцієнт.

x

x

Застосовується даний перетворювач при вимірюванні сили,

тиску тощо.

5. Індукційніперетворювачі. Принцип їхньої дії грунтується

на використанні явища електромагнітної індукції. Згідно якого

ЕРС, що наводиться в котушці, яка має ù витків, дорівнює

e

= ù−^dÖ_,де

dt

dÖ _-швидкість зміни магнітного потоку,

dt

зчепленого з котушкою. Вхідними (вимірюваними) величинами

таких перетворювачів може бути швидкість лінійного або

кутового переміщення вимірювальної котушки або швидкість

зміни магнітного потоку.

Найбільшого застосування індукційні перетворювачі

отримали в приладах для вимірювання кутової швидкості

(тахометрах) і в приладах для вимірювання параметрів вібрації.

На рис. 1.6 наведено індукційний перетворювач для

вимірювання амплітуди, швидкості і прискорення зворотно-

поступального руху.

Рис. 1.6. Індукційний перетворювач

Перетворювач представляє собою циліндричну котушку 1

що переміщується в зазорі магнітопроводу 2. Циліндричний

постійний магніт 3 створює в зазорі постійне радіальне магнітне

поле. Котушка при переміщенні перетинає магнітне поле і в ній

наводиться ЕРС, пропорційна швидкості.

6. Гальваномагнітніперетворювачі. Принцип їхньої дії

грунтується на гальваномагнітному ефекті Гаусса або Холла.

Ефект Гаусса полягає у зміні електричного опору провідника

чи напівпровідника при проходженні через нього електричного

струму та одночасної дії на нього магнітного поля, а ефект

Холла – в появі за названих умов поперечної різниці потенціалів

(ЕРС Холла). Основними різновидами даних перетворювачів є

відповідно магніторезистивні перетворювачі та перетворювачі

Холла.

7. Тепловіпертворювачі (перетворювачі температури) –

терморезистивні та термоелектричні перетворювачі (термопари).

Принцип дії терморезистивногоперетворювача грунтується

на залежності електричного опору провідників чи

напівпровідників від температури.

На практиці широко застосовують терморезистори,

виготовлені з платинового та мідного дроту, рідше з нікелю та

R_t

вольфраму (схематично вони зображуються

).

Платинові терморезистори

використовуються

для

вимірювання температури в межах від -260 до +1100⁰C , а мідні

від -200 до +200⁰C .

Залежність електричного опору R_tвід температури для

платинового терморезистора нелінійна, а для мідного вона має

вигляд прямої лінії (рис. 1.7, пряма 1) і описується формулою

( át )

R_t= R₀1 + , (1.6)

де R₀ - опір терморезистора при 0⁰C ; á - температурний

коефіцієнт опору (á = 4, 26 10− град−_).

Рис. 1.7. Залежність електричного опору від температури:

1 – для мідного провідника; 2 – для напівпровідника

Температура

вимірюється

також

з

допомогою

напівпровідникових терморезисторів, які, порівняно з

металевими, мають менші розміри і більший коефіцієнт á .

Залежність опору напівпровідникового терморезистора від

температури (рис. 1.7, пряма 2) добре описується формулою

( )

R_t= R₀exp B 1 t −1 t₀ , (1.7)

де

B = const , що визначає температурну чутливість; R_tі R₀ -

опори терморезистора, які відповідають біжучому значенню

температури t і початковому значенню t_o.

Робочий діапазон напівпровідникових терморезисторів

становить від -60 до +120⁰C .

Для вимірювання температури також застосовують

термодіоди і термотранзистори, які дозволяють перетворювати

температуру не тільки в напругу, але й в частоту змінного

струму. До переваг останніх слід віднести малі габарити і

можливість взаємозаміни.

Принцип дії термоелектричногоперетворювача (термопари)

грунтується на явищі термоелектричного ефекту, який полягає у

виникненні термоелектрорушійної сили (термо-ЕРС) E_ABв колі,

що складається з двох різних провідників А і В, якщо

температура на їх кінцях t₁і t₂різна (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Термопара (а) і спосіб ввімкнення вимірювального приладу

(мілівольтметра) в коло термопари (б)

Показане на рис. 1.8,а електричне коло називається

термопарою, провідники А і В – термоелектродами, а місця їх

з’єднання – спаями.

Отже, якщо t₁≠ t₂і, наприклад, t₂= const , то E_AB= f₁( ) .

Для вимірювання

E_ABв коло термопари вмикають

мілівольтметр (рис. 1.8, б).

Точку 1, з’єднання електродів, називають робочим кінцем

термопари, а точки 2 і 2^/- вільними кінцями.

Для термопари, наприклад, з електродами хромель-алюмель

верхня межа вимірювань становить 1300⁰C ; хромель-копель,

відповідно, 800⁰C ; вольфрамреній (5% ренія)-вольфрамреній

(20% ренія) – більше 2500⁰C .

8. Електрохімічніперетворювачі. Електрохімічним

називають перетворювач, виконаний у вигляді комірки,

заповненої електропровідним розчином (електролітом) з двома

або декількома електродами. У загальному випадку електроди

безпосередньо беруть участь у фізико-хімічних процесах, які

протікають у перетворювачах і служать для під’єднання їх у

вимірювальне коло. Вхідними перетворюваними параметрами

таких перетворювачів є хімічний склад і концентрація розчинів,

а вихідними – відповідно ЕРС та електричний опір.

В якості прикладу розглянемо гальванічний перетворювач.

Принцип його дії грунтується на залежності ЕРС гальванічного

кола від хімічної активності (концентрації) іонів електроліту.

Такі перетворювачі застосовуються для визначення реакції

розчину (кисла, нейтральна, лужна), яка залежить від активності

водневих іонів розчину.

Можлива схема перетворювача наведена на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Гальванічний перетворювач

Перетворювач складається з двох півелементів, з’єднаних

між собою електролітичним ключем, який представляє собою

трубку 2, заповнену насиченим розчином KCl і закриту

напівпроникливими пробками 3.

Порівняльним півелементом є каломельний електрод. Він

являє собою скляну посудину 4, на дно якої поміщено невелику

кількість ртуті, а поверх неї – пасту з каломелю ( Hg₂Cl₂).

Поверх пасти налито розчин KCl . Потеціал виникає на межі

каломель-ртуть. Для контакту із ртуттю в дно посудини впаяно

платиновий електрод 5. Потенціал каломельного електрода

залежить від концентрації ртуті в каломелі, а концентрація іонів

ртуті, в свою чергу, залежить від концентрації іонів хлору в

розчині KCl .

В досліджуваний розчин опущено водневий електрод 1, який

представляє собою покритий платиновою чернью платиновий

електрод, до якого попередньо підводиться газоподібний

водень. Потенціал такого електрода залежить від концентрації

водневих іонів в досліджуваному розчині. ЕРС такого

перетворювача є функцією pH ( e = f ( ) ).

При вимірюванні рН за допомогою гальванічних

перетворювачів, необхідно вносити поправку на вплив

температури.

9. Комбінованіперетворювачі. Прості вимірювальні

перетворювачі можна об’єднувати в складніші пристрої. Це

стосується переважно перетворювачів, у яких вихідним

сигналом є механічне переміщення (поплавкових, буйкових,

манометричних трубчастих, сильфонних, мембранних,

біметалевих та дилатометричних тощо).

До названих первинних перетворювачів підмикають

вторинні перетворювачі, наприклад реостатні, тензорезисторні,

п’єзоелектричні, індукційні, індуктивні або трансформаторні,

котрі перетворюють механічне переміщення на електричний

сигнал, який часто за допомогою нормуючих перетворювачів

трансформують в уніфікований електричний сигнал.

На основі зазначених комбінованих перетворювачів

створюються різноманітні прилади для електричного

вимірювання нелектричних величин, наприклад, вимірювання

механічних сил, тиску рідин чи газів, рівня рідин, а також

відповідних систем автоматичного регулювання та сигналізації.

Читайте також:

1. Абсолютна величина числа позначається символом .
2. Абсолютні і відносні величини
3. Абсолютні і відносні статистичні величини
4. Абсолютні, відносні та середні величини.
5. Аналогія величин і рівнянь поступального і обертального руху. Кінетична енергія обертання тіла
6. Б- не збуджена ділянка мембрани , на яку діють електричні струми збудженої ділянки. Стрілками показано напрям струмів, кружечками – дійсне переміщення іонів.
7. Багатовимірні випадкові величини. Система двох випадкових величин
8. Багатоконтурні лінійні електричні ланцюги
9. БІОЕЛЕКТРИЧНІ ПОТЕНЦІАЛИ
10. Біоелектричні явища в тканинах: будова мембран клітини, транспорт речовин через мембрану, потенціал дії та його розповсюдження.
11. Біоелектричні явища і збудження в тканинах.
12. Векторні і скалярні величини

Переглядів: 1625