Общие свойства измерительных цепей и приборов

В агропромышленном производстве необходима информация о нескольких сотнях параметров. При этом значительное число параметров измеряют и контролируют при помощи электрических средств. Это обусловлено рядом особенностей электрических средств – малой инерционностью приборов, возможностью измерения на расстоянии и простотой автоматизации измерений и обработки результатов.

Несмотря на большое разнообразие параметров, а соответственно и применяемых методов, средства измерений неэлектрических величин имеют много общего. Общность измерений неэлектрических величин состоит в том, что измеряемую величину предварительно преобразуют в пропорциональную ей электрическую (ток, напряжение, сопротивление, частоту и др.), а затем измеряют с использованием известных методов и средств. При этом преобразование неэлектрической величины в электрическую предназначено только для отражения размера одной физической величины размером другой физической величины. Такой подход к проблеме измерения неэлектрических величин – единственный при создании измерительных средств, в которых имеют место различные функциональные связи между величинами. Общность методов и средств измерения неэлектрических величин позволяет представить структурную схему измерительной цепи (или прибора), вид которой в значительной мере определяется используемым измерительным преобразователем. В качестве примера на рис. 21.1 приведена схема цепи для измерения уровня топлива в баке мобильной машины.

Рис. 21.1

Изменение положения поплавка вызывает изменение подвижного контакта переменного резистора, что приводит к изменению тока в цепи. Таким образом, процесс измерения уровня может быть представлен следующей структурной связью .

21.2. Классификация и характеристики измерительных преобразователей
На входе измерительного преобразователя, кроме измеряемой величины, действуют различные неинформативные параметры – механические возмущения, изменения температуры, влажности, электрические и магнитные поля и др. Поэтому к числу основных требований, предъявляемых к измерительным преобразователям наряду с минимальными потерями информации, относят минимальную чувствительность к воздействию неинформативных параметров.

Разнообразные по устройству и принципу действия, измерительные преобразователи имеют различные характеристики и параметры. Основные из них – функция преобразования, градуировочная характеристика, погрешности и диапазон измерений.

Измерительные преобразователи неэлектрических величин различают в основном по назначению и принципу действия (см. прилжение): по назначению – преобразова­тели механических, тепловых, химических, биологических и других физических величин; по принципу действия – генераторные и параметрические. В генера­торных измеряемая величина преобразуется в пропорциональные ЭДС (напря­жение) или ток. К таким преобразователям относятся электромагнитные (ин­дукционные), тепловые (термопары), оптоэлектрические (фотоэлементы), элек­трохимические (гальва-нические), пьезоэлектрические и гальваномагнитные. В параметрических преобразователях измеряемая величина преобразуется в пара­метры электрических цепей - сопротивление, емкость, индуктивность, частоту и др. К параметрическим относятся электромагнитные (индуктивные), тепловые (терморезисторы), оптоэлектрические (фоторезисторы, фотодиоды), резистив­ные и электростатические преобразователи.

На практике для измерения одной и той же неэлектрической величины в зависимости от условий применяют различные типы измерительных преобразователей.

Электромагнитные измерительные преобразователи.В электромагнитных преобразователях измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в пропорциональную электрическую за счет изменения магнитных свойств материалов. Из электромагнитных преобразователей наибольшее распространение получили индукционные и индуктивные.

В индукционных преобразователях линейная или угловая скорость (частота вращения) исследуемого объекта преобразуются в пропорциональные ЭДС или напряжение. Принцип действия этих преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции. По конструктивному исполнению они бывают с подвижной катушкой и неподвижным постоянным магнитом или с неподвижной катушкой и подвижным постоянным магнитом. В большинстве случаев индукционные преобразователи представляют собой электрические машины постоянного или переменного тока. Их называют тахогенераторами.

Для преобразования осевых (линейных) перемещений применяют индукционный преобразователь, у которого ЭДС на выходе изменяется во времени с изменением положения его подвижной катушки.

Основной недостаток индукционных преобразователей – нелинейность функции преобразования, что является основной причиной погрешностей. Уменьшают эти погрешности за счет выбора форм и размеров магнитопровода и размещения на нем катушки. Современные тахогенераторы (переменного тока) имеют погрешности 0,2...0,5 %.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия индуктивных преобразователей основан на преобразовании измеряемой величины в индуктивность за счет изменения параметров магнитной цепи. Измерительные цепи (приборы) с индуктивными преобразователями должны содержать источник питания. Процессы, происходящие в магнитной цепи индуктивного преобразователя при воздействии измеряемой величины х, могут быть представлены в виде связи: . Изменение зазора (или положения подвижной части магнитопровода) преобразователя изменяет магнитное сопротивление , которое оказывает влияние на магнитную проницаемость . Вследствие этого изменяются индуктивность L и полное сопротивление преобразователя Z.

Лучшими свойствами обладают дифференциальные или трансформаторные преобразователи. Зависимость сопротивления от воздушного зазора у таких преобразователей линейна в большем, чем у рассмотренного раньше, диапазоне изменения зазора. Рабочим считают зазор, равный 0,3...0,4 начального значения. На параметры преобразователей изменение температуры оказывает меньшее влияние. Трансформаторные преобразователи получили широкое распространение в агропромышленном производстве в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.

Тепловые измерительные преобразователи.Принцип действия тепловых преобразователей основан на изменении свойств металлов и полупроводников при воздействии температуры. Входной (измеряемой) величиной таких преобразователей является температура.

К преобразователям относятся термопары и терморезисторы (термисторы).

Термопары. Устройство и принцип действия термопары рассмотрены в п. 21.1. Для измерения термо-ЭДС, развиваемых термопарами, применяют магнитоэлектрические милливольтметры или компенсаторы постоянного тока. Их подключают к свободным концам термопары. Градуируют приборы с термопарами при нулевой температуре свободных концов.

Терморезисторы. Резисторы, сопротивления которых являются функцией температуры, получили название терморезисторов. Материалом для изготовления терморезисторов служат химически чистые металлы и полупроводники, обладающие стабильным температурным коэффициентом сопротивления (зависимость сопротивления от температуры). Конструкции современных терморезисторов весьма разнообразны. Некоторые из них выполняют в виде цилиндрических стержней длиной несколько миллиметров, а минимальные размеры терморезисторов (без соединительных проводников) не превышают долей миллиметра.

Схемы приборов для измерения температуры с терморезисторами (их иногда называют термометрами) представляют чаще всего мосты постоянного тока с одним или двумя преобразователями в ветвях. Используют несколько разновидностей схем в зависимости от требований к метрологическим свойствам приборов.

Оптоэлектрические измерительные преобразователи. Действие оптоэлектрических преобразователей основано на известном явлении фотоэффекта. Это явление состоит в том, что под действием электромагнитного излучения в твердом теле или жидкости освобождаются носители зарядов (электроны или ионы), которые, увлекаясь внешним полем, создают ток. Различают внутренний и внешний фотоэффекты. Внутренний фотоэффект – явление, происходящее внутри кристаллической решетки твердого тела при воздействии светового потока. Внешний фотоэффект состоит в эмиссии электронов под действием светового потока, падающего на поверхность тела.

К оптическим преобразователям относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и др.

Фотоэлемент – оптоэлектрический измерительный преобразователь с внешним фотоэффектом. Принцип действия фотоэлементов состоит в том, что кванты света, попадая на катод, выбивают электроны, которые, увлекаясь внешним электрическим полем, создают фототок. Фотоэлементы бывают вакуумные и газонаполненные. Лавинообразный процесс нарастания фототока в газонаполненных фотоэлементах является причиной инерционности этих преобразователей. Поэтому они применяются для преобразования световых величин, изменяющихся с частотами до нескольких сотен герц.

Для изготовления катодов фотоэлементов применяют, кроме полупроводниковых материалов, литий, натрий, цезий, калий, рубидий и различные сплавы.

Фоторезистор – полупроводниковый преобразователь из однородного материала, электрическое сопротивление которого зависит от освещенности. Действие фоторезисторов основано на явлении изменения концентрации носителей зарядов в полупроводнике при их возбуждении световым потоком. Конструктивно фоторезисторы выполняют в виде пленки полупроводникового материала, нанесенной на стеклянную пластинку и защищенной слоем светопроницаемого лака. Для их изготовления используют сернистый висмут, свинец, кадмий, таллий и др.

Фотодиоды. Полупроводниковый преобразователь с р–n -переходом, обратный ток через который зависит от энергии падающего светового потока, называют фотодиодом. Освещение р–n -перехода фотодиода вызывает проникновение основных носителей зарядов из освещенной зоны в область р или n. Вследствие этого уменьшается обратное сопротивление фотодиода и изменяется ток в цепи.

Материалом для изготовления фотодиодов служат в основном германий, реже кремний (так как имеет узкую область спектральной чувствительности).

Фототранзисторы. В фототранзисторах используются усилительные свойства р–n–р или n–р–n -переходов, включенных в обратном направлении. При этом ток коллектора фототранзистора зависит от освещенности любой из областей перехода, если толщина ее меньше диффузионной длины носителей. Вследствие того, что носители зарядов в фототранзисторе проникают в базовую область, коллекторный ток зависит от освещенности этой области. Коэффициент усиления фототока в фототранзисторе достигает 20 и более, а его чувствительность больше чувствительности фотодиода.

Электрохимические измерительные преобразователи. В общем виде электрохимический преобразователь может быть представлен ячейкой с электролитом, в которой помещена система из двух или более электродов, включенных в измерительную цепь. Электролитическая ячейка с точки зрения электрохимии может быть представлена в виде источника ЭДС или зарядов. Под действием тока при включении электродов в электрическую цепь на них происходит падение напряжения. При изменении параметров электролита или электродов может изменяться сопротивление, емкость или индуктивность цепи, в которую включены электроды. Таким образом, возможно создание электрохимических преобразователей для измерения состава и концентрации элементов в веществе, давления, перемещения, скорости и ряда других неэлектрических величин. При этом электрические параметры ячейки с электролитом и электродами зависят от свойств и состава электролита и электродов, природы химических явлений в ячейке, температуры и скорости перемещения частиц в электролите и других факторов.

Гальванические преобразователи. Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, т.е. в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом. В электрохимии за условный нулевой электродный потенциал принят потенциал «водородного электрода». Электродные потенциалы относительно водородного электрода могут достигать для различных веществ ± 3 В. Например, электродный потенциал меди +0,34 В, цинка –0,76 В и т.д.

Известно, что растворы кислот, солей и оснований можно характеризовать активностью водородных ионов или водородным показателем рН. Он представляет собой отрицательный логарифм активности водородных ионов в растворе

. (21.1)

Наибольшее значение любого водного раствора не превышает 14 ед., аммиачного – до 33 ед. и т.д.

Определение растворов состоит в измерении электродных потенциалов электродов, помещенных в исследуемый раствор. Для этого в раствор помещают два электрода – измерительный и вспомогательный. Электродный потенциал вспомогательного электрода при измерениях должен оставаться неизменным.

Для изготовления измерительных электродов гальванических преобразователей применяют сурьму, стекло и платину. В некоторых случаях применяют угольные электроды. Платиновые и угольные электроды используют в приборах для измерения < 9, сурьмяные – для = 2...12.

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи.Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на явлении поляризации определенных кристаллов, возникающей в них при механических напряжениях (прямой пьезоэффект). Явление поляризации обратимо – электрическая поляризация кристаллов приводит к изменению их геометрических форм (обратный пьезоэффект).

Пьезоэффект наиболее выражен в естественном кристалле кварца. Измерительная цепь с пьезоэлектрическим преобразователем должна иметь высокое входное сопротивление, чтобы заряды, возникающие при поляризации, особенно при низкой частоте деформации, не «стекали» через изоляцию преобразователя. Ввиду того, что сопротивление изоляции измерительных приборов имеет конечное значение, применять пьезоэлектрические преобразователи в приборах для измерения статических параметров невозможно.

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют различные материалы. Из них, кроме кварца, наиболее распространены турмалин (находит ограниченное применение вследствие высокой стоимости), сегнетова соль, а также ряд искусственных материалов – дигидрофосфат аммония, титанат бария, цирконат свинца и др. Основные свойства материалов, которые учитывают при изготовлении преобразователей – это механическая прочность и рабочий диапазон температур.

Пьезоэлектрические преобразователи широко распространены в приборах для измерения быстроизменяющихся усилий, давлений, ускорений и перемещений.

Резистивные измерительные преобразователи. Резистивные преобразователи представляют собой разновидность параметрических преобразователей, которые под воздействием измеряемой величины изменяют собственное электрическое сопротивление или сопротивление участка цепи. К числу резистивных преобразователей, кроме терморезисторов и фоторезисторов, рассмотренных раньше, относятся контактные, реостатные и тензорезисторы.

Измерительные преобразователи, в которых измеряемая величина преобразуется в одно из двух состояний контактов (замкнутое или разомкнутое), называют контактными. Эти преобразователи под воздействием измеряемой величины коммутируют всю измерительную цепь прибора или ее часть. В простейшем случае контактный преобразователь представляет собой пару контактов, изменяющую свое состояние на противоположное при воздействии измеряемой величины. Для предохранения контактов от внешних воздействий (влажности, пыли и т.п.) их помещают в герметизированный стеклянный корпус (герконы). Изготовляют контакты из пермаллоя с покрытием контактирующих участков палладием, родием, серебром, золотом или их сплавами.

Реостатныепреобразователи представляют собой переменный резистор, подвижный контакт которого перемещается под воздействием измеряемой величины. Входным воздействием реостатного преобразователя могут быть линейное или угловое перемещение, а выходным сигналом – пропорциональное изменение электрического сопротивления.

Реостатные преобразователи выполняют в виде провода, намотанного на каркасе из изоляционного материала, или в виде реохорда. Для этого используют провода из манганина, константана, нихрома, фехраля, а в некоторых случаях – из сплавов платины с иридием, палладием или рутением. Для изоляции витков преобразователя друг от друга провод покрывают эмалью или слоем окислов. Каркасы преобразователей изготовляют из текстолита, стеклотекстолита или иных термостойких изоляционных материалов.

Функция преобразования реостатного преобразователя представляет собой зависимость выходного напряжения, вызванного изменением его сопротивления, от входного воздействия. Характер этой функции определяется соотношением перемещения подвижного контакта преобразователя и соответствующим изменением его сопротивления.

Применяют реостатные преобразователи в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.

Действие тензорезисторов основано на известном явлении тензоэффекта – свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при механической деформации. При этом считается, что сопротивление проводника (при неизменном объеме) зависит от его длины

, (21.2)

где – удельное сопротивление материала проводника; – его длина;
– площадь поперечного сечения.

Таким образом, при механической деформации проводника изменение его электрического сопротивления вызывается изменением удельного сопротивления , его длины или площади поперечного сечения .

Для изготовления тензорезисторов используют константан, нихром и висмут. Большое распространение получили полупроводниковые материалы – кремний и его окислы. У полупроводниковых тензорезисторов в отличие от металлических чувствительность в несколько сотен раз выше. К тому же кремний имеет невысокий температурный коэффициент сопротивления.

Рис. 21.2

Конструктивно тензорезисторы выполняют из металлической проволоки, фольги (рис. 21.2) или полупроводникового материала, наклеенных на тонкую бумагу или пленку лака. К концам тензочувствительного элемента припаивают (или приваривают) соединительные проводники из медной проволоки.

Для применения тензорезисторы крепят на исследуемый объект при помощи различных клеев или лаков. Изменение сопротивления наклеенного тензорезистора, вызванное его деформацией совместно с поверхностью исследуемого объекта, обычно не превышает долей ома. Для измерения таких сопротивлений тензорезисторы, как правило, включают в мостовые схемы.

Несмотря на то, что тензорезисторы сложно крепить на измеряемом объекте и практически невозможно использовать многократно, они просты, малоинерционны и имеют линейную функцию преобразования. Применяют тензорезисторы в приборах для измерения механических параметров сельскохозяйственных машин и оборудования.

Электростатические измерительные преобразователи.Действие электростатических преобразователей основано на изменении параметров электрического поля под воздействием измеряемой величины. В простейшем случае электростатический преобразователь представляет собой конденсатор, параметры которого изменяются под воздействием измеряемой величины за счет изменения расстояния между двумя или более электродами, диэлектрической проницаемости или площади электродов. Если для изготовления преобразователя применяют полупроводниковые материалы, то роль электродов в них выполняют р-n -переходы, емкость между которыми зависит от обратного напряжения.

Основной электрический параметр электростатического преобразователя – емкость – зависит от его конструкции. Известно, что емкость плоского конденсатора рассчитывают по формуле

, (21.3)

где – диэлектрическая постоянная; – относительная диэлектрическая проницаемость; – площадь электродов; – расстояние между электродами.

Наряду с плоскими, большое распространение получили преобразователи в виде цилиндрических конденсаторов.

Приборы для измерения неэлектрических величин с электростатическими преобразователями представляют собой в основном мосты переменного тока. Лучшими метрологическими свойствами обладают приборы, в которых для измерения емкости преобразователей применяют резонансные цепи.

Гальваномагнитные измерительные преобразователи. Принцип действия гальваномагнитных преобразователей основан на явлениях, возникающих под действием магнитного поля в проводниках и полупроводниках с током. Из гальваномагнитных преобразователей наибольшее распространение получили элементы Холла.