СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙУНИВЕРСИТЕТ
ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Реферат
по дисциплинеОМЭТ
Тема:Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрическиесхемы, режим работы, метрологические характеристики и области применения
Студента Группы ЭСЭ 22-в
Левицкого Павла Владимировича
Проверил-----------------------------(------------------)
Севастополь
2008 г.
Введение
Конкретные методыизмерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемойточностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которыхпроводятся измерения, и рядом других признаков. Каждую физическую величинуможно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностямикак технического, так и методического характера. В отношении техническихособенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и помере развития науки и техники, число их все увеличивается. С методическойстороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общимхарактерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает нетолько правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но исущественно облегчает разработку новых методов измерения. Для прямых измеренийможно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки,дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений. При косвенныхизмерениях широко применяется преобразование измеряемой величины в процессеизмерений. Если мы проанализируем известные нам процессы измерений, тообнаружим, что в подавляющем большинстве случаев мы получаем числовое значениеизмеряемой величины, только после того, как тем или иным способом видоизменимее. Рассмотрим в качестве примера измерение массы тела, которую мы измеряем спомощью обыкновенных равноплечих весов. Под действием земного притяжениясоздаются силы. Масса тела вместе с этими силами давит на одну чашку, а массагирь — на другую. Подбирая гири, мы добиваемся равновесия, т.е. равенство этихсил. Это дает нам право сказать, что масса взвешиваемого тела равна массе гирь,принимая, что сила земного притяжения на расстоянии между чашками остаетсяодной и той же. Как видим, для измерения массы нам пришлось преобразовать массытела и гирь в силы, а для сравнения сил между собой преобразовать их действие вмеханическое перемещение рычагов весов. Приведенный пример показывает, что дажепростые измерения проводятся путем преобразования измеряемой величины.Необходимо отметить, что преобразования измеряемых величин всегда таят в себеопасность внесения погрешностей. Например, при взвешивании, описанном выше, мыне учли закона Архимеда, в соответствии с которым вес тела, находящегося вкакой — либо среде, уменьшается на вес вытесненного телом объема среды, еслиплотность материала гирь отличается от плотности вещества взвешиваемого тела.Другими словами, объем вытесненного воздуха различен, при взвешивании влияниеэтого явления может исказить результат. Правда это влияние оказывается очень небольшими учитывать его приходится только при точных взвешиваниях, в частности, привзвешивании драгоценных металлов. Основным выводом из сказанного является то,что в подавляющем большинстве случаев измерения связаны с преобразованиемизмеряемой величины.
1.Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрическиесхемы, режим работы, метрологические характеристики и области применения
1.1 Метрологическиетермины и определения
Измерения проводятся спомощью технических средств измерений. Основные виды средств измеренийследующие:- мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведенияфизической величины заданного размера, например, мера массы – гиря;- измерительный прибор –это средствоизмерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации вформе, доступной для непосредственного восприятия оператором. — измерительныйпреобразователь –это средство измерений, предназначенное для выработки сигналаизмерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшегопреобразования, обработки и хранения, но не подающейся непосредственномувосприятию оператором. Измерительные преобразователи в зависимости от ихназначения подразделяются на первичные, промежуточные, передающие, масштабные идругие.- первичный измерительный преобразователь – это преобразователь, ккоторому подведена измеряемая величина. Передающий измерительныйпреобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительнойинформации, масштабный измерительный преобразователь – для изменения измеряемойвеличины в заданное число раз.
— измерительноеустройство – это средство измерений, состоящее из измерительных приборов иизмерительных преобразователей. В зависимости от назначения измерительныеустройства подразделяются на первичные и вторичные. — измерительныеинформационные системы – это измерительное устройство, которое осуществляетмногоканальное измерение и обработку информации по некоторому заданномуалгоритму.
1.2 Физические основыпреобразователей
1.2.1 Резистивныепреобразователи
Реостатныепреобразователи
Реостатнымпреобразователем называют реостат, подвижный контакт которого перемещается всоответствии со значением измеряемой величины. Естественная входная величинареостатного преобразователя — перемещение, выходная — активное сопротивление.
Используют реостатныепреобразователи двух основных типов: проволочные и пленочные. Наибольшеераспространение получили проволочные преобразователи, схема конструкции которыхприведена на рис. 1, а. На неподвижный каркас плотно наматывают изолированныйпровод, который образует обмотку с сопротивлением R. Обмотка включается в цепь постоянного напряжения V. Наобмотке очищается от изоляции «контактная дорожка», по которой можетперемещаться щетка 1, жестко закрепленная в щеткодержателе 2. При этомсоздается скользящая контактная пара: щетка — контактная дорожка. Каркаспреобразователя изготавливают из изоляционных материалов: эбонита, текстолита,радиокерамики и других. Наиболее распространенными материалами
/>
Рис. 1. Реостатные преобразователи
Провода являютсяманганин, константан, а также сплавы из благородных металлов; золота с никелем,серебра с медью и других. Диаметр провода изменяется, в пределах 0,03-0,1 мм для прецизионных реостатов и достигает 0,3 мм в грубых реостатах. Щетку выполняют в видедвух-трех проволочек диаметром 0,1-0,2 мм. Каркас может иметь не только прямоугольную, но и более сложную форму. Для получения нелинейной характеристикииспользуют фигурные каркасы (рис. 1,6).Статической характеристикой реостатного преобразователяявляется зависимость Rвых =f(x) или Uвых =ψ(x), где х — перемещение щетки. Этизависимости могут быть линейными (рис. 1, а) и нелинейными (рис.1, б). На рис.1,а сплошной линией показана реальная характеристика проволочных реостатныхпреобразователей. Ступенчатый вид характеристики показывает, что при движениищетки в момент перехода от одного витка к другому сопротивление или напряжениеизменяется скачками. С помощью ступенчатой кривой определяется порогчувствительности или витковая погрешность преобразователя. Для линейногореостата витковая погрешность определяется.
/>Рис. 2. Схемы включения реостатныхпреобразователей
Наиболее распространенныесхемы включения реостатных преобразователей приведены на рис.2. Недостатокпервых трех схем — нелинейная зависимость тока от перемещения движка.Значительно меньшую нелинейность имеют мостовые схемы (рис. 2.г и д).Расчетлинейного реостатного преобразователя сводится к определению диаметра и длинынамоточного провода, а также геометрических размеров каркаса. Реостатныепреобразователи применяют для измерения перемещений. В сочетании с упругимиэлементами их используют в датчиках для измерения усилий и давлений. Основнойнедостаток реостатных преобразователей — наличие трущегося контакта, котороеприводит, с одной стороны, к уменьшению надежности, с другой — к возникновениюпогрешности преобразователя вследствие изменения контактного сопротивления. Вомногих случаях нежелательное явление — наличие дискретности.
Тензорезисторныепреобразователи
В основе работытензорезисторных преобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся визменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.Входная величина преобразователя — деформация, выходная — изменениесопротивления. В настоящее время получили распространение проволочные,фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. В наиболее простом случаетензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, который жестко закрепленпри помощи клея или цемента На упругодеформируемой детали. Сжатие илирастяжение детали вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки, врезультате чего изменяются ее длина, поперечное сечение и удельноесопротивление, что в итоге приводит к изменению электрического сопротивленияпроволоки
R = ρ />
где l — длина;
S — поперечное сечение;
ρ — удельноесопротивление проволоки, то при растяжении ее сопротивление изменится навеличину Δ R и составит R + Δ R. Относительное изменение сопротивления тензорезистора равно
/>= /> (l + 2 μ)
где /> - изменение длины;
μ — коэффициентПуассона:
/> = />:/> - отношение относительногопоперечного сужения (растяжения) к относительному продольному удлинению(сжатию). Частное от деления относительного изменения сопротивления />= /> на относительное изменениепроводника /> = /> - в пределах упругойдеформации характеризуется постоянной величиной, которая называетсякоэффициентом тензочувствительности />: /> = /> = kт Коэффициент тензочувствительности — основная характеристикатензорезистора. Сопротивление преобразователя не должно изменяться от действиявнешних факторов (температуры и других) более чем на сотые доли процента. Дляизмерений приходится применять высокочувствительную аппаратуру- основнойнедостаток металлических тензорезисторных преобразователей. Конструктивнопроволочные тензосопротивления представляют собой спираль (решетку), состоящуюиз нескольких петель (витков) проволоки, наклеенных на тонкую бумажную(пленочную) основу (рис. 3). Сверху решетка закрыта также тонкой бумагой илипленкой. Длина петли lб называется базой преобразователя.Обычно lб = 8—15 мм. Применяются тензорезисторы с меньшей базой(до 2,5 мм). Ширина преобразователей от 3 до 10 мм, сопротивление порядка 50 — 150 Ом. Изготавливают преобразователи и больших размеров (до 100 мм), имеющие сопротивление 800 — 1000 Ом.'Промышленность выпускает достаточно разнообразныйассортимент проволочных тензорезисторов.Более совершенные тензорезисторы — фольговые. Они имеют решетку в виде тонких полосок фольги прямоугольногосечения, наносимых на лаковую основу. Из-за большей площади соприкосновенияполосы фольгового тензорезистора с объектом измерения и большой теплоотдачи,чем у проволочного, он имеет большую чувствительность и по нему можнопропустить больший ток. Кроме того, преимущество фольговых тензорезисторов ввозможности изготовления решеток любого рисунка, наиболее полно удовлетворяющегоусловиям измерений
/>
Рис. 3. Проволочныйтензорезистор Рис. 4. Фольговые тензорезисторы
/>Рис. 5. Схемы включения тензорезисторов.
Основа полупроводниковыхтензорезисторов- кристалл кремния или германия. В зависимости от количества примесейтипа р или п сопротивление пластинок тснзорезисторов изменяется от 100 Ом до 10кОм. Знак тензоэффекта (при растяжении) в полупроводниках п-типа проводимости —отрицательный, а р-типа — положительный. Проводимость р-типа имеюттензорезисторы КТД. а n-типа— КТЭ.
Недостатокполупроводниковых тензорезисторов — малые значения прочности и гибкости. Другойнедостаток в том, что. несмотря на большую Тензочувствительность. реализоватьее довольно сложно из-за нелинейности характеристик, высокой чувствительности квоздействию внешних условий (температуры, освещения и т.д.) и существенногоразброса параметров от образца к образцу.При выборе метода измерениямеханических величин тензорсзисторам часто отдают предпочтение. Действительно,они являются универсальными преобразователями и могут с успехом использоватьсяво многих случаях, но они не всегда представляют собой лучшее средство.Тензорезисторныс датчики представляют собой упругий элемент, на которыйнаклеены тензорезисторы. Деформация упругого элемента должна иметь достаточнобольшую величину. Это обстоятельство часто недооценивается при выборе методаизмерения. Так, например, датчик давления, представляющий собой диафрагму снаклеенными на ней тензорезисторами, имеет линейную характеристику только вдиапазоне относительно малых деформаций. Индуктивный или емкостныйпреобразователи в этом случае имеют лучшую линейность при более высоком уровнесигнала. Преобразователи имеют широкую область применения, прежде всего датчикидинамометров для измерения усилий. Большинство динамометров представляют собойцилиндрическую колонку, которая подвергается сжатию. Для измерения усилий ниже1 т обычно применяют кольцевые динамометры с наклеенными тензореэисторами. Дляизмерения давления применяются датчики с консольной балкой.При изменениитемпературы возникает погрешность за счет изменения сопротивления оттемпературы независимо от деформации, т.е. изменение от температуры крутизныградуировочной характеристики, вызванное температурной зависимостью модуляупругости упругого элемента, на который наклеены тензорезисторы, исопротивления тензорезистора. Температурная коррекция выполняется путемвключения последовательно и параллельно с тензорезистором сопротивления сотрицательным температурным коэффициентом (рис.5, а).
Корректирующиесопротивления должны обладать как можно большим температурным коэффициентом,чтобы ею значение было меньше сопротивления тснзорезистора. Этому требованиюудовлетворяют только полупроводниковые материалы (термисторы).
Температурная коррекциявыполняется также путем включения пар тензорезисторов в смежные плечи моста(рис. 5, б}.
1.2.2 Электромагнитныепреобразователи
Индуктивные преобразователи.
Преобразователи,преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменениеиндуктивности, называются индуктивными.
Индуктивныйпреобразователь представляет собой дроссель с изменяющимся воздушным зазором(рис..6. а.) или изменяющейся площадью поперечного сечения (рис.6. б)
/>
Рис. 6. Конструкция и схемы включения индуктивных пореобразователей.
Выходной параметриндуктивного преобразователя – изменение индуктивности L обмотки, надетой на сердечник, при изменении зазора δили площади S.
Для измерения большихперемещений применяют индуктивные преобразователи соленоидного типа ( рис.6.в.). Изменение индуктивности в этих преобразователях вызывается перемещением вкатушке ферромагнитного сердечника. Соленоидные преобразователи могутприменяться для измерения перемещений 100 – 1000 мм.Особенность индуктивных преобразователей в том, что чувствительность их к внешним факторам независит от чувствительности к измеряемой величине, поэтому увеличениечувствительности к измеряемой величине приводит к уменьшению погрешностипреобразователя.Индуктивные преобразователи применяют для измеренияперемещений, толщены покрытий, в микромерах. Изготавливают также индуктивныединаметры и манометры, в которых усилие и давление преобразуется в перемещениепри помощи упругих элементов, т.е. промежуточных преобразователей.Приэксплуатации индуктивных преобразователей следует учитывать электромеханическуюсилу, действующую на подвижный сердечник. Поэтому их можно использовать толькодля измерения достаточно больших сил.Динамические характеристики индуктивныхпреобразователей определяются в основном параметрами подвижной механическойсистемы, которая чаще всего является колебательной.
Трансформаторныепреобразователи.
Преобразователи,преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности, называютсятрансформаторными.
На рис.7. а и б показанытрасформаторные преобразователи с подвижным сердечником.
/>
Рис.7. Конструкции и схемывключения трансформаторных преобразователей
Достоинства трансформаторныхпреобразователей: достаточная мощность сигнала без усилительных устройств,сравнительная простота для измерения усилий и давлений. Трансформаторныепреобразователи применяют в сочетании с упругими элементами (мембранами,пружинами).Недостаткииндуктивных и трансформаторных преобразователей — в большой инерционности,необходимости регулировки и компенсации начального напряжения на выходепреобразователя. Кроме того, для уменьшения помех оба преобразователя нуждаютсяв тщательной экранировке, что увеличивает размеры и массу преобразователя. Погрешноститрансформаторных преобразователей вызываются в основном нестабильностьюнапряжения и частоты источника питания, а также влиянием изменениятемпературы.При измерении динамических процессов частота источника питаниядолжна быть значительно выше частоты измеряемого процесса. При измерениимедленно меняющихся процессов преобразователь подключают к источнику питанияпромышленной частоты.
Магнитоупругиепреобразователи.
Преобразователи,основанные на изменении магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника подвоздействием механической деформации, называют магнитоупругими.Магнитоупругийпреобразователь представляет собой ферромагнитный сердечник с одной или двумяобмотками, к которому прикладываются механические усилия. Усилие создает всердечнике механическое напряжение, которое приводит к изменению магнитнойпроницаемости μ и, следовательно, к изменению магнитного сопротивления, чтообуславливает изменение электрического сопротивления Z катушки. Таким образом, в магнитоупругом преобразователеимеется следующая цепь преобразований:F →σ → μ → R → Z или e. Магнитоупругийэффект объясняется дополнительным магнитным взаимодействием атомом вследствиеискажения атомной решетки кристалла от воздействия механических усилий. В общемслучае зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеетдовольно нелинейный характер. Однако, выбирая оптимальные режимы работы, можнополучить относительно линейную зависимость.
Существует большоеразнообразие конструктивных форм магнитоупругих преобразователей. Их можноразбить на две основные группы: преобразователи дроссельного итрансформаторного типов.В преобразователях дроссельного типа изменениемагнитной проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрическогосопротивления катушки дросселя.В преобразователях трансформаторного типа вкачестве выходной величины используется взаимная индуктивность. Такиепореобразователи – по существу трансформаторные с переменным коэффициентомтрансформации. Конструкции основных типов магнитоупругих преобразователейпоказаны на рис. 8.
/>
/>
Рис.8. Конструкциимагнитоупругих преобразователей.
Сердечник преобразователя приизмерении сосредоточенных сил может претерпевать деформацию сжатия (растяжения)(рис. 8. а, б, и в ) или изгиба (рис.8.д.). На рис.8.г. изображентензометрический магнитоупругий преобразователь, магнитная цепь котороговыполнена из тонкого листа пермаллоя, наклеенного на исследуемую деталь.
В преобразователях,приведенных на рис.8. а-д, используется эффект изменение магнитнойпроницаемости сердечника в одном направлении. В настоящее время широкоеприменение получили магнитоупругие преобразователи, в которых используетсяизменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярныхнаправлениях, т.е. магнитная анизотропия сердечника. На рис.8. е показанаконструкция магнитноанизотропного преобразователя со скрещенными обмотками.Первичная и вторичная обмотки расположены в сплошном магнитопроводе под прямымуглом друг к другу. В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линиипервичной обмотки не пересекают вторичную обмотку, в результате чего ЭДСвторичной обмотки равно нулю. При действии усилия вследствие изменениямагнитной проницаемости материала магнитное поле вытягивается в направлениибольшей проницаемости, сжимается в направлении меньшей проницаемости и,сцепляясь со вторичной обмоткой, индуцирует в ней ЭДС, пропорциональнуюприложенному усилию.
Магнитострикционныйэффект – четный эффект, т.е. знак деформации сердечника не меняется приперемене направления поля на обратное. Частота изменения деформаций иликолебаний сердечника в 2 раза больше частоты переменного тока, протекающегочерез обмотку преобразователя. На магнитострикционном эффекте основана работамагнитострикционных ультразвуковых преобразователей или излучателей.
Основные достоинствамагнитоупругих преобразователей: высокие мощность и уровень выходного сигнала,надежность, простота конструкции. Однко магнитоупругие преобразователи обладаютдовольно большими погрешностями. Основные источники погрешностей: температурнаяпогрешность и магнитоупругий гистерезис. При быстроизменяющихся усилий следуетучитывать также инерционность магнитоупругих преобразователей.
Индукционныепреобразователи.
Преобразователи, в которыхиспользуется яление электромагнитной индукции, т.е. наведение ЭДС вэлектрическом контуре при изменении магнитного потока, называютсяиндукционными.По принципу действия индукционные преобразователи подразделяютсяна две группы.В преобразователях первой группы магнитное сопротивлениепостоянного магнитного потока остается неизменным, а индуцированная ЭДСнаводится из-за линейных или угловых перемещений сердечника катушки в зазоре (рис. 9.).
Н1
/>
/>/>/>UIII
/>/>/>К1
/>/>/>UII = UIII — UIIII
/>U1
/>/>/>/>Н2
/>/>UIIII
/>/>/>К2/> /> /> /> /> /> /> /> />
От ЧЭ Рис. 9. Индукционный преобразователь.
В некоторых конструкцияхперемещается катушка. Конструктивно преобразователь представляет собой катушку,имеющую три обмотки.
Первичная обмоткаравномерно распределена по всей длине. Две вторичные обмотки выполнены в видеотдельных секций с одинаковым числом витков. Внутри каркаса размещен сердечник,связанный со штоком чувствительного элемента./>,где:/> — ЭДС верхней вторичнойобмотки;/> — ЭДС нижней вторичнойобмотки; К – коэффициент продолжительности;/> — частота переменного напряжения,подаваемого на первичную обмотку;/> — напряжениепервичной обмотки; М – взаимоиндуктивность первичной и вторичных обмоток.Так каквторичные обмотки включены встречно, то суммарное напряжение на выходепреобразователя в среднем положении сердечникаравно нулю:/>.При изменении давлениясердечник перемещается, например, вверх. Вследствие этого взаимоиндуктивностькатушек изменяется на />. ЭДС вовторичных обмотках будут иметь:/>/> На выходе преобразователя будетдействовать напряжение/>
При перемещении сердечникавниз на выходе преобразователя действует напряжение />Изменениевзаимоиндуктивности /> пропорциональноизменению положения сердечника />:/>.
Таким образом, величина действующегонапряжения Uii определяется перемещением сердечника ипропорциональна этому перемещению.
В преобразователях второйгруппы магнит и катушка неподвижны. А индуцированная ЭДС наводится путемизменения магнитного потока вследствие колебания магнитного сопротивлениямагнитной цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора этой цепи
/>
Рис. 10. Конструкциииндукционных преобразователей.
При вращении ротора происходитизменение сопротивления магнитной цепи с частотой, определяемой скоростьвращения и числом зубцов. Индукционные преобразователи, предназначенные дляизмерения скорости вращения, называют тахогенераторами. Тахогенераторы – этоэлектрические машины, работающие в генераторном режиме и служащие для преобразованияскорости вращения в пропорциональный электрический сигнал.
1.2.3 Емкостныепреобразователи
В основу работы емкостногопреобразователя положено изменение его емкости под действием входной измеряемойвеличины. Емкость плоского конденсатора, как известно, выражается формулой
/> = />S / δ где /> — диэлектрическая проницаемость среды междуобкладками; S — площадь поверхности обкладки;δ — расстояние между обкладками, или толщина диэлектрика. Таким образом,изменение емкости преобразователя можно получить, изменяя:1) расстояние междуобкладками (рис. 11, а); 2) площадь электродов, образующих емкость (рис. 11,6);3) диэлектрическую проницаемость диэлектрика (рис. 11, в). Как видно из формулызависимость емкости от диэлектрической проницаемости и площади пластин имеетлинейный характер, а от расстояния между пластинами — нелинейный,гиперболический характер.Если обозначить емкость, в отсутствие измеряемойвеличины через />, а в моментизмерения />, то изменение емкостисоставляет:/> = /> – />
/>Рис.11. Основные типы емкостных преобразователей
Емкостные преобразователис изменяющимся воздушным зазором используют для измерения малых перемещений (отдолей микрометра до долей миллиметра), для измерения силы, давления при наличиипромежуточных преобразователей силы и давления в перемещение.
Преобразователи сизменяющейся площадью применяют для измерения больших. линейных и угловыхперемещений.
Преобразователи сизменяющейся диэлектрической проницаемостью чаще всего используют для измерениявлажности твердых тел (тканей, пластмасс), сыпучих тел, аморфных (например,мазута), а также для измерения уровней, толщины изоляционных материалов,усилий. В последнем случае используется свойство сегнетоэлектриков, применяемыхв качестве диэлектрика в преобразователе, изменять диэлектрическуюпроницаемость под действием сжимающей силы. Их применяют только для измерениясравнительно больших усилий. Достоинства емкостных преобразователей: высокаячувствительность, простота конструкции, малая инерционность. Наряду с этимемкостным преобразователям присущи и недостатки: 1) большое внутреннеесопротивление, что вызывает необходимость производить питание током высокойчастоты; 2) необходимость тщательной экранировки для уменьшения влияния внешнихэлектрических полей и паразитных емкостей.
1.2.4 Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезоэлектрическиепреобразователи — преобразователи генераторного типа. Принцип действия ихоснован на явлении пьезоэлектричества, характерного для определенного классакристаллов, не имеющих центра симметрии. Пьезоэлектрические кристаллы обладаютпрямым пьезоэффектом, заключающимся в появлении поляризации при действиидавления, и обратным, заключающимся в том, что кристаллы деформируются вэлектрическом поле.
На использовании прямогопьезоэффекта строятся преобразователи усилий, ускорений, давлений; обратного — вибраторы, ультразвуковые излучатели и другие устройства. В пьезоэлектрическихтрансформаторах и преобразователях на их основе используется совместное действиепрямого и обратного пьезоэффектов. В настоящее время получено большое числопьезоэлектрических материалов, которые подразделяют на две основные группы:пьезоэлектрические монокристаллы и поликристаллические материалы илипьезокерамика. Среди монокристаллических пьезоэлектриков особое место занимаеткварц. Он обладает высокими значениями добротности и стабильностихарактеристик, Недостаток кварца — низкое значение диэлектрическойпроницаемости и коэффициента электромеханической связи, что ограничивает егоприменение в пьезоэлектрических преобразователях некоторых типов. В последнеевремя широкое применение находят искусственно выращиваемые монокристаллыниобита лития, германата висмута и силиката висмута, которые имеют болеевысокие значения коэффициента электромеханической связи и диэлектрическойпроницаемости по сравнению с кварцем. Кроме того, ниобат лития обладает оченьвысокой температурой Кюри, а германосилиниты не имеют температуры фазовогоперехода, поэтому они успешно используются в условиях высоких температур.
Пьезокерамическиематериалы получены трех разновидностей: титанат бария, соединения ниобатасвинца и соединения цирконата, титаната свинца. Пьезокерамика имеет высокиезначения пьезоэлектрических характеристик. Вместе с тем пьезо-элементы изпьезокерамики дешевы в изготовлении и технологичны. Недостатки пьезокерамики — более низкие по сравнению с монокристаллами временная и температурнаястабильности. Пьезоэлектрический преобразователь в обычном исполнениипредставляет собой пьезоэлектрическую пластинку, к электродам которой подключенвольтметр, а к граням прикладывается измеряемое усилие (рис. 12).
/>
Рис.12.Пьезоэлектрический преобразователь динамических усилий
Такие преобразователиприменяют только для измерения динамических усилий и не применяют для измерениястатических и медленно меняющихся нагрузок. В системах автоматики промышленныхпроизводств приходится иметь дело, как правило, с медленно изменяющимисятехнологическими параметрами, поэтому они не нашли широкого применения впромышленности. Воздействие на преобразователь измеряемой величиныосуществляется следующими способами: изменением размеров, плотности и упругихсвойств самого пьезоэлемента, а также изменением акустического сопротивления(импеданса) среды, контактирующей с пьсэоэлементом, которое определяется ееплотностью, скоростью звука, контактной жесткостью и площадью контактапьезоэлемента со средой.
В зависимости от видавоздействия на преобразователь измеряемой величины существуют различные видыпьезоэлектрических преобразователей статических нагрузок.
На основе измененияразмеров, плотности и упругих свойств пьезоэлемента от воздействия измеряемойвеличины строятся тензочувствитсльные, термочувствительные имасс-чувствительные преобразователи. На основе изменения акустическогосопротивления среды, контактирующей с пьезоэлементом, строятся пьезоэлектрическиепреобразователи с изменяющимся акустическим импедансом. Выходной сигналтензочувствительных, термочувствительных и масс-чувствительных преобразователей- изменение частоты колебаний автогенератора, в частотозадающую цепь котороговключен резонатор (рис. 13).
/>
Рис. 12. Схема включения тензочувствительных пьезоэлектрическихпреобразователей
Пьезоэлектрическиепреобразователи с изменяющимся акустическим импедансом строят на основе пьезоэлектрическихрезонаторов и пьезоэлектрических трансформаторов. Об измеряемом усилии судятлибо по изменению тока в цепи пьезорезонатора либо по изменению выходногонапряжения или сдвига фаз между входным и выходным напряжениямипьезотрансформатора. Пьезорезонаторы и пьезотрансформаторы включаются также вчастотозадающую цепь автогенератора В этом случае об измеряемом усилии судят поизменению частоты колебаний или напряжения на выходе автогенератора. Измеряемаянагрузка прикладывается либо непосредственно к пьезорезонатору илипьезотрансформатору, либо к сочлененному с ними акустическому чувствительномуэлементу. В первом случае преобразователи называют контактнымипреобразователями, во втором — преобразователями с акустическимичувствительными элементами.
Пьезоэлектрическиепреобразователи с изменяющимся акустическим импедансом применяют для измеренияширокого круга механических величин, параметров жидкостей и газов, а такжеэлектрических и магнитных величин.
Тензочувствительныепреобразователи
Тензочувствительностьюили силочувствительностыо пьезоэлектрического резонатора называют зависимостьего резонансной частоты от силы или деформации, определяемой силовымвоздействием. Преобразователь может характеризоваться как преобразователь силыв частоту, либо как преобразователь деформации в частоту.
Изменение частоты придеформациях пьезорезонатора определяется уровнем и характером механическихнапряжений, поэтому более точно характеризует физическую сущностьпреобразования коэффициент тензочувствительности />= />;
Тензочувствительныепреобразователи строятся главным образом на основе пьезорезонаторов, в которыхвозбуждаются колебания сдвига по толщине и колебания изгибаю Тенэочувствительныепреобразователи, использующие колебания сдвига по толщине, выполняют в видепрямоугольных пластин, стержней, круглых линз, в центральной части которыхразмещаются электроды
/>
Рис.14. Тензочувствитеьные пьезорезонаторыс возбуждением колебаний сдвига.
Толщина пьезоэлементов взависимости от резонансной частоты выбирается 0,05 — 33 мм при поперечных размерах 3—30 мм. Кроме того, вклад в тезночувствительность дает также изменениеупругих свойств пьезоэлемента. Изменение частоты зависит от направленияприкладываемой нагрузки.
Термочувствительныепреобразователи.
Подтермочувствительностью пьезоэлектрического резонатора понимается зависимостьего резонансной частоты от температуры. Коэффициент термочувствительности можнопредставить как производную от частоты по температуре
Конструктивнотермочувствительные пьезорезонаторы выполняются в виде пластин или линз подобнотензочувствительным. Термочувствительность кварцевых пьезорезонаторов зависитот типа среза. Минимальную зависимость имеют кварцевые резонаторы АТ-среза,которые применяются в тензочувствительных преобразователях. Коэффициенттермочувствительности увеличивается пропорционально частоте резонатора, поэтомув измерительных преобразователях используются высокочастотные резонаторы сколебаниями сдвига по толщине. Для резонаторов />-срезовэкспериментальные значения термочувствительности достигаются при углах />≈ +5° и />≈ +70°. Высокойтермочувствительностью обладают резонаторы из ниобата лития при возбужденииколебаний по толщине.
1.2.5 ТепловыепреобразователиТепловыми называют преобразователь,принцип действия которого основан на тепловых процессах. Естественная входнаявеличина его – температура. К таким преобразователям относятсятермоэлектрические преобразователи и терморезисторы.
Термоэлектрические преобразователи.
Принцип действиятермоэлектрических преобразователей или термопар основан на явлениитермоэлектрического эффекта, которое заключается в том, что в цепи из двухразличных проводников (или полупроводников), соединенных между собой концамипри разности температур соединений возникает ЭДС, называемаятермоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Такая цепь называетсятермоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники, составляющиетермопару, называются термоэлектродами, а места их соединения спаями. Рабочийконец термопары, помещенный в измеряемую среду, называют горчим спаем, асвободный (нерабочий) – холодным. Один из термоэлектродов называетсятермоположительным, а второй – термоотрицательным. Термоположительным называюттот проводник, от которого термоток течет в холодном спае, а термоотрицательным– тот проводник, к которому течет термоток в том же холодном спае.При небольшомперепаде температур между спаями термо-ЭДС пропорциональна разности температур.Величина термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаеви не зависит от распределения температур между спаями.Явлениетермоэлектричества принадлежит к числу обратных явлений. Если через цепь,состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропуститьэлектрический ток, то в одном спае выделяется тепло, а на другом поглощается.
На рис.1 изображенаэлектрическая цепь, состоящая из двух разнородных проводников.
/>/>/>/>
/>/>/>t0, 0C
/>/>/>/>/>/>n 1 2 n/>/>/>/>
t, 0C
Рис.1. Электрическая цепьтермопары.
/>, /> –разнородные проводники. 1,2 –места соединений, называемые спаями.
В разнородных проводникахколичество свободных электронов на единицу объема различно.
Определение зависимостиЭДС термопары (/>) от температурырабочего спая при заданном значении свободного спая и для выбранных материаловтермоэлектродов /> и /> называется градурировкойтермопары.
Для измерения ЭДСтермопары прибор устанавливают в свободном спае (рис.2)
/>/>/>/>/>/>n
/>
/>/>/>/>n 1 t0, 0С 0С/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>n
Рис. 2. Схема измеренияЭДС термопары.
Терморезисторы.Терморезистор представляет собой проводникили полупроводник, сопротивление которого достаточно сильно зависит оттемпературы. Большинство химически чистых металлов обладает положительнымтемпературным коэффициентом сопротивления ТКС.
Для изготовлениятерморезисторов применяют материалы, обладающие:: высокостабильным ТКС; линейнойзависимостью сопротивления от температуры; инертностью к воздействию окружающейсреды; хорошей воспроизводимостью свойств.К таким материалам в первую очередьотносятся платина и медь. Применяются также вольфрам и никель.Платиновыетерморезисторы применяются в диапазоне температур от –2000 до +6500Си выше. Медные терморезисторы применяются в диапозоне температур от –500до +2000С. При более высоких температурах медь окисляется.
Зависимость сопротивленияот температуры платиновых терморезисторов практически линейная.Полупроводниковые терморезисторы имеют более высокую чувствительность.Температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезисторов 3 ·10-2 – 4 · 10-2 1/град. Он отрицателен и уменьшаетсяпропорционально квадрату абсолютной температуры.где А и В — постоянныекоэффициенты, зависящие от физических свойств проводника.Для изготовленияполупроводниковых терморезисторов применяют кристаллы некоторых металлов(например, германия) и окислы титана, магния, никеля, меди и др.
1.2.6 Элетрохимическиепреобразователи
Электрохимическийпреобразователь представляет собой электролитичекую ячейку, заполненнуюраствором, с помещенными в ней двумя или несколькими электродами, служащими длявключения преобразователя в электрическую цепь. Как элемент электрической цепиэлектолитическая ячейка характеризуется сопротивлением, емкостью,индуктивностью, падением напряжения от проходящего тока, развиваемой ЭДС.
Выделяя зависимостьодного из этих электрических параметров от измеряемой неэлектрической величины,создают электрохимические преобразователи для измерения и контроляконцентрации, давления, перемещения и других неэлектрических величин.
Гальваническиепреобразователи.
Принцип действиягальванических измерительных преобразователей основан на зависимостиэлектродных потенциалов, т.е. гальванической ЭДС, от состава и концентрациирастворов. Наиболее широкое применение они получили для измерения и контроляактивности водородных ионов, по которой определяют состав и свойствараствораов.
Электропроводность водыобусловлена тем, что ее молекулы часто диссоциируют на ионы водорода Н+и ионы гидрокисла ОН¯ :
Н2О = Н++ ОН¯.При этом в воде и водных растворах ионноепроизведение воды
/>= αн+ αон
является величинойпостоянной, при 220С равной 10-14.В чистой воде или нейтральном раствореактивности Н+ и ОН¯ равны
αн =αон = />= 10-7г·ион/л.
В кислотном растворебольше ионов Н+, чем ОН¯, но производениеих активностей остается равным ионному произведению воды />. В щелочных растворахбольше ионов ОН¯, чем Н+. Таким образом, у кислотныхрастворов
αн >αон, а у щелочных — αон > αн.
Следовательно, дляхарактеристики раствора достаточно знать активность водородных ионов, которуюхарактеризуют отрицательным логарифмом активности ионов водорода – водороднымпоказателем рН:
РН = lg αн.
Приборы дляизмерения этого называют рН-метрами.
1.2.7. ОптическиепреобразователиОптический преобразователь содержитисточник излучения – оптический канал и приемник излучения. Измеряемая величинавоздействует либо непосредственно на источник излучения, изменяя его параметры,либо на поток излучения в процессе его распространения по оптическому каналу. Вкачестве источников оптического излучения применяют тепловые и люминесцентныеисточники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Трофимов А.Н. Автоматика,телемеханика, вычислительная техника в химических производствах. Учебник.Энергоатомиздат. 1985.
2. Фарзане Н.Г., Илясов П.В., Азим-задеА.Ю. Технологические измерения и приборы. Учебник. Москва. Высшая школа.1989.
3. Жарковский Б.И. Приборыавтоматического контроля и управления. Учебник. Высшая школа. 1989.
4. Попов И.А., Грунтович Н.В. Сборникзаданий для самостоятельной работы по основам теории автоматического управления(регулирования). Учебное пособие. ВМФ. 1982.
5. Трофимов В.В. Справочник АСУТП.Справочник. Киев. Техника. 1988.
6. Измерительно-информационные системы.Учебник. ВМФ. Ч.1. 1990 г.
7. Гершунский Б.С. Основы электроники имикроэлектроники. Киев.Вища шк.1987.