Электрические измерения неэлектрических величин. Датчики температуры, уровня, гласности, давления, скорости и др.

Чтобы измерить ту или иную неэлектрическую величину, ее нужно предварительно преобразовать в электрический сигнал. Такое преобразование осуществляется с помощью первичных преобразователей. Упрощенная структурная схема измерительного устройства включает первичный преобразователь, электрическую измерительную цепь, выходное устройство. Измеряемая неэлектрическая величина х поступает на вход первичного преобразователя, в котором преобразуется в электрический сигнал у(х). Этот сигнал преобразуется в измерительной цепи в другой электрический сигнал у и воспринимается выходным устройством. Шкала выходного устройства α(х) градуируется непосредственно в значениях неэлектрической величины х.

По принципу действия первичные преобразователи делятся на резистивные, электромагнитные, электростатические, тепловые.

Резистивные преобразователи подразделяют на реостатные (рис. 1) и тензочувствительные. Их работа основана на изменении электрического сопротивления в зависимости от перемещения движка 3 по электрическому проводнику 2 (реостатные), намотанному на кольцо 1, или от механической деформации проводника или полупроводника (тензочувствительные).

Резистивные преобразователи применяют для измерения перемещений, а также других величин, которые могут быть преобразованы в линейное или угловое перемещения: давление, усилие, вращающие моменты, уровень жидкостей, ускорения и др.

На рис. 1 и 2 через х обозначена входная неэлектрическая величина (угловое перемещение), у - выходная электрическая величина (сопротивление).

Электромагнитные преобразователи подразделяются на индуктивные, магнитоупругие и индукционные.

Индуктивные преобразователи представляют собой катушку индуктивности 2 с магнитопроводом 1 (рис. 2), параметры которой изменяются под воздействием измеряемой величины х при перемещении якоря 3 (зазор δ) в соответствии с формулой

где s - сечение магнитопровода; w₁ - число витков катушки; µ_Э - эквивалентная магнитная проницаемость.

Магнитоупругие преобразователи представляют собой разновидность индуктивных преобразователей с замкнутым магнитопроводом, а индукционные - катушку, в которой наводится эдс при ее перемещении в постоянном магнитном поле.

Электромагнитные преобразователи применяют для измерения скорости, линейного и углового перемещения и других величин, предварительно преобразованных в перемещение.

Электростатические преобразователи подразделяются на емкостные и пьезоэлектрические. У емкостных преобразователей изменяется емкость под действием измеряемой величины. Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на возникновении эдс в некоторых кристаллах под действием механических сил. Конструктивное исполнение емкостных преобразователей показано на рис. 3, а. Как известно, емкость С между двумя параллельными проводящими пластинами (подвижной 1 и неподвижной 2) площадью s определяется формулой

С = ε₀ ε_r S/ δ,

где δ - расстояние между пластинами; ε₀ - диэлектрическая постоянная (8,85 *10^-12 Ф/м); ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами.

Электростатические преобразователи используются при измерении силы, давления, влажности сыпучих веществ, перемещения и количества вещества.

Действие тепловых преобразователей основано на тепловых процессах: нагрев, охлаждение, теплообмен и др. Они подразделяются на терморезйстивные и термоэлектрические. В терморезисторах используются зависимость сопротивления проводника или полупроводника от температуры. Для измерения их сопротивления применяют обычно мостовые схемы.

Действие термоэлектрических преобразователей основано на возникновении эдс при нагреве или охлаждении спая двух разнородных проводников (термопары). Для измерения термо-эдс Е применяют электроизмерительный прибор (милливольтметр). На рис. 3, б показана простейшая схема включения прибора в цепь термопары t. Точка соединения концов термоэлектродов 1 называется рабочим, концом термопары, точки 2 и 2- свободными концами. При измерениях необходимо температуру свободных концов поддерживать одинаковой и неизменной.

Тепловые первичные преобразователи применяют в основном для измерения температуры.

Существуют электрохимические, ионизационные, фотоэлектрические преобразователи и др. Они служат для измерения состава и концентрации растворов и газов, прозрачности жидкостных и газовых смесей, количества электричества, температуры и геометрических параметров.

Рассмотрим некоторые способы преобразования неэлектрических величин в электрические, чтобы понять общий принцип измерения неэлектрических величин электрическими методами. Часто такими методами измеряют температуру, давление, частоту вращения, расход жидкостей и газов и др. Приборы, предназначенные для измерения этих величин, имеют преобразователь - датчик, а их шкала отградуирована непосредственно в единицах измеряемых величин.

Датчик представляет собой элемент, преобразующий какую-либо физическую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Наиболее широко применяют датчики, действие которых основано на изменении электрического сопротивления, емкости, индуктивности (параметрические датчики) или на возникновении ЭДС вследствие механического, акустического, теплового, магнитного или оптического воздействия (генераторные датчики).

Параметрические датчики включают в цепь, содержащую источник тока и чувствительный измерительный прибор, который регистрирует изменение силы тока, вызванное изменением сопротивления датчика.

Реостатные датчики представляют собой специальные резисторы, изменяющие под влиянием механических воздействий на них сопротивление цепи, в которую они включены. При механическом воздействии, например, на подвижный контакт реостата сопротивление цепи и сила тока в ней изменяются, и прибор сигнализирует в итоге о степени неэлектрического воздействия.

Тензометры (проволочные датчики) изменяют электрическое сопротивление в результате деформации. Тензометры изготавливают из константана, нихрома или железохромалюминиевого сплава. Проволоку из этих материалов диаметром 0,02-0,04 мм закрепляют при помощи специального клея между двумя листами тонкой бумаги. Концы проволоки тензометра прочно соединяют с медными проводниками, с помощью которых тензометр включают в электрическую цепь. Тензометр, воспринимая механическую нагрузку, деформируется, и электрическое сопротивление проволочки изменяется.

Рис. 4. Схемы устройства индуктивных датчиков:

а- микрометрического; б - термометрического; 1 - магнитопровод; 2 - обмотка, 3-пружина.

Индуктивные датчики (рис. 4) при сжатии, растяжении, нагревании или охлаждении их сердечника изменяют свое индуктивное сопротивление. Индуктивные датчики включают в цепь переменного тока. При изменении индуктивного сопротивления датчика соответственно меняется и сила тока в цепи. Например, при действии силы F на подвижную часть сердечника (рис. 4, а) уменьшается зазор между ней и неподвижной частью сердечника, вследствие этого меняется его индуктивность, а стало быть, и значение его индуктивного сопротивления, В итоге в зависимости от силы F изменяется, сила тока в обмотке индуктивного датчика. Таким образом, с помощью индуктивного датчика по изменению силы тока можно судить о значении силы F.

Емкостный датчик (рис. 5) при механическом воздействии на него изменяет значение емкостного сопротивления, в результате чего соответственно изменяется сила тока в цепи, в которую он включен. Например, при действии силы F на обкладку конденсатора (рис. 5, а) изменяется расстояние между его обкладками, а значит, и емкость конденсатора. Изменение емкости конденсатора вызывает соответствующее изменение ого емкостного сопротивления, а в итоге - изменение силы тока в цепи емкостного датчика. Таким образом, по изменению силы тока в цепи, в которую включен емкостный датчик, можно судить о значении силы F.

К генераторным датчикам относятся термопара, микромашина постоянного тока (при изменении скорости вращения вала якоря машины постоянного тока изменяется значение ЭДС индукции), фотоэлектрический датчик (под действием падающего на фотоэлемент света возникает электрический ток, регистрируемый чувствительным прибором). Широко применяют также пьезоэлектрические и другие генераторные датчики. Генераторные датчики включают в цепь без самостоятельного источника питания, так как они сами вырабатывают электрическую энергию.

Рис. 5. Схемы устройства емкостных датчиков:

а - при механическом воздействии на обкладку конденсатора; б - при механическом воздействии на электрод, расположенный между обкладками конденсатора

электрический магнитный облучатель ионизация

Рабочим электротехнических профессий нередко приходится пользоваться тахометром - прибором, предназначенным для измерения частоты вращения. Рассмотрим устройство и действие магнитоиндукционного тахометра (рис. 6).

Ось тахометра 5 соединена с постоянным магнитом 7. Если присоединить ось тахометра к валу машины, например электродвигателя, то при вращении вала магнитное поле постоянного магнита будет пересекать алюминиевый колпачок 8. Вследствие этого в колпачке возникнут вихревые токи; значение силы этих токов зависит от частоты вращения оси тахометра, а значит, и от частоты вращения вала машины. Благодаря взаимодействию магнитных полей, создаваемых постоянным магнитом и вихревыми токами, индуцируемыми в алюминиевом колпачке, последний поворачивается и приводит в движение указательную стрелку 10, соединенную с осью колпачка. Таким образом, угол отклонения стрелки пропорционален частоте вращения вала машины. Магнитоиндукционные тахометры просто устроены и надежны в эксплуатации. Есть также тахометры, внутри которых вмонтирована микромашина постоянного или переменного тока и чувствительный электроизмерительный прибор, отградуированный непосредственно в единицах частоты вращения. Применяют и более сложные по устройству, но зато и более точные тахометры.

Измерение неэлектрических величин электрическими методами получило широкое распространение в промышленности, на транспорте и во многих других случаях. С применением этих методов связано также осуществление автоматического контроля и управления.