Косвенные методы измерения. Измерительные преобразователи

При косвенном методе измерения, измеряемая величина определяется посредством известных законов или закономерностей, используя определенные формулы. Чаще всего этот метод применяется, когда необходимо определить неэлектрическую величину: время, температуру, скорость, силу, ускорение, перемещение, силу света и др. Для этого необходимо преобразовать неэлектрическую величину в электрическую с помощью преобразователей. Измерение неэлектрических величин электрическими методами представляет, собой обширную область измерительной техники. Лабораторные работы по не электрическим измерениям проходят студенты 3-4 курса в лабораториях № 220,218. Широкое применение электрических методов для измерения неэлектрических величин объясняется возможностью непрерывного измерения и регистрации измеряемой величины возможностью проводить измерения на расстоянии с высокой точностью и чувствительностью измерений, и широким диапазоном значений измеряемой величины. В большинстве случаев электрические измерения неэлектрических величин сводится к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину, измеряя которую получаем возможность определения искомой неэлектрической величины.

Элемент измерительного устройства, предназначенный для преобразования неэлектрической величины в электрическую называется измерительным преобразователем. Преобразователи можно разделить на 2 группы: пассивные и активные или соответственно параметрические и генераторные. В преобразователях 1-й группы измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в один из электрических параметров; сопротивление, индуктивность, емкость, для измерения которой необходимо применение источника питания. В соответствии, с чем эти преобразователи подразделяются на следующие группы. Рассмотрим емкостный преобразователь. Ёмкостные преобразователь представляет собой плоский конденсатор, емкость которого С= Sεε₀ / δ зависит от площади электродов, их взаимного расположения, расстояния между ними, а также от размеров диэлектрика и его диалектической проницаемости. Эти преобразователи могут применяться для измерения различных неэлектрических величин, значение которых может быть связано с изменением одной из указанных выше величин, определяющих емкость преобразователя.

Рис.37. Принцип работы Рис. 38. Схема емкостного динамометра и манометра преобразователя

Емкостные динамометры и манометры работают на принципе изменения воздушного зазора δ (рис.37) между двумя пластинами конденсатора под действием измеряемой силы или давления Р.

На рис.38 показан принцип устройства преобразователя прибора для измерения толщины резиновой ленты. Испытываемая лента протягивается между двумя неподвижными электродами конденсатора.

При неизменной толщине ленты постоянной будет и емкость конденсатора. При изменении толщины ленты будет изменяться воздушный зазор и, благодаря различным величинам диэлектрической проницаемости резины и воздуха, будет изменяться и емкость преобразователя.

Емкость С- является функцией расстояния d между электродам и, площадью электродов А и диэлектрической проницаемостью δ диэлектрика между электродами

С = Е*А/d,

таким образом, с=с(d, А, s).

Очевидно, имеем три варианта реализации емкостного датчика смещения: можно изменять d, А, Е. Эти три варианта проиллюстрированы на рисунке 39.

 

Включение по схеме а: не меняем датчик. Передаточная функция гиперболическая. Такая схема пригодна для малых перемещений без контакта с

измеряемым объектом.

 

 

Рисунок 39. Варианты реализации емкостного датчика смещения.

Включение по схеме б: этот тип датчика реализуем в виде поворотного конденсатора для измерения угловых смещений. Хорошая линейность.

Включение по схеме в: этот тип датчика линеен. Он реализует как в форме концентрических цилиндров, так и используется для измерения уровня жидкости в резервуаре. Непроводящая жидкость играет роль диэлектрика.

Пример измерения схемы Б: измеряем d через угол закрутки.(табл.2)

Таблица 2 Зависимость емкости С от угла закрутки ά

Преобразователи контактного сопротивления.

В основу работы этих преобразователей положена зависимость контактного сопротивления под воздействием измеряемой величины. Они применяются для измерения механических деформаций, давления и т.д.

Эти преобразователи выполняются или с угольными шайбами, или с тензолитовой нитью. В первом случае преобразователь представляет собой столбик из 10-15 угольных шайб (рис. 40), зажатый между двумя латунными дисками-стержнями а и б.

Рис.40 Преобразователь Рис.41 Зависимость сопротивления Рис.42 Диф. с угольными шайбами .

Электрическое сопротивление такого столбика зависит от степени его сжатия (рис.41), так как при этом изменяется переходное сопротивление между шайбами. Это дает возможность по изменению электрического сопротивления столбика определить измеряемую силу P, действующую на стержень б.

Применение двух угольных столбиков (рис. 42), при воздействии на которые измеряемая сила Р вызывает увеличение сжатия одного из них и уменьшение сжатия другого, увеличивает точность измерений.

Включая два столбика и два смежных плеча одинарного моста, можно устранить влияние температуры на результат измерений.

Тензолит представляет собой смесь графита с бакелитом. Отрезки тонкой тензолитовой нити (с заделанными в ее концы медными выводными проводами) приклеиваются по всей длине к тонкой бумаге, которая в свою очередь наклеивается на испытываемую деталь, механическое напряжение в которой нужно измерить.

Наклейка должна быть такой, при которой все деформации испытываемой детали будут передаваться нити. Тогда при сжатии сопротивление нити будет уменьшаться за счет увеличения контакта между частицами графита, а при растяжении, наоборот, - увеличиваться.

Относительное изменение сопротивления тензолитовой нити пропорционально относительной деформации, т.е.

Δr/r =k*(Δl/l)

Где k- относительная чувствительность (k= (Δr/r)/ (Δl/l)).

Сопротивление тензолитовых преобразователей обычно составляет несколько сот Ом.

Проволочные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации. Применение тоже самое, что и у преобразователей контактного сопротивления.

Преобразователи термосопротивления. В основе работы этих преобразователей лежит зависимость температуры от сопротивления его при тепловом равновесии не только от тока, но и от ряда физических величин определяющих окружающую среду. Термосопротивления применяются для измерения температуры, скорости, давления воздуха, для измерения вакуума.

Электролитические преобразователи. В основе их работы положена зависимость электрического сопротивления, раствора электролита от его концентрации. Применяют для измерения концентрации растворов электролита, для количественного анализа жидкостей и газов, растворимых в жидкости.

Магнитоупругие преобразователи. В основу работы этих преобразователей положена зависимость магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника преобразователя, следовательно, и индуктивного сопротивления преобразователя от механических напряжений, действующих на сердечник. Они примеряются для измерения механических величин.

Рис 43 Схема индуктивного микрометра.

Индуктивные преобразователи. В основу работы этих преобразователей положено изменение индуктивности преобразователя, вызванное изменением положения любой из частей преобразователя под действием измеряемой величины. Они применяются для измерения механических величин (давления, линейного перемещения и т.д.).

На рис. 43 в качестве примера показано устройство дифференциального приемника индуктивного микрометра.

В корпусе 1 из немагнитного материала помещены два сердечника 2 и 3 из мягкой стали с расположенными в них двумя катушками 4. На оси 5 укрепляют якорь 6 из мягкой стали. Один конец оси образует мерительную ножку

7, а другой упирается в пружину 8. Диаметр приемника около

50, а высота 90 мм.

При отклонении измеряемого размера от заданного значения якорь перемещается,

вследствие чего изменяется индуктивность катушек на шкале прибора, включенного в измерительную диагональ моста переменного тока, непосредственно отсчитывается значении измеряемой величины.

Рисунок 44 Наиболее часто применяемые электрические схемы с реостатными преобразователями с логометрами.

Фотоэлектрические преобразователи. Они бывают и генераторными и параметрическими. В основу работы этих преобразователей положено получение фототока f определяемого световым потоком, зависящим от измеряемой неэлектрической величины или получения импульсов фототока, частота которых зависит от измеряемой величины. Они применяются для измерения линейных размеров. Измерения температур, прозрачности, мутности жидкости и газовой среды.

Ионизационные преобразователи. В основу работы этих преобразователей положена зависимость ионизационного тока от ряда факторов. Они применяются для анализа газа и определения его плотности, а так же для определения геометрических размеров изделий и т.д.

Реостатные преобразователи. В основу работы положена зависимость сопротивления реостата от измеряемой неэлектрической величины, воздействующей на его движок. Они применяются для измерения уровня и объема жидкости, для измерения перемещения. Эти преобразователи представляют собой реостат, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины, отсюда величина сопротивления реостата R зависит от измеряемой величины х по формуле: R=f(х). Таким образом, по найденному значению R можно определить х, наиболее часто применяемые электрические схемы с реостатными преобразователями показаны на рисунке 44

Логометр – прибор, угол отклонения стрелки которого реагирует на отношение токов протекающих в рамках, т.е. α = I₁/I₂.

Преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в ЭДС, называются генераторными. В зависимости от характера ЭДС эти преобразователи подразделяются на следующие группы:

1. Индукционные.

2. Термопреобразователи (термопары).

3. Фотопреобразователи.

4. Пьезоэлектрические.

Индукционные преобразователи. В индукционном преобразователе измеряемая физическая неэлектрическая величина преобразуется в индукционную ЭДС.

В качестве примера рассмотри устройство индукционного тахометра – прибора для измерения скорости вращения.

Рис.45Схема индукционного Рис.46 Устройство тахометра с тахометра вращающимся полем.

 

 

Он представляет собой (рис.45) маленькую магнитоэлектрическую машинку, напряжение на зажимах которой изменяется пропорционально скорости вращения якоря, расположенного между полюсами постоянного магнита. Так как якорь тахометра при помощи гибкого вала связан с валом машины, скорость которой будет измеряться, то напряжение на зажимах якоря будет пропорционально скорости вращения. Это напряжение подводится к измерителю магнитоэлектрической системы, шкала которого непосредственно градуируется в значениях скорости вращения.

На рис.46 показана схема устройства индукционного тахометра с вращающимся магнитным полем.

Он состоит из алюминиевого диска 1, укрепленного на одной оси со стрелкой 2. Постоянный магнит NS при помощи гибкого вала связан с валом машины, скорость которой измеряется.

При вращении постоянного магнита магнитное поле его, пересекая диск, будет индуктировать в диске ЭДС и в диске возникнут вихревые токи.

Вращающий момент, созданный взаимодействием вихревых токов с полем магнита, вызывает поворот диска на угол, при котором он уравновешивается моментом пружины 3. Таким образом, каждой скорости вращения соответствует определенный

угол поворота указательной стрелки, что дает возможность на шкале прибора наносить значения скорости вращения.

Рис.47 Схема термоэлектрического пирометра.

Термоэлектрические преобразователи. Устройство, состоящее из термоэлектрического преобразователя и измерительного механизма, предназначенное для измерения температур, называется термоэлектрическим пирометром.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, соединенную с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы (рис. 47).

При нагревании рабочего конца термопары возникает термо – Э.Д.С., величина, которая зависит от разности температур между рабочим и свободным концами термопары.

Если температура свободных концов остается неизменной, то термо- Э.Д.С. будет зависеть только от температуры рабочего конца термопары. Термо - Э.Д.С. вызовет в цепи измерительного ток, а следовательно, и отклонение его подвижных части, по величине которого можно судить о температуре рабочего конца термопары. Шкала измерительного механизма градуируется в значениях температуры. Рабочий конец термопары помещают в точку, температуру которой надо определить. Провода термопары должны быть достаточно длинными, с тем, чтобы свободные концы, присоединенные к соединительным проводам, находились в среде с той температурой, при которой градуировался пирометр.При измерении высоких температур незначительные колебания свободных концов термопары не вызывают заметной погрешности. При измерении же невысоких температур влияние температуры свободных концов термопары может быть значительным, и поэтому иногда для устранения этого влияния свободные концы термопары помещают в термостат с постоянной температурой.

Материалом для термопар служат: медь - копель (до 600 град.), железо – копель (до 800 град.), хромель – копель (до 800 град.), хромель – алюмель (до 1300 град.), медь – константан (до 350 град.), платина – платинородий (до 1600 град.).

Для защищения термопары от механических повреждений и вредных воздействий горячих газов или паров термопару помещают в защитную трубку из латуни, стали, фарфора, шамота.