Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №3
Шрифт:
Принцип действия электролитических преобразователей сопротивления основан на практически линейной зависимости между концентрацией электролита в миллиграммах на литр и проводимостью. При постоянной концентрации электролита изменение сопротивления преобразователя может быть вызвано изменением расстояния между электродами или изменением сечения зоны проводимости, заполненной электролитом. На этом принципе основано применение электролитических преобразователей для измерения деформации и перемещения. Для уменьшения температурной погрешности электролитические преобразователи выполняют дифференциальными. Для того чтобы избежать электролиза в растворах, измерение проводимости или сопротивления раствора электролита проводят на переменном токе. Влияние поляризации электродов на результаты измерения можно уменьшить, если проводить
Емкостные преобразователи построены на использовании зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками, от площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними. Воздействие неэлектрического фактора может проявляться в изменении любого из перечисленных параметров конденсатора. Это дает возможность измерять и контролировать посредством емкостного преобразователя такие параметры среды, как влажность, однородность, концентрация, давление, сила, перемещение, толщина, качество, однородность покрытия.
Емкостные преобразователи питают высокочастотным напряжением. Это связано с тем, что преобразователи этого класса имеют небольшую емкость, а следовательно, высокое реактивное сопротивление. Поэтому при работе на низкой частоте пришлось бы значительно увеличить амплитуду питающего напряжения, что нецелесообразно. Погрешность емкостных преобразователей обусловлена изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика и размеров обкладок при изменении температуры. Эти погрешности могут быть значительно снижены, если изготовить обкладки из материала с низким коэффициентом температурного расширения (например, инвара), а также применить дифференциальную конструкцию датчика. Особое внимание приходится уделять вопросам экранирования емкостных преобразователей от воздействия внешних электрических полей.
Индуктивные преобразователи по параметрам и возможностям применения можно разделить на две группы: низкочастотные и высокочастотные. И у тех, и у других изменяется индуктивность обмотки под действием входного фактора. На низких частотах индуктивность определяется параметрами конструкции преобразователя: видом и размерами магнитопровода, магнитной проницаемостью ею материала, числом витков и диаметром провода катушки, зазором в магнитной цепи, положением подвижной части магнитопровода в катушке, концентрацией ферромагнитного материала в наружной части магнитопровода и другими параметрами. Обычно объектом воздействия входного фактора таких датчиков служат ширина зазора магнитопровода, положение катушки относительно подвижной части магнитопровода и концентрация ферромагнитного материала в наружной части разомкнутого магнитопровода. Для уменьшения погрешностей, связанных с влиянием мешающих внешних факторов (температура, электромагнитные поля и др.), обычно используют дифференциальную конструкцию датчиков.
На высоких частотах становятся существенными потери на вихревые токи, так что действующее значение индуктивности оказывается зависящим от частоты.
В практике измерений на низких частотах применяют дифференциальные трансформаторные датчики для измерения давления, усилия, перемещения, вибрации. Трансформаторные датчики с разомкнутым магнитопроводом используют для определения концентрации ферромагнитных составляющих в рудах.
При пропускании переменного тока через катушку высокочастотного индуктивного преобразователя в ней образуется высокочастотное электромагнитное поле. Если в это поле поместить проводник, то индуктивность и добротность катушки изменятся. Главное отличие низкочастотных индуктивных датчиков от высокочастотных в том, что первые реагируют на материалы, обладающие ферромагнитными свойствами, а вторые — на любые проводящие к полупроводящие материалы. Отсюда и более широкий круг применения высокочастотных датчиков, от измерения диаметра проволоки до определения концентрации электролитов.
В проводнике, находящемся в высокочастотном электромагнитном поле, возникают вихревые токи, на образование которых затрачивается часть энергии поля. Вихревые токи вызывают вторичное электромагнитное поле, направленное против первичного и поэтому ослабляющее его. А это равнозначно уменьшению добротности и индуктивности катушки преобразователя. Изменяя напряженность и частоту электромагнитного поля, можно изменять чувствительность преобразователя, приспосабливая его для исследования
тех или иных свойств среды.При конструировании высокочастотных индуктивных преобразователей особое внимание надо уделять их экранировке. Соединять датчик с электронным блоком обработки сигнала нужно высокочастотным коаксиальным кабелем, согласованным по волновому сопротивлению.
Для питания индуктивных высокочастотных преобразователей используют генераторы, стабилизированные по частоте и амплитуде выходного сигнала. Довольно часто применяют измерительные устройства на биениях частот. За измеряемый параметр, особенно при создании высокочастотных концентратомеров, обычно принимают сдвиг фазы между первичным и вторичным сигналами. Сдвиг фазы тем больше, чем выше электропроводность исследуемого материала.
Индукционные преобразователи воздействие внешнего фактора преобразуют в ЭДС индукции. Их используют для измерения вибрации, ускорения, частоты вращения и других параметров, которые удобно связывать с изменением магнитного потока во времени. ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока и числу витков провода катушки, пересекаемой им.
Различают два вида преобразователей. В одних ЭДС возникает вследствие возвратно — поступательного или вращательного движения катушки с проводом относительно постоянного магнита или электромагнита (или наоборот); в других она возникает из-за изменения зазора в магнитопроводе. Чувствительность индукционных преобразователей весьма высока. Линейность преобразования определяется инерционностью подвижных элементов: чем ниже инерционность, тем выше линейность.
Термоэлектрические преобразователи представляют собой устройства в виде одного или нескольких спаев проводников, образующих термопары, выходная ЭДС которых пропорциональна разности значений температуры в точках расположения «холодного» и «горячего» спаев.
Материалы, образующие термопары, должны, быть механически и химически устойчивыми при высокой температуре, иметь однозначную зависимость термо-ЭДС от температуры, иметь хорошую тепло- и электропроводность. Тепловая инерционность термопар в защитной оболочке колеблется в зависимости от конструкции и материала от 0,5 до 10 мин. Диаметр проводов для изготовления термопар выбирают в пределах от 0,1 до 0,5 мм. Наиболее распространены термопары металлов: медь — константан (4,15 мВ/100 °C), хромель — копель (6,95 мВ/100 °C), платина — платинородий (0,64 мВ/100 °C). Термопары — один из наиболее распространенных видов преобразователей, используемых для измерения температуры, мощности излучения ВЧ и СВЧ, скорости потока жидкости и газа и др.
В практике применяют также пьезоэлектрические, магнитострикционные электрохимические, фотоэлектрические, ферромагнитные, магнитные и другие преобразователи, но они имеют меньшее распространение, чем рассмотренные выше.
Подробно о большинстве существующих преобразователей можно узнать из книг:
1. Логинов В. Н. Электрические измерения механических величин. — М.: Энергия, 1976.
2. Смирнов А. Д. Радиолюбители — народному хозяйству. — М.: Энергия, 1978.
3. Трейер В. В. Электрохимические приборы. —М.: Советское радио, 1978.
4. Электрические измерения неэлектрических величин/Под ред. П. В. Новицкого. — Л.: Энергия, 1975.
Приложение 2
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕДНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
Из всех видов измерений неэлектрических параметров электрическими методами наибольшее распространение получили температурные измерения. Трудно найти область человеческой жизнедеятельности, где можно было бы обойтись без измерения температуры (измерение температуры различных объектов дистанционно, автоматическое регулирование температуры в сушильных шкафах, холодильниках, парниках, определение по показаниям дистанционных термометров скорости потока, расхода жидкости и т. д.).