Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Контрольные вопросы: 1. По какому принципу классифицируется осциллографы? 2. Основные функциональные части электронно-лучевого осциллографа? 3. В чем заключается широкое применение осциллографов? 4. Принцип работы электронно-лучевой трубки? 5. Для измерения каких электрических величин может быть применен осциллограф? 6. Что называется синхронизацией частот при измерении электрических величин с помощью ЭЛО? Лекция 12. Измерение неэлектрических величин. Датчики неэлектрических величин. Преобразователи неэлектрических величин в электрические и их классификация Измерение неэлектрических величин Неэлектрические величины приходится измерять при научных исследованиях, например при изучении новых физических явлений, космоса, океана, недр земли, при определении состава и свойств веществ и новых материалов, при контроле и управлении технологическими производственными процессами, при контроле качества выпускаемой продукции и т. д. В измерении большого числа неэлектрических величин нуждается сельское хозяйство, медицина, служба охраны окружающей среды. Перечень различных электрических средств измерений, выпускаемых промышленностью и предназначенных для измерения неэлектрических величин, весьма обширен. 60 Ввиду большого разнообразия как выпускаемых средств измерений, так и числа неэлектрических величин, которые необходимо измерять, невозможно рассмотреть измерения всех или даже значительного числа этих величин. Поэтому здесь рассматриваются измерения только некоторых величин, наиболее часто встречающихся в промышленности и при научных исследованиях. Например, необходимость измерения температуры, определение концентрации газообразных и жидких сред, давления жидкостей и газов встречается в химических производствах, в газовой и нефтяной промышленности, металлургии, теплоэнергетике, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, медицине, в службах охраны окружающей среды и т. п. Датчики неэлектричесих величин Для электрических измерений не электрических величин применяются специальные датчики. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Основной квалификационной характеристикой является заложенный физический принцип измерения и построения датчиков. Резистивные датчики – преобразуют измеряемую величину в омическое сопротивление. Наиболее часто такие датчики применяются для измерения перемещений, для измерения уровня жидкости и пр (см. рисунок 12.1). На первом этапе измеряемая величина преобразуется в перемещение движка переменного резистора. Общий вид и рабочие характеристики резистивного датчика показаны на рисунке. Рисунок 12.1 – Резистивный датчик При этом R1+R2=R 0 Если обозначить Х- угловое или линейное перемещение движка тогда: Резистивные преобразователи применяются в системах, где прилагаемое усилие 10 -2 Н. Величина перемещения 2 мм. Частота питания 5 Гц. Тензодатчики – используют для исследования механических напряжений. Простейший тензодатчик представляет из себя пленку с наклеенной на нее проволокой очень маленького диаметра 0.02…0.03 мм. Ширина наклейки – а; длина проволоки – l. Датчик крепится к исследуемой поверхности. При 61 деформациях изменяется длина провода и, следовательно его сопротивление. По этим изменениям судят о деформациях объекта. Рисунок датчика приведен ниже (см. рисунок 12.2). Рисунок 12.2- Общий вид тензодатчика Пьезо резистивные преобразователи сил давления и деформации. Устройство датчика следующее: между металлизированными обкладками находится пьезо чувствительный элемент. Если приложить силу к обкладкам, сопротивление элемента будет изменяться (на практике это изменения бывают в несколько раз). По изменению сопротивления судят о приложенной силе или деформации. Устройство датчика показано на рисунке 12.3. Рисунок 12.3 - Устройство пъезо датчика Размеры датчика: высота <5мм, площадь до 10 см 2 . Статическое сопротивление Rстат=10…10 8 Ом. Магнитоупругие датчики – применяют для измерения больших сил (F=10 5 …10 6 Н). Датчик устроен следующим образом: В диэлектрическом материале большой твердости залиты две взаимно перпендикулярные катушки. Если на первую катушку подать переменное напряжение, на второй катушке будет индуцироваться ЭДС равная нулю. В случае приложения к датчику силы, происходит деформация материала, в следствие чего изменяется пространственное положение катушек и на второй катушке появляется ЭДС отличная от нуля. Устройство датчика показано на рисунке 12.4. 62 Рисунок 12.4- Устройство магнитоупругих датчиков Электромагнитные датчики перемещения и деформаций Принцип действия этих датчиков основан на взаимодействии магнитных потоков. О величине перемещения или деформации судят по изменению тока в катушке индуктора. Различные схемы электромагнитных датчиков приведены на рисунке. На рисунке а показан датчик линейных перемещений. На рисунке б – угловых перемещений. Для повышения точности измерений применяют трансформаторную схему подключения (см. рисунок 12.1, в) и дифференциальную схему (рисунок 12.5,г). Рисунок 12.5 - Электромагнитные датчики перемещения и деформаций. Преобразователи неэлектрических величин в электрические и их классификация По назначению ИП делятся на преобразователи механических, тепловых, химических, магнитных, биологических и других физических величин. Принцип действия генераторного преобразователя основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии. Наиболее важные из этих физических эффектов, используемых для построения генераторных преобразователей, приведены в таблице 12.1. 63 Таблица 12.1 – Генераторные преобразователи Принципы их технической реализации датчиков иллюстрируют схема приведенная на рисунке 12.6. Рисунок 12.6 - Классификация измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические 64 По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические. Генераторные Параметрические Электромагнитные Тахогенераторы Индуктивные и магнито - упругие Тепловые Термопары Терморезисторы Оптические Фотоэлемент Фоторезистор, фотодиод, и.т.д. Преобразователь, реализующий термоэлектрический эффект (термопара), содержит два проводника М1 и М2 различной химической природы (см. рисунок 12.7 ,а). Рисунок 12.7 - Примеры использования физических явлений для построения генераторных преобразователей эффекты: а - термоэлектрический; б - пироэлектрический; в — пьезоэлектрический; г - электромагнитной индукции; д - фотоэлектрический; е – Холла Если температуру одного 01 места соединения (спая) проводников сделать отличной от температуры 02 другого, то в цепи появится термоЭДС, являющаяся разностью функций температур спаев. ТермоЭДС Е будет пропорциональна измеряемой температуре 01 при постоянной температуре 02 (соответствующий нерабочий спай термопары помещен в среду с постоянной температурой, равной, например, 0°С). 65 В преобразователе с пироэлектрическим эффектом определенные кристаллы, называемые пироэлектриками (например, триглицин сульфата), испытывают спонтанную электрическую поляризацию, зависящую от их температуры. В этом случае на двух противолежащих поверхностях преобразователя появляются электрические заряды противоположных знаков, пропорциональные этой поляризации (см. рисунок 12.7,б). Поглощенный кристаллом поток излучения приводит к росту его температуры и соответствующему изменению поляризации, которое определяется по изменению напряжения на зажимах конденсатора. В преобразователе с пироэлектрическим эффектом изменение механического напряжения в кристалле пироэлектрика, например кварца, приводит к деформации, вызывающей появление на противолежащих гранях кристалла одинаковых по величине электрических зарядов противоположного знака (см. рисунок 12.7,в). Таким образом, измерение силы или приводимых к ней величин (давление, ускорение) осуществляется измерением напряжения между зажимами пироэлектрика. В преобразователе, использующем явление электромагнитной индукции, при перемещении проводника в постоянном магнитном поле возникает ЭДС, пропорциональная скорости его перемещения и значению магнитного потока (см. рисунок 12.7,г). При воздействии переменного магнитного поля на неподвижный замкнутый контур в нем индуцируется ЭДС, равная по значению (и противоположная по знаку) скорости изменения магнитного потока. При перемещении источника магнитного поля (например, магнита) относительно неподвижного контура в нем также будет возбуждаться ЭДС. Таким образом, измерение ЭДС электромагнитной индукции позволяет определить скорость перемещения объекта, механически связанного с подвижным элементом электромагнитного преобразователя. В преобразователях используется и фотоэлектрические эффекты, различные по своим проявлением, но объединенные общей причиной их возникновения – освобождением электрических зарядов в веществе под действием светового или, в более общем случае, электромагнитного излучения, длина волны которого меньше некоторого порогового значения, являющегося характеристикой чувствительного материала (см. рисунок 12.7,д). Преобразователь на основе фотоэлектромагнитного эффекта. Приложение магнитного поля, перпендикулярного падающему излучению, вызывает в освещенном полупроводнике появления электрического напряжения в направлении по нормали к полю и падающему излучению. Фотоэлектрические эффекты являются основой фотометрии и обеспечивают передачу информации, носителем которой является свет. Преобразователь на основе эффекта Холла. При пропускании электрического тока через образец (пластину) полупроводника, находящийся в однородном магнитном поле (вектор магнитной индукции B составляет угол с направлением тока I), в направлении, перпендикулярном полю, возникает ЭДС U x sin B I н K x U 66 где К Н - зависит от типа проводимости и размеров пластины (см. рисунок 12.7, е). Преобразователь Холла используют для измерения перемещении объектов, а так же величин преобразуемых в перемещении, например давления. Постоянный магнит преобразователя механически связывают с объектом, и при смещении магнита пропорционально изменяется выходное напряжения преобразователя (при этом ток постоянен). Параметрические преобразователи В параметрических преобразователях некоторые параметры выходного комплексного сопротивления могут изменяться под воздействием измеряемой величины. Комплексное сопротивление преобразователя, с одной стороны, обусловлено геометрией и размерами его элементов, а с другой - свойствами материалов: удельным сопротивлением, магнитной проницаемостью и диэлектрической постоянной. Изменения комплексного сопротивления могут быть, таким образом, вызваны воздействием измеряемой величины либо на геометрию и размеры элементов преобразователя, либо на электрические и магнитные свойства его материала, либо, что реже, на то и на другое одновременно. Геометрические размеры преобразователя и параметры его комплексного сопротивления могут изменяться, если преобразователь содержит подвижный или деформирующийся элемент. Каждому положению подвижного элемента преобразователя соответствует определенное комплексное сопротивление, и измерение его параметров позволяет узнать положение элемента. На этом принципе работает большое число преобразователей положения и перемещения объектов: потенциометрических, индуктивных с подвижным сердечником, емкостных. Деформация является результатом действия силы (или величины, с ней связанной, - давления, ускорения) на чувствительный элемент преобразователя. Изменение комплексного сопротивления преобразователя, вызванное деформацией чувствительного элемента, вызывает изменение соответствующего электрического сигнала в специальной измерительной схеме, в которую этот преобразователь включают. Электрические свойства материала и состояние чувствительного элемента преобразователя зависят от переменных физических величин: температуры, давления, влажности, освещенности и т.д. Если меняется только одна из величин, а остальные поддерживаются постоянными, то можно оценить существующее однозначное соответствие между значениями этой величины и комплексным сопротивлением преобразователя. Это соответствие описывается градуировочной кривой. Зная градуировочную кривую, по результатам измерения комплексного сопротивления можно определить соответствующее значение измеряемой величины. В таблице 12.2 приведен ряд физических эффектов, связанных с преобразованием неэлектрических величин с помощью параметрических 67 преобразователей. Среди них следует специально отметить резистивные преобразователи. Полное сопротивление параметрического преобразователя и его изменения можно измерить, включив преобразователь в специальную электрическую цепь, содержащую источник питания и схему формирования сигнала. Наиболее часто используются измерительные схемы следующих видов: - потенциометрическая схема, содержащая соединенные параллельно источник напряжения и преобразователь-потенциометр; - мостовая схема, разбаланс которой характеризует изменение комплексного сопротивления преобразователя; - колебательный контур, включающий в себя полное сопротивление преобразователя (при этом контур является частью генератора колебаний и определяет его частоту); - операционный усилитель, в котором сопротивление преобразователя является одним из элементов, определяющим коэффициент его усиления. Таблица 12.2 - Физические эффекты, связанные с преобразованием неэлектрических величин с помощью параметрических преобразователей Комбинированные преобразователи При измерениях некоторых неэлектрических величин не всегда удается преобразовать их непосредственно в электрическую величину. В этих случаях осуществляют двойное преобразование исходной (первичной) измеряемой величины в промежуточную неэлектрическую величину, которую преобразуют затем в выходную электрическую величину. Совокупность двух 68 соответствующих измерительных преобразователей образует комбинированный преобразователь (см. рисунок 12.8). Подобные преобразователи удобны для измерения механических величин, вызывающих в первичном преобразователе деформацию или перемещение выходного элемента, к которым чувствителен вторичный преобразователь. Давление, например, можно измерить с помощью мембраны, служащей первичным преобразователем, деформация которой преобразуется в электрическую величину преобразователем, реагирующим на механическое смещение. Рисунок 12.8- Структурная схема комбинированного преобразователя. Индукционные измерительные преобразователи Принцип действия генераторного преобразователя основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии. Индукционным измерительным преобразователем называется преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется потокосцепление катушки с внешним по отношению к катушке магнитным полем: S B w Ф w где w – число витков катушки; Ф – проходящий через катушку магнитный поток; S - площадь поперечного сечения катушки; B – магнитная индукция. При этом в катушке наводится ЭДС: dt d E ЕДС в катушке может наводиться при изменении во времени любой из перечисленных величин w, S, B. В качестве примера рассмотрим преобразователь, которой представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка ( см. рисунок 12.9). 69 Рисунок 12.9 – Индукционный измерительный преобразователь При движении катушки в направлении Х изменяется площадь сечения катушки, находящейся в магнитном поле, X b S Это приводит к изменению потокосцеплении S b B w Ф w и в катушке наводится ЭДС: dt dX b B w dt d E Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной dt dX или угловой dt d скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они преобразует механическую энергию линейного или углового перемещения катушки в электрическую энергию. Преобразователи скорости и вибрации Индукционные преобразователи генерируют ЭДС только при перемещении катушки в магнитном поле. По этой причине преобразователи этого типа могут служить для преобразования линейной скорости в ЭДС при небольших линейных перемещениях. Они обычно применяются для измерения скорости вибрации, когда ее амплитуда не превышает нескольких сантиметров. Одно из конструктивных решений преобразователя скорости вибрации показано на рисунке 12.10,а. Преобразователь имеет кольцевой магнит I, расположенный внутри стального ярма 2. Магнитный поток от постоянного магнита проходит по центральному цилиндрическому сердечнику через воздушный зазор и полюсной наконечник 3 с цилиндрической расточкой. В цилиндрическом воздушном зазоре находится намотанная на каркас измерительная катушка 4, которая может перемещаться в воздушном зазоре вдоль оси преобразователя 70 Рисунок 12.10 - Примеры индукционных преобразователей а - преобразователь линейных вибраций; б - преобразователь угловых вибраций Измерительную катушку 4 условно можно разделить на три части (см. рисунок 12.10,а). Часть I находится вне магнитопровода и магнитный поток в нее не заходит, т.е. ЭДС в этой части катушки не индуцируется. Часть II находится в воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и цилиндрическим сердечником. Магнитный поток, пронизывающий витки этой катушки, не изменяется во времени, число витков также остается постоянным. В этой части катушки ЭДС также не наводится. Часть Ш катушки находится вне воздушного зазора, но внутри магнитной системы. Магнитный поток, проходящий через витки этой катушки, также постоянен, но при вибрации катушки изменяется число витков. Изменение числа витков приводит к изменению потокосцепления и наводит ЭДС. Витки катушки обычно наматываются равномерно. При этом ЭДС преобразователя пропорциональна скорости вибрации. Индукционные преобразователи могут применяться и для измерения угловой виброскорости. Схема такого преобразователя показана на рисунке 12.10,6. Он состоит из постоянного магнита 1, полюсных наконечников 2, цилиндрического стального сердечника 3 и катушки 4. Устройство преобразователя аналогично устройству магнитоэлектрического измерительного механизма. При повороте катушки вокруг оси сердечника ее потокосцепление с полем постоянного магнита изменяется и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная угловой скорости перемещения объекта измерения. |