Метрология-учебник. Задачи интенсификации производства, стоящие перед промышленностью и наукой нашей страны, требуют создания новых и совершенствования имеющихся технологических процессов и материалов, строгого контроля качества продукции

• Название: Задачи интенсификации производства, стоящие перед промышленностью и наукой нашей страны, требуют создания новых и совершенствования имеющихся технологических процессов и материалов, строгого контроля качества продукции
• Анкор: Метрология-учебник.doc
• Дата: 03.02.2018
• Размер: 1.92 Mb.
• Имя файла: Метрология-учебник.doc
• Тип: Документы; #15158
• страница: 26 из 30

4.2.11. Фотоэлектрические преобразователи

Принцип действия и основные типы преобразователей. Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е = vh, где v – частота света; h – постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота v _{гр = Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны}_{гр = с/vгр , где с – скорость света, – длинноволновым порогом фотоэффекта. Если} ><sub>гр , то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое заполнение. Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполненных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных.

Фотоэлектронный умножитель (ФЗУ) – это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 4.45. Свет падает на фотокатод ФК, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется диафрагмой Д и направляется на ускоряющий электрод</sub>- динод Э₁ . Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Э₁ , направляется на следующие диноды Э_{2 –} Э₅ , усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЗУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления R _{н. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения} R₁ – R₈ . Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10^-5 лк).

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых  _гр = 2,7мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

(4.148)

где I _{ф } фототок; U – напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис. 4.46, а. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

(4.149)

где R _т – темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R₂₀₀ – сопротивление при Е = 200лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис. 4.46, б), т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Инерционность характеризуется постоянной времени  . У сернисто-кадмиевых преобразователей  лежит в пределах 1 – 140мс, у селенисто-кадмиевых – 0,5 – 20мс.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Фотогальванические преобразователи представляют собой фотоэлектронные приборы с p-n -переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в n -слое. Это приводит к усилению их диффузии к р-n-переходу и в самом переходе. У диода, подключенного к запирающему напряжению (рис. 4.47, а), под действием света возрастает обратный ток. Вольтамперная характеристика германиевого фотодиода приведена на рис. 4.47, б. При отсутствии освещения она не отличается от характеристики обычного диода, а при освещении смещается вверх пропорционально величине светового потока.

Наиболее распространены германиевый и кремниевые фотодиоды.

Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых фотодиодов до  _гр = 2мкм, для кремниевых до  _гр = 1,2мкм).

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь подключают к запирающему напряжению (рис. 4.47, а). При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения U _нна сопротивлении R _{н. Напряжение} U _ни чувствительность можно определить по ВАХ и нагрузочной прямой (рис. 4.47, б). Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линейна. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обычно они работают в режиме, близком к короткому замыканию.

Полный ток фотодиода I можно рассматривать как сумму

(4.150)

где I _{ф – фототок, определяемый световым потоком Ф;} S – чувствительность.

Значение темнового тока I _тсильно зависит от температуры. Фотодиоды – малоинерционные преобразователи. Их постоянная времени имеет порядок 10^{-7 – 10-8} с.

В генераторном режиме фотодиод включают по схеме, приведенной на рис. 4.48, а, и он сам является источником тока. Фототок, напряжение на нагрузке U _ни чувствительность можно определить по ВАХ, приведенной на рис. 4.48, б.

Особенности применения фотоэлектрических преобразователей для измерения несветовых величин. Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях.

1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов.

2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах.

3. 
   При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.
   

Для уменьшения погрешности измерения фотоэлектрические преобразователи включаются в дифференциальные или компенсационные измерительные цепи. Дифференциальная схема с двумя фотоэлектрическими преобразователями, служащая для измерения концентрации раствора, приведена на рис. 4.49. Первый луч света от источника 1 проходит через объект измерения 2 , например через кювету с исследуемым раствором, и попадает на фоторезистор 3 . Второй луч проходит через применяемый для настройки прибора оптический клин 4 и попадает на второй фоторезистор 5 , Фоторезисторы включены в мостовую цепь, Благодаря дифференциальной схеме компенсируются температурные и другие аддитивные погрешности. Однако вследствие разброса характеристик и параметров фотоэлектрических преобразователей каналы дифференциальной цепи несколько отличаются друг от друга, и компенсация получается неполной. Достоинством схемы является ее пригодность для измерения быстропеременных величин. Инерционность прибора обусловливается инерционностью фотоэлектрических преобразователей и выходного прибора.

Меньшую погрешность имеют дифференциальные схемы с одним фотоэлектрическим преобразователем (рис. 4.50, а). По этой схеме лучи света с одного и другого каналов попеременно освещают фотоэлектрический преобразователь 1. Коммутация осуществляется с помощью диска 2 , имеющего отверстия и вращающегося с постоянной скоростью при помощи синхронного двигателя СД Световой поток, падающий на фотоэлектрический преобразователь, модулирован и изменяется во времени, как показано на рис. 4.50, б. Переменная составляющая светового потока

(4.151)

где Ф_п – световой поток, прошедший через объект измерения 3 ; Ф_о – образцовый световой поток, прошедший через оптический клин 4.

Переменная составляющая светового потока преобразуется в переменное напряжение и усиливается. В рассматриваемом приборе оба канала дифференциальной измерительной цепи различаются меньше, чем в предыдущем, и лучше компенсируются аддитивные погрешности.

Вследствие модуляции светового луча уменьшается частотный диапазон прибора, увеличивается его инерционность. При таком способе измерения измеряемый частотный диапазон ограничивается частотой модуляции, причем верхняя частота диапазона должна быть на порядок меньше частоты модуляции. В качестве оптического модулятора обычно применяется электромеханическое устройство. Его использование усложняет прибор и уменьшает надежность.

Дифференциальные оптические приборы могут использоваться как приборы с ручной компенсацией. В этом случае оптический клин соединяется со стрелкой, перемещающейся по шкале прибора. При измерении оптический клин перемещается до тех пор, пока выходное напряжение (U _выхна рис. 4.49) и переменная составляющая напряжения (U <sub>вых на рис 450, а) не будут равны нулю. При этом измерительный и образцовый световые потоки равны между собой, и по положению оптического клина можно судить о значении измеряемой величины.

В приборах с автоматической компенсацией напряжение, пропорциональное разности световых потоков  Ф, подается на реверсивный двигатель, который автоматически перемещает оптический клин в нужную сторону.</sub>

4.2.12. Ионизационные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Ионизационным называется преобразователь, преобразующий интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину. Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

На рис. 4.51, а схематически показана ионизационная камера. Она состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, заполненного газом, и металлического электрода 2 , расположенного по оси корпуса и изолированного от него изолятором 3 . Корпус служит катодом и заземлен, электрод служит анодом. При помещении камеры в пространство с ионизирующим излучением находящийся в ней газ ионизируется. Если к электродам приложить напряжение U, то ионы газа образуют ток. ВАХ камеры при некоторой постоянной интенсивности излучения приведена на рис. 4.51, б. Пока напряжение и ток малы, а количество ионов значительно больше, чем необходимо для обеспечения этого тока, ток возрастает пропорционально напряжению. С увеличением напряжения пропорциональность нарушается и при изменении напряжения от U_Aдо U_Bток не меняется. В этом диапазоне напряжений все ионы доходят до электродов и участвуют в создании тока.

Повышение напряжения не увеличивает числа носителей. При дальнейшем увеличении напряжения возрастает скорость ионов, и если оно превышает U_B , то энергия ионов становится достаточной для вторичной ионизации газа. При этом возрастает число носителей, а также и ток камеры. Ионизационные камеры работают на участке АВ ВАХ. С увеличением излучения ток камеры возрастает.

Конструкция камеры, состав и давление газа зависят от ее назначения, а также от вида и энергии ионизирующих частиц. При работе с  -частицами, имеющими малую длину пробега, источник излучения помещают внутри камеры.

Газоразрядные счетчики представляют собой ионизационную камеру, работающую при напряжении большем, чем U_Bна рис. 4.51, б. Они бывают двух типов: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера. Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный балахон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволока – анод. На цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытия – катод. Прикладываемое к электродам напряжение создает в межэлектродном пространстве поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникший под действием ионизирующей частицы или излучения в области малой напряженности, дрейфует к аноду, при этом его скорость и энергия возрастают. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, энергия возрастает настолько, что электрон становится способным сам ионизировать газ. Эта ионизация увеличивает число вторичных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 10^{3 -104} , а иногда более чем в 10⁶ раз. Газовый разряд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным газовым разрядом, он возникает при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее прекращении. Как и в ионизационных камерах, импульс тока пропорционален энергии ионизирующего излучения.

К электродам счетчика Гейгера–Мюллера подается еще большее напряжение. Под действием излучения происходят процессы, аналогичные процессам в пропорциональном счетчике. Однако в прианодной области под действием увеличенной напряженности поля энергия электронов настолько возрастает, что возникает самостоятельный коронный разряд. Возникшее ультрафиолетовое излучение выбивает из катода электроны, они ионизируют газ и поддерживают возникший разряд. Для того чтобы можно было зарегистрировать приход новой ионизирующей частицы или кванта излучения, разряд должен быть погашен. Гашение производится либо специальной схемой, которая уменьшает напряжение на счетчике, либо вследствие процессов, происходящих внутри его. Счетчики первого типа называются несамогасящимися, второго – самогасящимися. Самогасящиеся счетчики наполняются газовой смесью специального состава, которая поглощает ультрафиолетовое излучение и способствует прекращению разряда.

Импульсы тока в счетчике Гейгера-Мюллера возникают при попадании в него ионизирующих квантов или частиц. Амплитуда импульсов постоянна и от энергии ионизирующих агентов не зависит; от интенсивности излучения зависит лишь средняя частота импульсов.

Ионизационные камеры и газоразрядные счетчики могут работать в токовом или импульсном режиме. В первом измеряются средний ток преобразователя, численно равный общему заряду всех ионов, образованных за одну секунду. У ионизационной камеры ток составляет 10^{-10 – 10-15} А. Для его измерения последовательно с преобразователем включают нагрузочное сопротивление порядка 10^{9 – 1010} Ом и напряжение на нем измеряют с помощью усилителя постоянного тока. У пропорциональных счетчиков выходное напряжение имеет порядок 10В.

В импульсном режиме измеряются амплитуды импульсов тока, соответствующих каждому акту ионизации, и их частота. Амплитуда импульсов тока ионизационной камеры и пропорционального счетчика пропорциональна числу ионов и характеризует энергию, потерянную ионизирующим излучением или частицей в камере. Ионизационные камеры часто используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, имеющих малую длину пробега. При их торможении в камере амплитуда импульсов пропорциональна полной энергии частицы, частота импульсов пропорциональна интенсивности излучения.

Полупроводниковый детектор (рис. 452) – это ионизационный преобразователь, представляющий собой монокристалл полупроводника (германия) с р-i-n - переходом. Проводящий слой с собственной проводимостью (i -проводимостью) выполнен путем диффузии лития в монокристалл германия. Измеряемое излучение ионизирует слой с собственной проводимостью и увеличивает в нем число электронов и дырок, что приводит к увеличению проводимости. Под действием напряжения, приложенного к р– и n- слоям, возникает импульс тока. Число носителей, а следовательно, и амплитуда импульса тока пропорциональны энергии излучения, средняя их частота пропорциональна интенсивности. Характеристики полупроводникового детектора подобны характеристикам пропорционального счетчика.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора – твердого тела, которое под действием излучения дает вспышку света, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Яркость вспышки, а следовательно, и импульс фототока ФЭУ определяются энергией частицы или излучения, поглощенной сцинтиллятором, их средняя частота – интенсивностью излучения.

Особенности применения ионизационных преобразователей. Измерительные приборы с ионизационными преобразователями могут использовать в своей работе либо меченые атомы, либо источники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для изучения поведения веществ и тел в различных физических, химических и физиологических процессах. Их применение основано на том, что радиоактивные изотопы элементов идентичны стабильным изотопам. Радиоактивные изотопы добавляются к стабильным и участвуют в процессе наряду со стабильными. Местонахождение и количество радиоактивных изотопов определяются с помощью ионизационных преобразователей.

Приборы с источниками излучения служат для измерения неэлектрических величин, таких, как толщина материала, уровень жидкости, расход жидкости и пр. В этих приборах используется зависимость интенсивности излучения от измеряемой величины.

Приборы с ионизационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые обеспечили их распространение. Эти приборы используют радиоактивные источники, излучение которых стабильно. На излучение не влияет изменение внешних условий: температуры, давления, напряжения питания, наличие агрессивных сред и т. п. Интенсивность изменяется только вследствие естественного распада ядер радиоактивного изотопа.

Благодаря большой проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится в тяжелых эксплуатационных условиях (высокие температуры и давление, агрессивная среда и т.п.).

Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако разработка и использование высокочувствительных детекторов (сцинтилляционных и полупроводниковых) и снижение интенсивности рабочего излучения делают ионизационные приборы практически безопасными.

Приборы, использующие радиоактивные изотопы, имеют специфические источники погрешностей. С течением времени в результате естественного радиоактивного распада интенсивность излучения уменьшается, так что

(4.152)

где J₀ – начальная интенсивность; Т_{0,5 –} период полураспада источника излучения.

Снижение интенсивности создает возрастающую погрешность

(4.153)

Для ее уменьшения следует периодически увеличивать чувствительность прибора.

Другая погрешность обусловливается случайным характером ядерного распада. Случайны как время распада, так и направление траектории радиоактивной частицы или кванта излучения. Случайный характер носят также захват и торможение излучения веществом ионизационного преобразователя. Вследствие этого последовательность импульсов преобразователя имеет непериодический, случайный характер. Если время подсчета импульсов мало, то количество импульсов может сильно различаться при повторении измерений даже при неизменных условиях. При увеличении времени подсчета происходит усреднение, и относительная вариация показаний прибора и погрешность уменьшается.

4.2.13. Электрохимические преобразователи

Электролитические (кондуктометрические) преобразователи. Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) электропроводность возрастает. При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы; при этом количество носителей и электропроводность раствора возрастают. При малых концентрациях электролита, когда количество ионов мало, увеличение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации с в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается (рис. 4.53).

Электролитический преобразователь (рис. 4.54) представляет собой два электрода 1, погруженные в раствор 2 . Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователя R обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита  :

(4.154)

Коэффициент k называется постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением  .

Электрические преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи и часто работают с автоматическими мостами. Сопротивление преобразователей сильно зависит от температуры. Для компенсации этой зависимости последовательно с электролитическим преобразователем включаются терморезисторы.

Питание моста с электролитическими преобразователями производится напряжением переменного тока с промышленной частотой или частотой в несколько килогерц. Если электролитические преобразователи питать напряжением постоянного тока, то будет происходить электролиз раствора и изменится его концентрация в приэлектродных областях. Постоянный ток производит также поляризацию электродов. То и другое явления создают погрешность.

Для повышения стабильности преобразователя его электроды должны быть химически инертны по отношения к исследуемому раствору. Они выполняются из платины, нержавеющей стали или графита. Загрязнение электродов, изменение их активной площади вызывают погрешность.

Более надежны бесконтактные электролитические преобразователи, токоведущие элементы которых изолированы от электролита. На рис. 4.55, а показан высокочастотный бесконтактный преобразователь. Он представляет собой стеклянную трубку с тремя цилиндрическими камерами, через которую протекает исследуемый раствор. На внешнюю цилиндрическую поверхность камер наносится металлическое покрытие, служащее электродом. Два крайних электрода 1, 2 соединены вместе и заземлены, средний электрод 3 подключается к измерительной цепи. Эквивалентная схема приведена на рис. 4.55, б. На этой схеме R₁ и R₂ – сопротивления раствора в левой и правой трубках; С_р1 и С_р2 – емкости раствора в соответствующей трубке; С₁ , С₂ , С₃ – емкости между соответствующим электродом и раствором. В конденсаторах С_р1 и С_р2 - диэлектриком служит раствор, в конденсаторах С₁ , С₂ , С₃ – стекло. Преобразователь питается напряжением с частотой несколько мегагерц.

Гальванические преобразователи. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может служить для определения их концентрации.

Конструктивно гальванический преобразователь (рис. 456) состоит из двух полуэлементов 1 и 2, которые гальванически соединены между собой электрическим ключом 3 . Полуэлемент представляет собой сосуд с раствором электролита, в который погружен металлический электрод. В одном полуэлементе находится раствор, концентрация которого измеряется, в другом – раствор с известной концентрацией. Электролитический ключ – это трубка, заполненная раствором КС1 и закрытая с двух сторон полупроницаемыми пробками из ваты или асбеста. ЭДС преобразователя Е, измеряемая между двумя электродами, определяется неизвестной концентрацией.

Большое значение имеет определение концентрации ионов водорода Н⁺ в растворах. Чистая дистиллированная вода, хотя и немного, но диссоциирована на ионы. Согласно закону действующих масс и вследствие малой диссоциации воды ионное произведение воды

(4.155)

где а_H+ и а_OH^– _– концентрация ионов Н⁺ и ОН^- , выраженные в моль/л.

Ионное произведение воды – величина постоянная, при 22 С равная 10^-14 . Если в воде растворить кислоту, то при диссоциации ее молекул концентрация ионов Н⁺ возрастает и, следовательно, уменьшается концентрация ионов ОН^- . Растворение оснований изменяет концентрации Н⁺ и ОН^- противоположным образом. Концентрация ионов водорода характеризует кислотность раствора. Кислотность влияет на протекание многих химических реакций и биохимических процессов. Единицей ее измерения служит водородный показатель

(4.156)

В качестве примера в табл. 4.3 приведены величины рН для различных концентраций соляной кислоты и едкого натра.

Приборы, служащие для измерения водородного показателя, называются рН-метрами. Их первичными преобразователями служат гальванические преобразователи, в которых роль металла играет водород, роль металлических ионов – ионы Н^+.

Типичным полуэлементом рН-метра является водородный электрод 1 на рис. 4.57. Он представляет собой стеклянный сосуд с электролитом, в который погружена пластинка, покрытая мелкодисперсной платиной (платиновой чернью). Снизу на пластинку подается газообразный водород. Он адсорбируется платиной и частично в виде ионов Н⁺ переходит в раствор. Вследствие оставшихся на пластинке электронов она имеет отрицательный потенциал относительно раствора.

Таблица 4.3. Таблица зависимости значений рН от концентрации растворов
 

Раствор электролита	Концентрация раствора, моль/л	Содержание ионов Н+ , г/л	pH
Концентрированная соляная кислота НС1	0,1	1	0
Концентрированная соляная кислота НС1	0,1	10-1	1
Разбавленная соляная кислота НС1	0,0001	10-4	4
Чистая вода (нейтральный раствор)	-	10-7	7
Разбавленная щелочь  NaOH	0,0001	10-10	10
Разбавленная щелочь	0,01	10-12	12

Для измерения кислотности используют два полуэлемента. Один полуэлемент 1 заполняется электролитом с известной концентрацией, другой 2 – электролитом, значение рН которого нужно измерить. Развиваемая между электродами разность потенциалов Е определяется выражением

(4.157)

где С – постоянная; Т – температура, К, (a_H⁺)_x – измеряемая концентрация ионов Н^{+, (a}_H⁺⁾₀ ^– концентрация ионов Н⁺ образцового раствора.

Если в качестве образцового используется раствор с нормальной концентрацией ионов Н⁺ (1 г/л) и измерение производится при 18 С, то разность потенциалов

(4.158)

Водородный электрод позволяет измерять рН в пределах от 0 до 14 с высокой точностью. Однако через преобразователь необходимо непрерывно пропускать газообразный водород. В настоящее время имеются стеклянный, хлорсеребряный и другие рН-метры, лишенные этого недостатка.

Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно производиться при минимальном токе, поскольку при протекании тока происходит электролиз и изменяется концентрация раствора в приэлектродной области, что создает погрешность. Кроме того, при протекании тока происходит падение напряжения на довольно большом внутреннем сопротивлении преобразователя, что также вносит погрешность в измерение ЭДС. ЭДС рН-метров измеряется либо электронными вольтметрами с большим входным сопротивлением, либо с помощью потенциометров с ручным или автоматическим уравновешиванием.

ЭДС гальванического преобразователя зависит от температуры. Для уменьшения погрешности автоматические рН-метры имеют термокорректирующие цепи.

4.2.14. Датчики ГСП для измерения теплоэнергетических величин

Введение. В рамках Государственной системы приборов (ГСП) для измерения теплоэнергетических величин (температуры, давления, расхода жидкости или газа, уровня жидкости и др.) разработан комплект датчиков, состоящих из двух модулей. Один из них преобразует измеряемую физическую величину в силу или перемещение, другой – эту промежуточную величину в унифицированный электрический сигнал постоянного тока.

Модуль, преобразующий измеряемую величину, может быть агрегатно соединен с модулем, преобразующим силу или перемещение в унифицированный электрический сигнал. Первичный и вторичный модули образуют датчик.

Для преобразования промежуточной величины в унифицированный электрический сигнал наибольшее применение нашли электросиловой (с силовой компенсацией), дифференциально-трансформаторный и магнитомодуляционный датчики.

Датчики ГСП с электросиловым преобразователем (с силовой компенсацией). Схема датчика приведена на рис. 4.58. Сила F, развиваемая первичным преобразователем (модулем), через рычажную систему, состоящую из рычагов 1, 2, передается на рычаг 3 . На этом рычаге смонтирован сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5 и катушка 6 магнитоэлектрического обратного преобразователя 7 . Рычажная система преобразует силу F в силу F₁ = kF, приведенную в катушке 6 . Коэффициент k равен передаточному отношению рычажного механизма. Сила F₁вызывает перемещение якоря дифференциально-трансформаторного преобразователя x . При этом на его выходе появляется напряжение U = k₁x . Напряжение усиливается усилителем 8 и преобразуется в ток I = k₁k₂ х =S_1x , где S₁ – чувствительность прямого преобразователя, k₂ коэффициент усиления усилителя. Ток проходит через сопротивление нагрузки R _ни обмотку преобразователя обратной связи 6 . Под действием тока обратный преобразователь развивает силу, пропорциональную току I и стремящуюся уменьшить перемещение х:

(4.159)

где S₂ – чувствительность обратного преобразователя.

Обратный преобразователь развивает силу, аналогичную силе упругости обычной пружины, коэффициент W характеризует ее жесткость.

Сила F₁перемещает сердечник до тех пор, пока она не уравновесится силой обратного преобразователя F _ос. Выходной ток преобразователя

(4.160)

при равновесии пропорционален силе F₁.

Структурная схема преобразователя может быть представлена, как показано на рис. 4.5. В § 4.1.4 было показано, что если W = S₁S₂” 1, то характеристика преобразователя полностью определяется преобразователем обратной связи. Изменение характеристик прямого преобразователя 1 мало влияет на характеристики сложного преобразователя с обратной связью. Погрешность сложного преобразователя (4.49) в основном определяется погрешностью преобразователя 2 обратной связи. Когда требуется линейная функция преобразования сложного преобразователя силы в унифицированный электрический сигнал, в качестве преобразователя 2 применяется магнитоэлектрический преобразователь. Известно, что он является наиболее точным электромеханическим обратным преобразователем с линейной функцией преобразования.

В некоторых случаях, например для построения расходомеров с сужающими устройствами, требуется функция преобразования .В этом случае в качестве обратного применяется электромагнитный преобразователь. При фиксированном перемещении якоря его функция преобразования имеет вид

(4.161)

Поскольку при равновесии подвижной части F₁ = F _ос, то

(4.162)

где .

Чувствительность преобразователя силы (см. рис. 4.58) может в случае необходимости изменяться при настройке в некоторых пределах. Это изменение производится путем изменения передаточного отношения рычажного механизма посредством перемещения подвижной опоры 9 вдоль Глазного рычага 2 . Предел изменения входной силы F можно изменять от 5 до 50Н. Для коррекции нулевого положения подвижной системы и для балансировки веса деталей и узлов, присоединенных к преобразователю, имеется регулировочная пружина 10.

Диапазон изменения выходного тока составляет 0 – 5 или 0 – 20мА. Основная приведенная погрешность не превышает  0,4 или  0,6%. Погрешность не выходит за пределы основной, если сопротивление линии связи между преобразователем и нагрузкой не превышает 1кОм. Включив в качестве сопротивления нагрузки резистор с номинальным значением 2кОм или 500Ом, можно получить унифицированное значение выходного сигнала с предельным значением 10В.

На основе электросилового датчика, агрегатно подсоединяя к нему различные первичные модули, образуют датчики большого числа различных физических величин. Наиболее широкий ряд образован различными датчиками давления или разрежения: датчиками абсолютного (барометрического) и избыточного давления, разности давлений. Датчики разности давлений могут использоваться для измерения напора жидкости или газа в трубах или тяги в дымоходах. В этом случае они называются датчиками напорометров или тягомеров.

Перечисленные датчики имеют линейную функцию преобразования. Датчики разности давления могут использоваться в расходомерах с сужающим устройством. В этом случае датчик разности давлений называется датчиком расходомера. Он имеет функцию преобразования (см. § 4.3.3)

(4.163)

где k – коэффициент пропорциональности; p₁ и p₂ – давление до и после сужающего устройства.

Первичными измерительными преобразователями в перечисленной группе датчиков служат сильфоны или упругие манометрические трубки. Когда в них подается давление, они деформируются и развивают силу, воздействующую на рычаг 1. Эта сила компенсируется силой, развиваемой электросиловым преобразователем. Диапазоны измерения датчиков давления лежат в пределах от 400Па до 10кПа, классы точности 0,6 и 1,0.

На основе электросилового преобразователя разработан ряд буйковых уровнемеров. Принципиальная схема уровнемера типа УБ-Э приведена на рис. 4.59, где применены те же цифровые обозначения, что и на рис. 4.58. Буек 11 представляет собой цилиндр, погруженный в резервуар, уровень жидкости в котором нужно измерить. Эффективный вес буйка зависит от уровня его погружения, поскольку на него действует выталкивающая сила жидкости. Эффективный вес буйка с помощью рычажной системы приводится к Т-образному рычагу 1 электросилового преобразователя и уравновешивается им. Начальный вес подвижной системы уровнемера уравновешивается противовесом 12. Коррекция нуля прибора осуществляется изменением натяга пружины 10. Диаметр буйка может изменяться от 140 до 6мм, длина – от 0,04 до 16м.

В уровнемерах этого типа верхний предел измерения уровня жидкости может изменяться от 0,02 до 16м. Класс точности прибора с диапазоном измерения до 1 м составляет 1,0 или 1,5 . При большем пределе измерения он составляет 1,5.

Датчики с электросиловыми преобразователями используются и для измерения температуры (подобно манометрическим термометрам). В зоне, где необходимо измерить температуру, помещается баллон с определенным газом или жидкостью. Баллон с помощью капилляра соединяется с манометрическим элементом датчика давления. При изменении температуры изменяется давление в баллоне, капилляре и в манометрическом элементе. Изменение давления вызывает изменение выходного тока электросилового преобразователя. Диапазон измерения таких манометрических приборов лежит в пределах от 0 – 25 до 0 – 300 С. Имеются приборы с диапазоном от –50 до +150 С. Класс точности термометра может быть 1,0; 1,5; 2,5. Длина капилляра не превышает 2,5м.

Дифференциально-трансформаторные датчики. В датчиках рассматриваемого типа модуль, образующий унифицированный электрический сигнал, состоит из дифференциально-трансформаторного преобразователя и электронного блока. Структурная схема модуля приведена рис. 4.60. Входной величиной модуля является перемещение ферромагнитного якоря.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь 1 питается напряжением прямоугольной формы от электронного генератора 2.

При достаточно большой индуктивности обмоток преобразователя 1 и достаточно большой частоте питающего напряжения токи в обмотках изменяются линейно, а выходное напряжение дифференциально-трансформаторного датчика имеет форму, близкую к прямоугольной. Амплитудное значение напряжения пропорционально смещению х якоря относительно нулевого положения. В зависимости от знака смещения это напряжение может быть в фазе или в противофазе с питающим напряжением.

Выходное напряжение преобразователя 1 подается на фазочувствительный выпрямитель 3 . Это управляемый выпрямитель, причем полярность выпрямленного напряжения зависит от совпадения или несовпадения фаз входного напряжения U _вхи управляющего U _у. Управляющее напряжение подается от генератора 2 и имеет постоянную фазу. Фаза входного напряжения изменяется на 180 при изменении знака смешения якоря. Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя пропорционально смешению якоря и имеет полярность, зависящую от его направления. Это напряжение усиливается усилителем 4 и преобразуется в унифицированный токовый сигнал 0 – 5мА. Для увеличения стабильности усилитель имеет отрицательную обратную связь. Изменением глубины обратной связи регулируется максимальное значение выходного тока. Все элементы схемы питаются от сети переменного тока через источник стабилизированного напряжения 5.

На основе описанного датчика выпускается семейство датчиков давления и перепада давления, аналогичное семейству датчиков давления и перепада давления с силовой компенсацией. Зависимость тока от измеряемой величины линейная. Класс точности может быть от 0,6 до 1,5. Сопротивление линии связи может быть любым в пределах 2,5кОм. Достоинством датчиков является большой срок службы, который составляет 10 лет.

Магнитомодуляционные датчики. Схема модуля с магнитомодуляционным преобразователем приведена на рис. 4.61. Он состоит из магнитомодуляционного преобразователя (рис. 4.61, а) и электронного блока (рис. 4.61, б). Магнитомодуляционный преобразователь имеет две катушки, намотанные на кольцевые ферромагнитные сердечники. Соосно с катушками в соответствии со значением измеряемой величины перемещается постоянный магнит N – S. Его перемещение вызывает изменение индукции в сердечниках катушек и, следовательно, индуктивности катушек. Например, при перемещении сердечника вправо индукция в катушке А уменьшается, а в катушке В возрастает. При этом всоответствии с кривой намагничивания магнитная проницаемость сердечника катушки А возрастает, а у сердечника В падает. Это вызывает увеличение индуктивности катушки А и уменьшение индуктивности катушки В. Катушки А и В включены в схему моста переменного тока с выпрямителем. Выпрямленное напряжение на конденсаторе С₁ пропорционально перемещению магнита, а его полярность зависит от направления перемещения. Это напряжение усиливается усилителем постоянного тока, построенного на интегральном усилителе VT₁ и транзисторе VT₂ , и преобразуется в ток, который через линию дистанционной передачи поступает в сопротивление нагрузки R _{н. Ток} I _ос, пропорциональный току нагрузки I <sub>н, поступает в обмотку обратной связи, размещенную на магнитопроводе магнитомодуляционного преобразователя, Созданный этим током магнитный поток компенсирует изменение магнитного потока, вызванное перемещением постоянного магнита, т. е. обеспечивает действие обратной связи. Благодаря этой связи уменьшается погрешность, вызванная нестабильностью усилителя, гистерезисом магнитомодуляционного преобразователя и другими причинами.

Сопротивление нагрузки Rн вместе с сопротивлением линии связи для преобразователей с диапазоном изменения тока</sub> I _н= 0 5мА не должно превышать 2,5 кОм, а для преобразователей с I _н= 0 20мА не должно превышать 1кОм.

Магнитомодуляционные преобразователи используются для построения датчиков давления и разности давлений, аналогичных датчикам с электросиловым преобразователем.

Основная приведенная погрешность не превышает 0,6; 1,0 или 2,5 %.