ГЕНЕРАТОРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Общие сведения.

В генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Термоэлектрические преобразователи.

Эти преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.

При разности температур точек 1 и 2 соединения двух разнородных проводников А и В (рис. 11-20, а), образующих термопару, в цепи термопары возникает термо-ЭДС. При неизменной температуре, например, точки соединения где — температура точки соединения Эту зависимость используют в термоэлектрических преобразователях для измерения температуры.

Для измерения термо-ЭДС электроизмерительный прибор (милливольтметр, компенсатор) включают в цепь термопары (рис. 11-20, б). Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2 — свободными концами.

Чтобы термо-ЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной.

Градуировку термоэлектрических термометров — приборов, использующих термопары для измерения температуры, производят обычно при температуре свободных концов Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры

Рис. 11-20. Термопара (а) и способ включения прибора в цепь термопары (б)

Таблица 11-1 (см. скан)

свободных концов 0 °С. При практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары обычно не равна 0 °С и поэтому необходимо вводить поправку.

Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используют в основном специальные сплавы.

В табл. 11-1 приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616-74. Для измерения высоких температур используют термопары типов ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют при измерениях с повышенной точностью. В остальных случаях применяют термопары из неблагородных металлов (ТХА, ТХК).

Статические характеристики преобразования в виде таблиц (градуировочных) и допустимые отклонения этих характеристик для стандартных термопар приведены в ГОСТ 3044-84.

Для защиты от внешних воздействий (давления, агрессивных газов и т. д.) электроды термопар помещают в защитную арматуру, конструктивно похожую на арматуру терморезисторов (рис. 11-7, б).

Для удобства стабилизации температуры свободных концов иногда термопару удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных температур свободных концов (обычно от 0 до 100 °С). Иначе говоря, удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термо-ЭДС от температуры, как и у основной термопары.

Инерционность термопар характеризуют показателем тепловой инерции (см. стр. 295). Известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет 5—20 с. Термопары в обычной арматуре имеют показатель тепловой инерции, равный нескольким минутам.

Индукционные преобразователи.

Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке, имеющеи витков, где - скорость изменения магнитного потока, сцепленного с катушкой.

Индукционные преобразователи применяют для измерения скорости линейных и угловых перемещений. Выходной сигнал этих преобразователей может быть проинтегрирован или продифференцирован во времени с помощью электрических интегрирующих или дифференцирующих устройств. После этих преобразований информативный параметр сигнала становится пропорциональным, соответственно, перемещению или ускорению. Поэтому индукционные преобразователи используют также для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений.

Наибольшее применение индукционные преобразователи получили в приборах для измерения угловой скорости (тахометрах) и в приборах для измерения параметров вибраций.

Индукционные преобразователи для тахометров представляют собой небольшие генераторы постоянного или переменного тока обычно с независимым возбуждением от постоянного магнита, ротор которых механически связан с испытуемым валом. При использовании генератора постоянного тока об

Рис. 11-21. Индукционный преобразователь

угловой скорости судят по ЭДС генератора, а в случае применения генератора переменного тока угловую скорость можно определить по значению ЭДС или ее частоте.

На рис. 11-21 показан индукционный преобразователь для измерения амплитуды, скорости и ускорения возвратно-поступательного движения. Преобразователь представляет собой цилиндрическую катушку У, перемещающуюся в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней возникает ЭДС, пропорциональная скорости перемещения.

Погрешности индукционных преобразователей определяются главным образом изменением магнитного поля во времени и при изменении температуры, а также температурными изменениями сопротивления обмотки.

Основные достоинства индукционных преобразователй заключаются в сравнительной простоте конструкции, надежности работы и высокой чувствительности. Недостаток — ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

Пьезоэлектрические преобразователи.

Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений.

Из кристалла кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси механической оси и электрической оси кристалла (рис. 11-22, а и б).

При воздействии на пластину усилия вдоль электрической оси на гранях х появляются заряды где — пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия вдоль механической оси на тех же гранях х возникают заряды где — размеры граней пластины.

Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси не вызывает появления зарядов.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения переменного давления газа показано на рис. 11-23. Давление через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3.

Рис. 11-22. Кристалл кварца (а) и пластинка (б), вырезанная из него

Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала. При воздействии давления между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов где — заряд, возникающий на пластинке кварца; — емкость преобразователя; С — емкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов; — пьезоэлектрический модуль кварца; — площадь поверхности мембраны, подверженная давлению. По разности потенциалов судят о значении давления

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца.

Рис. 11-23. Пьезоэлектрический преобразователь для измерения давления

Размеры пластин и их число выбирают исходя из конструктивных соображений и требуемого значения заряда.

Заряд, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, «стекает» по изоляции и входной цепи измерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность потенциалов на пьезоэлектрических преобразователях, должны иметь высокое входное сопротивление Ом), что практически обеспечивается применением электронных усилителей с высоким входным сопротивлением.

Из-за «стекания» заряда эти преобразователи используют для измерения только быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т. д.).

Находят применение пьезоэлектрические преобразователи — пьезорезонаторы, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты. Последний заключается в том, что если на электроды преобразователя подать переменное напряжение, то в пьезочувствительиой пластине возникнут механические колебания, частота которых (резонансная частота) зависит от толщины пластины, модуля упругости Е и плотности ее материала. При включении такого преобразователя в резонансный контур генератора частота генерируемых электрических колебаний определяется частотой При изменении значений или под влиянием механических или температурных воздействий частота изменится и, соответственно, изменится частота генерируемых колебаний. Этот принцип используют для преобразования давления, усилия, температуры и других величин в частоту.

Гальванические преобразователи.

Преобразователи основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от химической активности ионов электролита, т. е. от концентрации ионов и окислительно-восстановительных процессов в электролите. Эти преобразователи применяют для определения реакции раствора (кислая, нейтральная, щелочная), которая зависит от активности водородных ионов раствора.

Дистиллированная вода имеет слабую, но вполне определенную электрическую проводимость, что объясняется ионизацией воды по схеме При этом остается постоянной константа диссоциации где

Оно — активности ионов и воды. Химическая активность а равна произведению эквивалентной концентрации на коэффициент активности (стремящийся к единице при бесконечном разбавлении раствора).

В разбавленных растворах активность воды можно считать постоянной и тогда постоянно ионное произведение

Для чистой воды или нейтрального раствора

Если в воде растворить кислоту, образующую при диссоциации ионы то концентрация ионов в растворе станет больше, чем в чистой воде, а концентрация ионов меньше за счет воссоединения части ионов с ионами т. е. для кислого раствора а для щелочного раствора при постоянстве

Таким образом, химическая активность водородных ионов раствора является характеристикой реакции раствора. Реакцию раствора численно характеризуют отрицательным логарифмом активности ионов водорода — водородным показателем - Для дистиллированной воды активность , следовательно, водородный показатель равен 7 единицам pH.

Диапазон изменения водородного показателя водных растворов при составляет единиц pH.

Для измерения pH применяют метод, основанный на измерении электродного (пограничного) потенциала.

Если металлический электрод погрузить в раствор, содержащий его одноименные ионы, то электрод приобретает потенциал где — потенциал электрода при активности ионов металла, равной единице; — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; — валентность ионов металла; — число Фарадея; а — активность ионов металла в растворе. Аналогично ведет себя и водородный электрод.

Для получения электродного потенциала между водородом и раствором, содержащим ионы необходимо иметь так называемый водородный электрод. Водородный электрод можно создать, воспользовавшись свойством водорода адсорбироваться на поверхности платины, иридия и палладия. Обычно водородным электродом служит покрытый платиновой чернью платиновый электрод, к которому непрерывно подводится газообразный водород. Потенциал такого электрода зависит от концентрации водородных ионов в растворе.

Пр актически измерить абсолютное значение пограничного потенциала нельзя. Поэтому гальванический преобразователь всегда состоит из двух полуэлементов, электрически соединенных друг с другом: рабочего (измерительного) полуэлемента, представляющего собой исследуемый раствор с электродом, и сравнительного (вспомогательного) полуэлемента с неизменным пограничным потенциалом, состоящего из электрода и раствора с постоянной концентрацией. В качестве сравнительного полуэлемента используют водородный электрод с нормальной

Рис. 11-24. Гальванический преобразователь

постоянной концентрацией водородных ионов. При промышленных измерениях применяют более удобный сравнительный каломельный электрод.

На рис. 11-24 показан преобразователь для измерения концентрации водородных ионов. Сравнительным полуэлементом служит каломельный электрод. Он представляет собой стеклянный сосуд 4, на дно которого помещено небольшое количество ртути, а поверх нее — паста из каломели Сверху пасты налит раствор хлористого калия Потенциал возникает на границе каломель — ртуть. Для контакта со ртутью в дно сосуда впаян платиновый электрод 5. Потенциал каломельного электрода зависит от концентрации ртути в каломели, а концентрация ионов ртути, в свою очередь, зависит от концентрации ионов хлора в растворе хлористого калия.

В исследуемый раствор погружен водородный электрод Оба полуэлемента соединены электролитическим ключом, представляющим собой трубку 2, обычно заполненную насыщенным раствором и закрытую полупроницаемыми пробками такого преобразователя является функцией pH.

В приборах промышленного типа вместо рабочих водородных электродов используются более удобные сурьмяные или хингидронные электроды. Широко применяют также так называемые стеклянные электроды.

Для измерения ЭДС гальванических преобразователей в основном используют компенсационные приборы. Для стеклянных электродов измерительная цепь должна иметь высокое входное сопротивление, так как внутреннее сопротивление стеклянных электродов достигает 100—200 МОм. При измерении pH с помощью гальванических преобразователей необходимо вносить поправки на влияние температуры.