8. Способы и средства первичного преобразования измеряемой физической величины

Скачать 1.53 Mb. Название 8. Способы и средства первичного преобразования измеряемой физической величины Анкор 8-10.doc Дата 05.03.2018 Размер 1.53 Mb. Формат файла Имя файла 8-10.doc Тип Документы #17457 страница 1 из 5

1   2   3   4   5 8. Способы и средства первичного преобразования измеряемой физической величины 8.1. Получение представительного отображения физической величины Представительная измеряемая величина должна отображать подлежащую измерению физическую величину (например, длину или силу) в виде вторичной величины, пригодной для дальнейшей ее обработки. Первичная измеряемая величина в общем случае изменяется во времени. Ее воспринимают чувствительные элементы средства измерения и преобразовывают в электрическую, гидравлическую или пневматическую величину на основе физического закона, однозначно определяющего связь между этими двумя величинами. Указанное преобразование может осуществляться многоступенчато. Например, механическая сила, действуя на пружину, деформирует ее; деформация пружины преобразовывается тензометром в изменение сопротивления, которое затем преобразуется при помощи мостовой схемы в изменение напряжения или силы тока. Однако и эта электрическая величина обычно еще непригодна для выдачи измерительной информации (отсчета показаний или регистрации). При дальнейшем преобразовании в другую величину или только при усилении подлежащая измерению физическая величина приводится к виду, пригодному к выдаче или дальнейшей обработке. 8.2. Погрешности отображения (преобразования) физической величины Функциональную зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента физической величиной и выдаваемым им сигналом называют его статической характеристикой. Чувствительный элемент, характеристика которого представляет собой прямую линию, называют линейным чувствительным элементом. Для такого элемента математическая зависимость между входной величиной E и выходной величиной А описывается уравнением А= А0 + KE. Для большинства чувствительных элементов А0 = 0, т. е. выходной сигнал А пропорционален входному сигналу E, и уравнение имеет вид А = К ·E. Постоянный множитель К называют ко­эффициентом передачи, чувствительно­стью или крутизной характеристики чувствительного элемента. Если ха­рактеристика отличается от линей­ной, то чувствительный элемент назы­вают нелинейнымТакой элемент об­ладает в разных точках диапазона из­мерения разной чувствительностью (или крутизной характеристики S). Ожидаемая зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента величиной и величиной, выдаваемой им на выходе, называется номинальной характеристикой. Истинная характеристика, определяемая в процессе измерений, в большей или меньшей степени отличается от номинальной. Это расхождение является систематической погрешностью измерения. Абсолютные погрешности находят по разности истинной и номинальной характеристик чувствительного элемента. Абсолютная погрешность чувствительных элементов, обладающих линейной номинальной характеристикой, называется погрешностью нелинейности (отклонением от линейности). Часто наблюдают необратимые изменения свойств чувствительного элемента, также обусловливающие возникновение погрешностей измерения. Такие изменения могут быть вызваны, например, старением, структурными изменениями, термической или механической перегрузкой, а также химическими превращениями. Это следует учитывать при выборе вида чувствительного элемента, особенно высокочувствительного. В отдельных случаях следует прибегать к иному способу измерения, обеспечивающему лучшую воспроизводимость результатов. Трение, упругое последействие пружин, гистерезис магнитных материалов, наличие люфтов могут вызвать обратимые изменения свойств чувствительного элемента. Такие изменения часто можно учесть в процессе измерения или хотя бы оценить их влияние. При расхождении ветвей характеристики, полученных при возрастании и убывании измеряемой величины, имеет место гистерезис чувствительного элемента. Медленное изменение выходного сигнала при постоянном значении поступающей на вход чувствительного элемента измеряемой физической величины называется дрейфом. Дрейф может быть вызван внешними помехами, например, изменением температуры или старением чувствительного элемента. Погрешности, вызываемые влиянием различных физических величин, должны быть исключены либо конструктивным путем (например, исключением поперечных усилий в силоизмерительных устройствах), либо компенсацией действия влияющих физических величин (в чувствительных элементах, выходной сигнал которых зависит не только от измеряемой величины, но и от других влияющих величин). Например, на тензорезисторный измеритель силы, чувствительный к колебаниям температуры, влияет также влажность окружающей среды. 8.3. Способы и средства первичного преобразования физической величины Преобразование неэлектрических величин в электрические величины может осуществляться следующими способами: 1.Активным преобразованием энергии одного вида в энергию другого вида, в результате чего вырабатываются электрические величины: напряжение, ток, заряд; 2.Воздействием на электрические величины (пассивное преобразование), требующим вспомогательной энергии: на основе непосредственного применения физических зависимостей. В частности, могут быть использованы зависимости от измеряемой величины таких физических величин, как сопротивление, проводимость, магнитная и диэлектрическая проницаемости, индуктивность, напряжение, интенсивность зарядов и излучений; путем механических воздействий. Эти воздействия позволяют изменять такие величины, как сопротивление, индуктивность, емкость; методом компенсации (таким способом можно измерять силу тока). Компенсацию можно осуществлять вручную или автоматически. Неэлектрические физические величины можно также преобразовывать в другие, не только электрические величины. 8.4. Виды первичных преобразователей Измерительное преобразование можно осуществлять непосредственно, при этом чувствительный элемент преобразует измеряемую физическую величину в величину, пригодную для дальнейшей ее обработки (например, при измерениях длин и пьезоэлектрическом методе измерения силы). В другом случае чувствительный элемент дает на выходе перемещение, преобразуемое далее в электрическую или пневматическую величину. В этом случае механо-электрическому преобразованию предшествует механо-механическое преобразование измеряемой физической величины. 8.5. Эффекты и чувствительные элементы, используемые для первичного преобразования Во многих случаях целесообразно включать перед механо-электрическим измерительным преобразователем механо-механический преобразователь масштаба или вида величин. При измерениях температур часто используют чувствительный элемент, преобразующий температуру в перемещение (за счет температурного удлинения), измеряемое затем электрически. В качестве примера могут быть названы биметаллические и манометрические температурочувствительные элементы, Усилия и удлинения могут определяться по их воздействию на частоту механического вибратора (струнный тензометр и струнный измеритель давления). На этом же принципе основано измерение плотности газов (камертонный измеритель плотности). Частота колебаний последнего измеряется электрически. 8.5.1.Чувствительные элементы с пневматическим выходным сигналом. При гидростатическом (пьезометрическом) измерении уровня через жидкость непрерывно продувают газ. Давление газа является мерой уровня жидкости в контролируемой емкости. Входной величиной данного преобразователя является уровень, т. е. линейная величина, выходной — давление газа, измеряемое механически или электрически. При измерении расходов газов и жидкостей методом перепада давлений мерой расхода является разность давлений до и после сужающего устройства. Входной физической величиной преобразователя является расход среды, выходной — перепад давлений, который можно измерить любыми методами определения давления. 8.5.2. Чувствительные элементы с электрическим выходным сигналом. Пьезоэлектрические чувствительные элементы.Принцип действия пьезоэлектрических чувствительных элементов основан на использовании свойств некоторых кристаллов образовывать на своих гранях электростатические заряды под действием упругих деформаций. Этот так называемый пьезоэффект возникает на кристаллах кварца, турмалина, сегнетовой соли (калийно-натриевая соль винной кислоты), титаната бария и некоторых других веществ. Пьезоэлектрические чувствительные элементы позволяют контролировать быстро протекающие процессы, так как заряды образуются практически безынерционно. Для измерений почти всегда применяют кварц, имеющий низкую температурную чувствительность и обладающий большим модулем упругости (81010 Н/м2), позволяющим осуществлять измерения при ничтожно малых перемещениях. Кристаллы кварца представляют собой шестиугольные призмы (рис.8.1) с продольной, называемой оптической, осью z - z, проходящей через ребра призмы электрической осью х—х и нейтральной, или механической,осью у—у, проходящей через середины противолежащих граней. Вырезанный из кварцевого кристалла прямоугольный параллелепипед (пластина), грани которого перпендикулярны осям у – у и х – х, обладает пьезоэлектрическими свойствами. Сила, направленная по оси z —zпараллелепипеда, не возбуждает электрических зарядов на его гранях. Под действием растягивающего или сжимающего усилия, направленного вдоль электрической оси x—х, на перпендикулярных этой оси гранях возникают заряды разного знака (так называемый продольный эффект). Этот заряд равен где Qx— заряд; d— постоянный коэффициент (пьезомодуль); Fx— сила, действующая на поверхность кристалла. Как видно из приведенного выше уравнения, Qxне зависит от размеров кристалла кварца. Нагрузки, действующие в направлении механической оси кристалла, вызывают возникновение заряда: где lxи ly— размеры кристалла в направлениях осей х и y. При поперечном эффекте Qyзависит от размеров кристалла. Условия прочности не позволяют получить большие заряды за счет увеличения lyи снижения lx, поэтому практически используют лишь продольный пьезоэффект. При температурах выше 500 0С пьезоэффект исчезает. Температура 537 0С, при которой структура кварца переходит в структуру, не обладающую пьезоэлектрическим эффектом, называется точкой Кюри. Для измерения электрических зарядов, возникающих на гранях кварцевой пластины, последние покрывают металлическим слоем, образуя конденсатор (рис.8.2). Так как Q = CU, то напряжение на кристалле где С0 - емкость кварца; Сs - неизбежная емкость проводов и подключенных устройств. Обычно емкость Сs превышает ем­кость пьезокристалла С0, что резко снижает полезный эффект. Поэтому Сs искусственно увеличивают параллельным соединением нескольких пластин; выбор их числа позволяет изменять диапа­зон измерения. Величина Сs учитывает и емкость кабеля, поэтому подводящие провода поставляют изготовители, а численное значение их емкости учитывают при калибровке. Поскольку каждый измеритель напряжения обладает конечным значением входного сопротивления Ri, то возбужденный на гранях кристалла заряд и соответственно напряжение снижаются по экспоненциальному закону где (С0 + Сs) - постоянная времени. По истечении времени Т напряжение U уменьшается в 1/е раз, т. е. примерно до 37 % начальной величины U. Это ограничивает возможности использования пьезокристаллов только для контроля кратковременных и быстро изменяющихся процессов. 8.5.3.Электродинамические чувствительные элементы. При изменении магнитного потока, пронизывающего обмотку, в последней индуцируется напряжение, пропорциональное числу витков N и изменению магнитного потока dФ/dt. При постоянной плотности потока В и длине проводов обмотки l напряжение пропорционально скорости их взаимного перемещения. Так как имеет значение лишь относительное (по отношению к обмотке) изменение потока, то безразлично, изменяется ли магнитный поток при неподвижной обмотке или, наоборот, обмотка переме­щается в постоянном магнитном поле. В зависимости от конструк­ции различают преобразователи с вращающейся катушкой или с вращающимся магнитным полем. Выходное напряжение чувствительного элемента с вращающейся катушкой, пропорциональное скорости ее перемещения, может быть преобразовано в величину, пропорциональную ее перемещению или ускорению, путем электрического дифференцирования или интегрирования. Значение индуцируемого напряжения определяется согласно закону магнитной индукции: , где Ф - магнитный поток; N - число витков обмотки; U - напряжение в обмотке. При постоянном магнитном потоке, направленном перпендикулярно плоскости обмотки, индуцируемое напряжение u= NBυx, где l — длина обмотки. Электродинамические чувствительные элементы применяют также для генерации импульсов. В этом случае вращающийся зубчатый ротор, набранный из стальных пластин, импульсно модулирующий магнитный поток, устанавливают в воздушном зазоре постоянного магнита. Электродинамический метод применим для измерения не только линейных, но и угловых скоростей. Подобные тахометрические генераторы создают напряжение, пропорциональное частоте вращения ротора. Вследствие трудностей, связанных с необходимостью использования коллектора и износом щеток, часто применяют тахогенераторы переменного напряжения с последующим его выпрямлением. Термопары. В соответствии с эффектом Зеебека термопара представляет собой два проводника из разнородных металлов или сплавов, два конца которых спаяны или сварены, а два другие свободны. При температуре свободных концов и температуре спая между свободными концами проволок возникает напряжение: где k - постоянный коэффициент, не зависящий от геометрических размеров и определяемый только материалом обоих проводников. Напряжение, генерируемое при , называется термоэлектродвижущей силой и составляет несколько микровольт. Практическое значение имеют следующие комбинации металлов: железо—константан, медь—константан, нихром—никель, платинородий—платина. При измерении абсолютных температур свободный спай термопары должен находиться при постоянной и известной температуре (для лабораторных измерений применяют заполненный тающим льдом сосуд Дьюара). При непрерывных измерениях применяют термостаты с постоянной температурной уставкой, превышающей максимально возможную температуру окружающей среды, во избежание необходимости охлаждения. Характеристики термопар Входная величина: температура. Выходная величина: напряжение. Диапазон измерения: для термопар из неблагородных металлов от 200 до 700 0С, для термопар из благородных металлов от 0 до 1500 0С. Погрешности измерения: ±(2  0,5) % конечного значения шкалы. Фотодиоды.В фотодиодах преобразование светового потока осуществляется за счет фотоэффекта в запирающем слое р—n-перехода. При освещении р—n-перехода на нем возникает напряжение. Для измерений наиболее широко используют селеновый фотоэлемент. При освещении на клеммах фотоэлемента возникает электрическое напряжение U0; одновременно снижается его внутреннее сопротивление Ri. При соединении фотоэлемента с внешним сопротивлением Ra в цепи появляется фототок: Установлено, что ток короткого замыкания пропорционален освещенности Е, хотя U0 и Ri являются нелинейными функциями. Спектральная характеристика селенового элемента близко совпадает с характеристикой глаза. 8.5.4. Пассивные чувствительные элементы. Резистивные чувствительные элементы. Омическое сопротивление проводника, обладающего длиной l, площадью сечения q и удельным сопротивлением материала , определяется по известной формуле R = l/q. Как видно, изменение сопротивления может быть вызвано изменением удельного сопротивления, длины или площади сечения проводника. Все три возможности используют в конструкциях чувствительных элементов. Реостатные датчики.Простейшим способом изменения сопротивления резистора за счет изменения длины является перемещение отвода (скользящего контакта). Реостатные датчики (потенциометры) выполняются с продольным или круговым перемещением. При приложении к ползунку усилия или крутящего момента его продольное или угловое перемещение преобразуется в изменение сопротивления и далее в изменение снимаемого с реостата напряжения или протекающего тока. Линейная зависимость между перемещением ползунка и напряжением, снимаемым с датчика при включении его по схеме делителя приложенного напряжения, обеспечивается только при достаточно высокоомных измерителях напряжения. Поэтому в основном пользуются компенсационными методами намерения. Часто применяют измерительные потенциометры, изменение сопротивления которых связано нелинейной зависимостью с перемещением ползунка. Эти функциональные потенциометры могут иметь квадратичную, синусоидальную или другую, отвечающую специальным требованиям, характеристику. Для обеспечения минимальной обратной реакции необходимые для перемещения ползунка силы или моменты должны быть минимальны, что успешно достигается в прецизионных потенциометрах. Тензорезисторы.При растяжении или сжатии проводника изменяются его длина, площадь сечения и удельное сопротивление, т. е. из трех величин, определяющих значение сопротивления, ни одна не остается постоянной. Указанные изменения зависят от направления приложенной силы и в пределах упругости пропорциональны ей. В ненагруженном состоянии сопротивление Rпроводника, имеющего длину l, определяется его сечением qи удельным сопротивлением : При растяжении проводника его длина становится равной l (1 + l/l), а сечение q (1 – 2  l/l),), где  - коэффициент Пуассона, определяющий отношение поперечного сжатия к растяжению l/l (для большинства металлов  = 0,3). Изменяется также и удельное сопротивление. Если обозначить относительное изменение удельного сопротивления / через и относительное изменение растяжения l/l через , то сопротивление растянутой проволоки определяется зависимостью Вводя в это уравнение величину сопротивления нерастянутой проволоки, находим с большей степенью приближения: Произведя умножение и исключив члены высших степеней малости, получим откуда относительное изменение сопротивления равно Таким образом, обозначаемая обычно коэффициентом k крутизна характеристики чувствительного элемента (тензочувствительность) равна При использовании проволоки из константана влияние изменений объема и проводимости суммируется и коэффициент k становится равным 2. Этот сплав наилучшим образом соответствует требованиям к материалам для изготовления тензорезисторов: температурный коэффициент сопротивления этого сплава мал, а температурный коэффициент удлинения обычно хорошо совпадает с таким же коэффициентом исследуемых материалов. Возникающая при контакте с медью термоэлектродвижущая сила искажает результаты только при измерениях, проводимых на постоянном токе, и при больших перепадах температур. Для обеспечения достаточных для измерения изменений сопротивления чувствительный элемент изготовляют из тонкой проволоки, наклеиваемой в виде петель с параллельными нитями на подложку из пропитанной бумаги или искусственных смол. Чувствительный элемент можно также изготовить способом фотохимического травления покрытой тонким слоем металла изоляционной пластинки. Такие тензорезисторы называют фольговыми в отличие от проволочных. В последнее время для изготовления тензочувствительных элементов стали использовать полупроводниковые материалы, в которых под нагрузкой наряду с изменением геометрических размеров значительно изменяется удельное сопротивление, вследствие чего тензочувствительность k достигает 180 и более. Диаметр проволоки выбирают 20—30 мкм, что обеспечивает большое сопротивление и достаточную эластичность, позволяющую проволоке следовать за реформацией испытуемого материала. Основной причиной возникновения погрешностей является изменение температуры. Изменение сопротивления тензорезистора Rзависит от удлинения контролируемого материала и от температурного коэффициента сопротивления материала тензорезистора. Удлинение образца контролируемого материала в свою очередь происходит, во-первых, под действием механической нагрузки, во-вторых, под влиянием температуры. Измерению подлежит первая из названных составляющих. Влияние температурного удлинения исследуемого материала может быть уменьшено путем подбора для изготовления тензорезисторов материала, обладающего близким коэффициентом температурного расширения. Температурная зависимость сопротивления самого тензочувствительного элемента может быть компенсирована с помощью механически ненагружаемых компенсационных тензочувствительных элементов. При использовании тензочувствительных элементов следует иметь в виду, что измеряемые усилия весьма велики - порядка 10 Н. Недостатки: низкая чувствительность, необходимость больших нагрузок, чувствительность к изменениям влажности и температуры, необходимость тщательного приклеивания к поверхности исследуемого образца. Элементы Холла и магнитосопротивления.При помещении обтекаемого током твердого тела (пластины) толщиной s носители зарядов, образующие при своем движении электрический ток, отклоняются магнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению тока. В результате смещения зарядов в теле образуется поперечно направленное электрическое поле и на боковых продольных поверхностях возникает разность потенциалов — ЭДС Холла Uн (рис.8.3), определяемая зависимостью где I — сила тока; В — магнитная индукция; s — толщина пластины; RН -коэффициент Холла. Коэффициент Холла для обычных полупроводниковых материалов равен 200 см3/А·с. С помощью зонда с элементом Холла, расположенного в магнитном поле, можно преобразовать угловое перемещение в напряжение. Соответствующее профилирование поля позволяет получить линейную зависимость. Важная область применения элементов Холла — измерение положений подвижных деталей без механического контакта с ними с выдачей напряжения, амплитуда которого не зависит от скорости движения. Элементы Холла позволяют осуществлять кодированное измерение перемещений, например, при помощи намагниченного, согласно определенному коду, вращающегося ферромагнитного диска, опрашиваемого рядом элементов Холла. Подобное устройство обычно выполняется как датчик поворота (кодирующий диск). Описанный выше эффект отклонения электронов магнитным полем приводит к возрастанию сопротивления и используется в так называемых магниторезисторах. Последние представляют собой омические сопротивления, чувствительные к магнитному полю, причем при изменении индукции, равном В·с/см2, омическое сопротивление увеличивается более чем в 20 раз. Магниторезисторы можно использовать не только для измерения индуктивности магнитных полей, но и, подобно зондам Холла, в качестве конечных выключателей, бесконтактных преобразователей перемещений. 8.5.5. Чувствительные элементы, сопротивление которых изменяется под действием света. Фоторезисторами называют полупроводниковые элементы, изменяющие свою проводимость при изменении освещенности. Темновое сопротивление высокоомных типов фотоэлементов составляет 108 Ом и уменьшается при освещенности в 100 лк до 105 Ом. Сопротивление низкоомных типов фотосопротивлений изменяется в диапазоне 104—101 Ом. В качестве материалов светочувствительного слоя используют селен, сульфиды цинка, олова, кадмия, германий, кремний, закись меди и др. Фотодиодыпредставляют собой полупроводниковые элементы с запирающим слоем (р-n-переходом), работающие в зависимости от схемы включения как фотоэлементы (в вентильном режиме) или как фотосопротивления (в диодном режиме), чаще в последнем. При освещении области р — n-перехода пространственный заряд изменяется. Ток через р — n-переход, созданный приложенным к нему запирающим напряжением, вследствие поступления дополнительных зарядов, увеличивается, что приводит к снижению сопротивления запорного слоя. Пре­дельная частота (100 кГц) значительно превышает частоту фотосопротивлений. Фототранзисторы.Как и у диодов, при поступлении световых квантов на запирающий слой в фототранзисторе высвобождаются носители зарядов. В фототранзисторах фотоэлектрический эффект фотодиода совмещается с эффектом усиления транзистора, что обеспечивает более чем 30-кратное увеличение чувствительности. Однако предельная частота, равная 10—20 кГц, ниже, чем у фотодиодов. 8.5.6. Индуктивные чувствительные элементы. Уравнение, определяющее индуктивность обмотки, имеет следующий вид: где ω — число витков; Rm — магнитное сопротивление. При где А — площадь поперечного сечения магнитной цепи; l — ее длина; μ — магнитная проницае­мость. Из этого уравнения следует, что изменения индуктивности L можно достичь изменением длины l (воздушного зазора), поперечного сечения А или магнитной проницаемости μ. Длина и сечение магнитопровода являются геометрическими размерами; магнитная проницаемость может быть изменена, например, путем приложения механических усилий (магнитоупругие чувствительные элементы). Чувствительные элементы с подвижным якорем. При перемещении железного якоря Fe в катушке Sp перераспределяется число силовых линий, проходящих внутри якоря или по воздуху, что вызывает изменение магнитного сопротивления Rm, а следовательно, индуктивности L. Изменение индуктивности зависит от перемещения якоря s нелинейно. Обычно применяют устройство (рис.8.4), представляющее собой дифференциально включенные системы. В этом случае при ходе якоря s индуктивность одной катушки увеличивается на +L, а индуктивность другой уменьшается на равную величину - L. С помощью, например, мостовой схемы разность изменений индуктивностей L1- L2 = 2L может быть преобразована в электрическое напряжение. Соответствующее конструктивное исполнение позволяет получить линейную зависимость напряжения от перемещения якоря в пределах до 80 % длины катушки. В отличие от описанных индуктивных элементов, выходной величиной которых является изменение индуктивности, преобразуемое затем с помощью электрической схемы в напряжение, чувствительные элементы, основанные на дифференциально-трансформаторном принципе, позволяют непосредственно получить в качестве выходной величины напряжение U (рис.8.5). Чувствительный элемент состоит из первичной катушки SP1, к которой приложено переменное напряжение U, и двух вторичных катушек SP11, в которых при симметричной конструкции и среднем положении якоря индуцируются одинаковые напряжения. Вторичные катушки включены дифференциально, и разность напряжений на выходных клеммах равна нулю. При смещении якоря возникает разность напряжений U, линейно зависящая от хода якоря. Соответствующее профилирование катушек и якоря позволяет использовать чувствительный элемент этого типа для измерения углов наклона. Чувствительные элементыс поперечным перемещением якоря. Индуктивный чувствительный элемент с поперечным перемещением якоря (рис.8.6) предназначен для измерения малых перемещений и их изменений. Для достижения возможно большей чувствительности и линейной характеристики чувствительный элемент выполняют в виде сдвоенных катушек с воздушными зазорами. Катушки I и II одинаковы, якорь расположен между двумя магнитопроводами с зазорами s. Наличие двух дифференциально включенных индуктивностей не только обеспечивает удвоенную чувствительность по сравнению с однокатушечной системой и улучшенную линейность характеристики, но и одновременно компенсирует влияние изменений температуры и потоков рассеивания. 8.5.7. Емкостные чувствительные элементы. Емкость плоского конденсатора без учета краевого эффекта определяется уравнением где 0 = 8,8542·10-12 А·с/(В·м) — диэлектрическая постоянная; r — относительная диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между пластинами конденсатора; А — площадь пластин; d — расстояние между ними. Емкость конденсатора изменяется при изменении площади пластин, расстояния между ними (зазора) и диэлектрической проницаемости материала. Чувствительные элементы с изменяющимся зазором.При изменении зазора d между пластинами на величину d емкость конденсатора определяется зависимостью Только при малых относительных изменениях зазора d/d зависимость между C/C и d/d практически линейна. При d/d = 0,1 нелинейность составляет 10%, при d/d = 0,01 1 %.Для обеспечения линейности в широком диапазоне при­меняют дифференциальный конденсатор с тремя пластинами (рис.8.7). При пере­мещении средней пластины на расстояние d, при соответствую­щей схеме включения (мостовой схеме), изменение емкости равно Подобно индуктивному чувствительному элементу с поперечным перемещением якоря и сдвоенными обмотками дифференциальный принцип и в этом случае наряду с удвоением чувствительности обеспечивает расширение линейного диапазона. При d/d = 0,1 нелинейность характеристики такого конденсатора составляет 1 %. Чувствительный элементс изменяющейся площадью пластин. В уравнении емкости конденсатора величина А представляет собой площадь взаимного перекрытия пластин. Смещением обеих пластин относительно друг друга на величину s можно изменить площадь их перекрытия, причем для пластин прямоугольной формы зависимость А = bs линейна (рис.8.8). Поскольку величина А находится в числителе уравнения емкости конденсатора С, то С линейно зависит от s. Использование пластин различной формы позволяет получить квадратичные, логарифмические и т. п. зависимости. Конденсатор переменной емкости, состоящий из круглых поворотных пластин, применим для измерения угла поворота. Чувствительные элементыс изменяемой диэлектрической проницаемостью зазора. Емкостные чувствительные элементы, основанные на измерении изменения величины , применяют главным образом для определения со­става веществ (при полном заполнении зазора контролируемой средой) и для измерения уровня при изменяющемся заполнении зазора. Уровень можно изменять как вдоль, так и поперек пла­стин. При контроле состава твердых веществ (например, песка, пыли, гравия и т. п.), а также жидкостей (паров, газов или влаж­ных материалов) их можно помещать внутри плоского или ци­линдрического конденсатора. Для полностью заполненного изме­рительного конденсатора существует пропорциональная зависи­мость: Так как, например, вода по сравнению с воздухом обладает значительно большей диэлектрической проницаемостью, то с по­мощью указанной зависимости можно определять влагосодержание различных изоляционных материалов. При сравнительных измерениях важно, чтобы диэлектрические проницаемости ис­следуемых материалов различались незначительно. Существен­ное различие диэлектрических проницаемостей воздуха и многих жидких и твердых материалов, прежде всего воды, позволяет измерять емкостным методом положение уровня и состояние за­полнения сосудов, а также толщину льда. В этом случае рас­сматривают две параллельно соединенные емкости, причем, так как r1 = 1, то При практическом использовании данного метода в контро­лируемый резервуар погружают два цилиндрических или плоских измерительных электрода и определяют емкость между ними, по значению которой при известном T контролируемой среды рас­считывают высоту уровня заполнения. Обычно шкала показы­вающего прибора градуируется в единицах уровня. Метод безынерционен, так как емкость изменяется одновременно с изменением уровня заполнения h2, При измерении толщины слоев электроизоляционных мате­риалов (пленок, тканей, толщины лаковых покрытий и т. п.) исследуемый материал пропускают в зазоре между измеритель­ными обкладками конденсатора. Достоинством этого метода яв­ляется его бесконтактность, Метод позволяет определять содержание воздуха в пенопластах и подобных им материалах при из­вестных размерах образцов и величинах диэлектрической проницаемости самого материала. 8.6. Измерительные преобразователи с электронным цифровым выходным сигналом Одним из требований, предъявляемых к современным измери­тельным преобразователям, является наличие цифрового выход­ного сигнала, что позволяет непосредственно вводить результат измерения на ЭВМ. При аналоговом измерении величин выходной сигнал измерительного преобразователя преобразовывается ана­лого-цифровым. В цифровых измерительных системах аналого-цифровой преобразователь одновременно является измерительным преобразователем. В настоящее время число практически реализованных цифровых преобразователей очень ограничено. Имеются преобразователи линейных и угловых величин, выполненные в виде кодированных линеек и кодированных дисков, а также цифровые струнные измерители растяжений, используемые в весоизмерительных установках. 9. Приборы выдачи информации Различают аналоговые и дискретные методы выдачи измерительной информации. В обоих случаях простейшей формой выдачи является отображение результатов измерения на визуально считываемой шкале указывающего устройства. Для отображения тенденций изменения измеряемой величины существует ряд аналоговых и цифровых методов. 9.1. Аналоговые приборы выдачи информации Из показывающих приборов разработаны приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем. В измерительном устройстве эти приборы могут быть использо­ваны либо для непосредственно­го отображения измерительной информации, либо в качестве устройств, отображающие преобразованные цифро-аналоговым преобразователем дискретные значения измеряемых величин. Регистрирующие приборы, называемые самописцами, устанавливают в тех случаях, когда необходимо фиксировать измеряемые величины во времени. 9.1.1. Показывающие приборы. В первую очередь к этой группе приборов относятся приборы с магнитоэлектрической системой, в которых жестко связанная со стрелкой поворотная рамка вращается в однородном поле по­стоянного магнита. Возникающий, при протекании тока по рамке, крутящий момент отклоняет ее до тех пор, пока развиваемое возвратной пружиной усилие не уравновесит его. Шкала прибора строго линейна. Направление отклонения стрелки зависит только от направления тока, так что нулевая отметка может находиться внутри шкалы. Минимально достижимые диапазоны измерения прецизионных приборов составляют примерно 0,3 мкА (или 0,3 мВ), а для щитовых приборов 1 мкА (или 10 мВ). Потребляемая мощность в наилучшем случае не превышает 1 мкВт. В электромагнитных приборах вращающийся железный сердечник, жестко связанный со стрелкой, а неподвижный сердечник намагничиваются полем охватывающей их катушки. Под дей­ствием сил взаимного отталкивания возникает вращающий момент, уравновешиваемый усилием возвратной пружины. Подбирая форму сердечников и обмотки, можно обеспечить примерно линейную градуировку шкалы, хотя зависимость между током в катушке и развиваемым выталкивающим усилием — квадратичная. Приборы электромагнитной системы измеряют эффективное значение тока и потому применимы для измерений как постоянного, так и переменного токов. Минимально достижимые диапазоны измерений составляют 1 мА (или 1,5 В). Потребляемая мощность 0,1 В - А. В приборах с поворотным магнитом плоский магнит, жестко соединенный с указателем, устанавливается в направлении ре­зультирующей магнитных полей, создаваемых неподвижной, обтекаемой током катушкой и устанавливающим магнитом. Подвижный элемент не связан с токопроводящими проводами и не несет на себе возвратных пружин, он достаточно легок и виброустойчив. Минимально достижимые диапазоны измерений составляют 400 мкА (или 4 В). 9.1.2. Точечные регистраторы. В точечных регистраторах свободно подвешенная стрелка (падающая дужка) периодически прижимается к красящей лепте, установленной над диаграммной бумагой. Пишущая кромка образует хорду окружности, описываемой стрелкой измерителя, что обеспечивает достаточную линейность шкалы. Последовательность точек образует линию, характеризующую значения изме­ряемой величины. Метод регистрации позволяет использовать высокочувствительные измерительные механизмы с малой потребляемой мощностью, развивающие малый крутящий момент. При измерениях медленно изменяющихся величин регистратор может быть использован для многоточечной регистрации. Одновременно с переключением контролируемых точек смещается красящая лента, в результате чего отдельные зависимости записываются разными цветами. Потребляемая мощность 10-7 Вт. 9.1.3. Измерители и регистраторы с непрерывной записью. В регистраторах этого типа стрелка измерительного устройства жестко соединена с регистрирующим механизмом. Стрелка таких приборов должна обладать большей жесткостью, чем в точечных регистраторах, а измерительное устройство должно развивать большой крутящий момент, так как необходимо преодолеть трение между пером и бумагой. Прямолинейная запись достигается при помощи эллиптического выпрямляющего механизма. В приборах с непрерывной записью стрелка снабжается пером с капилляром; чернила подаются по тонкой трубке (шлангу) из специального баллончика. Такое устройство позволяет записать линию длиной до 4500 м (потребляемая мощность 10-3 Вт, при наличии усилителя 10-7—10-9 Вт). Требуемую скорость перемещения бумажной ленты при известных колебаниях измеряемой величины можно определить по приведенным ниже данным: Среднее время между изменениями измеряемой величины, с .................. 90 30 15 6 3 1,5 0,5 Скорость перемещения бумаги, мм/ч 20 60 120 300 600 1200 3600 При выборе регистратора его чувствительность не всегда является ограничивающим фактором, поскольку существуют регистраторы со встроенными измерительными усилителями. 9.2. Приборы выдачи цифровой информации В цифровой технике тоже применяют показывающие и регистрирующие способы представления информации, а также цифро-аналоговые преобразователи, позволяющие представлять цифровые величины в аналоговой форме. 9.2.1.Цифровые приборы. Во многих случаях можно ограничиться выдачей измерительной информации в виде визуально считываемых показаний, высвечиваемых на различного типа циф­ровых табло. В отличие от аналоговой формы цифровое представление измери­тельной информации выгодно тем, что оно ограничивает субъективные ошибки счи­тывания. Удобочитаемость цифровых индикаторных устройств и зависимость погрешности считывания от времени экспозиции представлены на рис.9.1. 9.2.2.Механические приборы цифровой индикации. Существующие механические приборы визуальной цифровой индикации обеспечивают выдачу данных цифрами высотой до одного метра. В общем случае показания прибором легко считываются и сохраняются при отключении прибора. Вследствие их механической инерционности эти приборы применимы только при измерениях медленно изменяющихся величин и потребляют большую мощность. Наиболее распространенными типами приборов являются приборы с цифровой лентой и с цифровым роликом. 9.2.3. Оптические цифровые показывающие приборы. В оптических цифровых показывающих приборах представление цифр осуществляется при помощи диапозитивов (проекционные цифровые показывающие приборы) или в виде цифр, выделяемых заливающим светом. Оба метода обладают крайне малым временем установления показаний по сравнению с механическими индикаторами. Однако они не обеспечивают запоминания. Максимальная высота цифр составляет около 10 см В проекционных цифровых указателях нанесенные на диапо­зитив цифры от 0 до 9 проектируются каждая своей лампочкой и системой линз на матовое стекло. 9.2.4.Электронные цифровые приборы. Электронные цифровые приборы применяют наиболее часто. Используются, в частности, газоразрядные указатели — газо­наполненные лампы с холодным катодом, указатели со светодиодами (LED) и указатели с жидкими кристаллами (LCD, li­quid-crystal display. В газонаполненных лампах с холодными катодами против сетчатого анода для каждой цифры установлен соответствующей конфигурации катод из тонкой проволоки. Анод и десять катодов (от 0 до 9) размещены в пространстве друг за другом. Ввиду высокого рабочего напряжения при управ­лении полупроводниковыми элементами необходимо уделять особое внимание выбору размеров. В цифровых приборах со светодиодами (из арсенида галлия) цифры образуются из точечных или штриховых сегментов. Световое излучение возбуждается в результате полупроводникового эф­фекта: под действием подводимой электрической энергии носители зарядов перемещаются на более высокий энергетический уровень. После короткой выдержки они вновь возвращаются на низший энергетический уровень, Этот процесс сопровождается рекомбинацией электронов и дырок, при которой часть энергии отдается в виде излучения (фотонов). Индикаторы с жидкими кристаллами применяются во многих областях. Эти элементы представляют собой соединения с углеродом и кислородом (карбоксиды), которые ниже определенной температуры являются кристаллами, а выше этой температуры превращаются в жидкость. Такая ячейка состоит из двух параллельных стеклянных пла­стинок, между которыми располагается жидко-кристаллическое вещество. Внутренняя поверхность стеклянных пластинок покрыта токопроводящим слоем, например, оксидом олова. При отсутствии напряжения на этих обкладках ячейка прозрачна. При приложении постоянного напряжения (или переменного низкой частоты) ячейка становится непрозрачной. Непрозрачность обусловлена в основном так называемым «динамическим рассеянием» Такое рассеяние возникает потому, что при приложении напряжения ионы, блуждающие через вещество, нарушают ориентацию электрических дипольных моментов. В итоге образуются регуляр­ные центры рассеяния падающего света. 9.3. Дискретно-аналоговые преобразователи Наиболее часто применяемыми способами являются следующие: дискретно-аналоговый (цифро-аналоговый) преобразователь со ступенчатым делителем омического сопротивления, дискретно-аналоговый преобразователь со ступенчатым делителем (раз­ветвлением) токов и дискретно-аналоговый преобразователь с це­почками сопротивлений. Менее употребительны способы с моду­ляцией продолжительности импульсов или с косвенным ин­тегрирующим (суммирующим) преобразованием. Каждый дискретно-аналоговый преобразователь содержит следующие конструктивные элементы: переключатель аналоговых величин, блок (сетка) сопротивлений и источник опор­ного напряжения, В качестве переключателей используют диоды, транзисторы и теперь все чаще интегральные схемы. Блоки со­противлений состоят из проволочных или тонкослойных (пленоч­ных) резисторов или же из элементов толстоплёночной техники. 9.4. Печатающие устройства для результатов измерений Решающее значение для расшифровки результатов измерений имеет документирование и протоколирование измеренных данных при помощи соответствующих печатающих устройств. В связи с более широким применением печатающих устройств в раз­личных системах переработки информации, начиная от персональных компьютеров и кончая мощными ЭВМ, в технологии печатания за последние годы достигнут значительный прогресс. В частности, использование микропроцессоров для управления раз­личными функциями в печатающих устройствах позволило существенно расширить объем этих функций. Печатающие устройства могут быть подразделены на два класса: ударного и безударного действия. В печатающих устройствах ударного действия процесс печатания происходит в результате удара рычага с литерой или символом или игл (в матричных печатающих устройствах) на красящую ленту. В безударных печатающих устройствах процесс печатания заключается в физическом или химическом воздействии на специально подготовленную бумагу. Имеются следующие типы таких печатающих устройств: тепловые матричные, электрочувствительные, электростатические, ксерографические и лазерные, а также с непрерывной подачей краски и с подачей краски по требованию. Скорость печатания здесь достигает от 300 до 45 000 строк в минуту. 9.5. Электронно-лучевые визуальные приборы Электронно-лучевые визуальные приборы (дисплеи) вместе со своей клавиатурой представляют собой универсальные устройства для ввода и выдачи информации в системах переработки резуль­татов измерений. Наряду с алфавитно-цифровым вводом и вы­дачей текста они могут также наглядно показывать в графическом виде состояние процесса и ход изменения измеряемых величин. Возможны три метода: растровый; светового карандаша; профильный. При растровом способе, как и в телевизионной технике, выполняется развертка - электронный луч отклоняется по строчкам и столбцам. В результате формировании светлых и тёмных мест при сканировании получаются отдельные точки изображения воспроизводящие требуемую информацию. При методе светового карандаша электронный луч, вызывающий свечение при сканировании, воспроизводит на экране последовательности штрихов, отображающие требуемую информацию. При профильном методе знаки (символы) изображаются масками. В настоящее время внедрен преимущественно растровый метод, потому что для него могут быть использованы дешевые чёрно-белые и цветные мониторы. 10. Способы и средства измерения продольных деформаций, наклепа и остаточных напряжений   1   2   3   4   5