Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрические схемы, режим работы, метрологические характеристики и обла

Пьезокерамические материалы  получены трех разновидностей: титанат  бария, соединения ниобата свинца и  соединения цирконата, титаната свинца. Пьезокерамика имеет высокие  значения пьезоэлектрических характеристик. Вместе с тем пьезо-элементы из пьезокерамики дешевы в изготовлении и технологичны. Недостатки пьезокерамики - более низкие по сравнению с монокристаллами временная и температурная стабильности. Пьезоэлектрический преобразователь в обычном исполнении представляет собой пьезоэлектрическую пластинку, к электродам которой подключен вольтметр, а к граням прикладывается измеряемое усилие (рис. 12).

 

Рис.12. Пьезоэлектрический преобразователь динамических усилий

 

Такие преобразователи  применяют только для измерения  динамических усилий и не применяют  для измерения статических и медленно меняющихся нагрузок. В системах автоматики промышленных производств приходится иметь дело, как правило, с медленно изменяющимися технологическими параметрами, поэтому они не нашли широкого применения в промышленности. Воздействие на преобразователь измеряемой величины осуществляется следующими способами: изменением размеров, плотности и упругих свойств самого пьезоэлемента, а также изменением акустического сопротивления (импеданса) среды, контактирующей с пьсэоэлементом, которое определяется ее плотностью, скоростью звука, контактной жесткостью и площадью контакта пьезоэлемента со средой.

В зависимости от вида воздействия на преобразователь  измеряемой величины существуют различные  виды пьезоэлектрических преобразователей статических нагрузок.

На основе изменения  размеров, плотности и упругих  свойств пьезоэлемента от воздействия  измеряемой величины строятся тензочувствитсльные, термочувствительные и масс-чувствительные преобразователи. На основе изменения акустического сопротивления среды, контактирующей с пьезоэлементом, строятся пьезоэлектрические преобразователи с изменяющимся акустическим импедансом. Выходной сигнал тензочувствительных, термочувствительных и масс-чувствительных преобразователей - изменение частоты колебаний автогенератора, в частотозадающую цепь которого включен резонатор (рис. 13).

 

Рис. 12. Схема включения тензочувствительных  пьезоэлектрических преобразователей

 

Пьезоэлектрические преобразователи  с изменяющимся акустическим импедансом строят на основе пьезоэлектрических резонаторов и пьезоэлектрических трансформаторов. Об измеряемом усилии судят либо по изменению тока в цепи пьезорезонатора либо по изменению выходного напряжения или сдвига фаз между входным и выходным напряжениями пьезотрансформатора. Пьезорезонаторы и пьезотрансформаторы включаются также в частотозадающую цепь автогенератора В этом случае об измеряемом усилии судят по изменению частоты колебаний или напряжения на выходе автогенератора. Измеряемая нагрузка прикладывается либо непосредственно к пьезорезонатору или пьезотрансформатору, либо к сочлененному с ними акустическому чувствительному элементу. В первом случае преобразователи называют контактными преобразователями, во втором — преобразователями с акустическими чувствительными элементами.

Пьезоэлектрические преобразователи  с изменяющимся акустическим импедансом применяют для измерения широкого круга механических величин, параметров жидкостей и газов, а также  электрических и магнитных величин.

Тензочувствительные преобразователи

Тензочувствительностью или силочувствительностыо пьезоэлектрического резонатора называют зависимость его резонансной частоты от силы или деформации, определяемой силовым воздействием. Преобразователь может характеризоваться как преобразователь силы в частоту, либо как преобразователь деформации в частоту.

Изменение частоты при  деформациях пьезорезонатора определяется уровнем и характером механических напряжений, поэтому более точно  характеризует физическую сущность преобразования коэффициент тензочувствительности = ;

Тензочувствительные преобразователи  строятся главным образом на основе пьезорезонаторов, в которых возбуждаются колебания сдвига по толщине и  колебания изгибаю Тенэочувствительные преобразователи, использующие колебания сдвига по толщине, выполняют в виде прямоугольных пластин, стержней, круглых линз, в центральной части которых размещаются электроды

Рис.14. Тензочувствитеьные пьезорезонаторы с возбуждением колебаний сдвига.

 

Толщина пьезоэлементов в зависимости от резонансной  частоты выбирается 0,05 - 33 мм при поперечных размерах 3—30 мм. Кроме того, вклад в тезночувствительность дает также изменение упругих свойств пьезоэлемента. Изменение частоты зависит от направления прикладываемой нагрузки.

Термочувствительные преобразователи.

Под термочувствительностью пьезоэлектрического резонатора понимается зависимость его резонансной частоты от температуры. Коэффициент термочувствительности можно представить как производную от частоты по температуре

Конструктивно термочувствительные  пьезорезонаторы выполняются в виде пластин или линз подобно тензочувствительным. Термочувствительность кварцевых пьезорезонаторов зависит от типа среза. Минимальную зависимость имеют кварцевые резонаторы АТ-среза, которые применяются в тензочувствительных преобразователях. Коэффициент термочувствительности увеличивается пропорционально частоте резонатора, поэтому в измерительных преобразователях используются высокочастотные резонаторы с колебаниями сдвига по толщине. Для резонаторов -срезов экспериментальные значения термочувствительности достигаются при углах ≈ +5° и ≈ +70°. Высокой термочувствительностью обладают резонаторы из ниобата лития при возбуждении колебаний по толщине.

 

 

1.2.5 Тепловые преобразователи

Тепловыми называют преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах. Естественная входная величина его – температура. К таким преобразователям относятся термоэлектрические преобразователи и терморезисторы.

Термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей или термопар основан на явлении термоэлектрического эффекта, которое заключается в том, что в цепи из двух различных проводников (или полупроводников), соединенных между собой концами при разности температур соединений возникает ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения спаями. Рабочий конец термопары, помещенный в измеряемую среду, называют горчим спаем, а свободный (нерабочий) – холодным. Один из термоэлектродов называется термоположительным, а второй – термоотрицательным. Термоположительным называют тот проводник, от которого термоток течет в холодном спае, а термоотрицательным – тот проводник, к которому течет термоток в том же холодном спае.При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС пропорциональна разности температур. Величина термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратных явлений. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то в одном спае выделяется тепло, а на другом поглощается.

На рис.1 изображена электрическая  цепь, состоящая из двух разнородных  проводников.

 

t_0, ⁰C

 

n 1 2 n

t, ⁰C

 

Рис.1. Электрическая цепь термопары.

, – разнородные проводники. 1,2 –места соединений, называемые спаями.

В разнородных проводниках количество свободных электронов на единицу объема различно.

Определение зависимости  ЭДС термопары ( ) от температуры рабочего спая при заданном значении свободного спая и для выбранных материалов термоэлектродов и называется градурировкой термопары.

Для измерения ЭДС  термопары прибор устанавливают  в свободном спае (рис.2)

 

n

 

n 1 t₀, ⁰С ⁰С

 

n

Рис. 2. Схема измерения  ЭДС термопары.

 

Терморезисторы.

Терморезистор представляет собой проводник или полупроводник, сопротивление которого достаточно сильно зависит от температуры. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления ТКС.

Для изготовления терморезисторов  применяют материалы, обладающие::высокостабильным ТКС;линейной зависимостью сопротивления от температуры ;инертностью к воздействию окружающей среды;хорошей воспроизводимостью свойств.К таким материалам в первую очередь относятся платина и медь. Применяются также вольфрам и никель.Платиновые терморезисторы применяются в диапазоне температур от –200⁰ до +650⁰С и выше. Медные терморезисторы применяются в диапозоне температур от –50⁰ до +200⁰С. При более высоких температурах медь окисляется.

Зависимость сопротивления  от температуры платиновых терморезисторов  практически линейная. Полупроводниковые терморезисторы имеют более высокую чувствительность. Температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезисторов 3 · 10^-2 – 4 · 10^-2 1/град. Он отрицателен и уменьшается пропорционально квадрату абсолютной температуры.где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств проводника.Для изготовления полупроводниковых терморезисторов применяют кристаллы некоторых металлов (например, германия) и окислы титана, магния, никеля, меди и др.

 

1.2.6 Элетрохимические преобразователи

Электрохимический преобразователь  представляет собой электролитичекую ячейку, заполненную раствором, с  помещенными в ней двумя или  несколькими электродами, служащими  для включения преобразователя  в электрическую цепь. Как элемент  электрической цепи электолитическая ячейка характеризуется сопротивлением, емкостью, индуктивностью, падением напряжения от проходящего тока, развиваемой ЭДС.

Выделяя зависимость  одного из этих электрических параметров от измеряемой неэлектрической величины, создают электрохимические преобразователи для измерения и контроля концентрации, давления, перемещения и других неэлектрических величин.

Гальванические преобразователи.

Принцип действия гальванических измерительных преобразователей основан  на зависимости электродных потенциалов, т.е. гальванической ЭДС, от состава и концентрации растворов. Наиболее широкое применение они получили для измерения и контроля активности водородных ионов, по которой определяют состав и свойства раствораов.

Электропроводность воды обусловлена тем, что ее молекулы часто диссоциируют на ионы водорода Н⁺ и ионы гидрокисла ОН^¯ :

 

Н₂О = Н⁺ + ОН^¯.

При этом в воде и водных растворах ионное произведение воды

 

= α_н + α_он

 

является величиной  постоянной, при 22⁰С равной 10^-14.

В чистой воде или нейтральном растворе активности Н⁺ и ОН^¯ равны

 

α_н = α_он = = 10^-7 г·ион/л.

 

В кислотном растворе больше ионов Н⁺, чем ОН^¯_, но производение их активностей остается равным ионному произведению воды . В щелочных растворах больше ионов ОН^¯, чем Н⁺. Таким образом, у кислотных растворов

α_н > α_он, а у щелочных - α_он > α_н.

Следовательно, для характеристики раствора достаточно знать активность водородных ионов, которую характеризуют  отрицательным логарифмом активности ионов водорода – водородным показателем  рН:

 

РН = lg α_н.

 

Приборы для измерения  этого называют рН-метрами.

 

1.2.7. Оптические преобразователи

Оптический преобразователь  содержит источник излучения – оптический канал и приемник излучения. Измеряемая величина воздействует либо непосредственно  на источник излучения, изменяя его параметры, либо на поток излучения в процессе его распространения по оптическому каналу. В качестве источников оптического излучения применяют тепловые и люминесцентные источники.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Трофимов А.Н. Автоматика, телемеханика, вычислительная техника в химических производствах. Учебник. Энергоатомиздат. 1985.
2. Фарзане Н.Г., Илясов П.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. Учебник. Москва. Высшая школа.1989.
3. Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и управления. Учебник. Высшая школа. 1989.
4. Попов И.А., Грунтович Н.В. Сборник заданий для самостоятельной работы по основам теории автоматического управления (регулирования). Учебное пособие. ВМФ. 1982.
5. Трофимов В.В. Справочник АСУТП. Справочник. Киев. Техника. 1988.
6. Измерительно-информационные системы. Учебник. ВМФ. Ч.1. 1990 г.
7. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. Киев.Вища шк.1987.