Измерение неэлектрических величин
электрическими методами

Измерение неэлектрических величин электрическими методами получило широкое применение и развитие вследствие возможности непрерывного измерения, измерения на расстоянии, высокой точности и чувствительности.
В большинстве случаев измерение неэлектрической величины сводится к преобразованию ее в однозначно зависимую от нее электрическую величину, измеряя которую и определяют неэлектрическую величину.
Элемент измерительного устройства, выполняющий это преобразование, называется измерительным преобразователем или датчиком.
Измерительные преобразователи делятся на две группы: параметрические, преобразующие неэлектрическую величину в один из параметров электрической цепи r , L или C , и генераторные, в которых неэлектрическая величина преобразуется в э. д. с.

К наиболее распространенным параметрическим преобразователям относятся:
1. Реостатные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины, например уровня жидкости, линейного перемещения детали и т. д.
2. Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
3. Преобразователи — терморезисторы (термосопротивлени я). Работа их основана на зависимости сопротивления преобразователя от температуры.
4. Индуктивные преобразователи. Изменение индуктивности преобразователя от изменения положения одной из его частей под действием измеряемой величины. используется для измерения силы, давления, линейного перемещения детали.
5. Емкостные преобразователи. Изменение емкости преобразователя под действием измеряемой неэлектрической величины: силы, давления линейного или углового перемещения, содержания влаги и т. д. используется для измерения этих величин.
6. Фотоэлектрические преобразователи. Получение фототека, зависящего от измеряемой величины, или получение импульсов фототока, частота которых зависит от измеряемой неэлектрической величины, ис п ользуется для измерения освещенности, температуры, прозрачности и мутности жидкости, линейных размеров и других величин.

Генераторные преобразователи по принципу работы делятся на группы:
1. Индукционные преобразователи. Работа их основана на преобразовании измеряемой неэлектрической величины, например скорости, линейных или угловых перемещений, в индуктированную э. д. с.
2. Термоэлектрические преобразователи. Возникновение термо-э. д. с. и ее зависимость от температуры используется для ее измерения.
3. Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический эффект, т. е. возникновение э. д. с. в некоторых кристаллах под действием механических сил, используется для измерения этих сил, давления и других величин.
4. Фотоэлектронные преобразователи .
Устройства для измерения неэлектрических величин, принципиально состоящие из преобразователя, соединительных проводов и измерителя, проградуированного в значениях измеряемой величины, в действительности усложняются применением сложных схем, источников питания, стабилизаторов, выпрямителей, усилителей и т. д.
Рассмотрим в качестве примеров некоторые из методов измерения неэлектрических величин.

а) Реостатные преобразователи
Реостатный преобразователь представляет собой реостат (рис. 8-37), движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины x , так что сопротивление реостата r зависит от x : r = f ( x ) . Измерив r , находят x .

Пример применения реостатного преобразователя для измерения уровня (объема) жидкости показан на рис. 8-38. Изменение положения поплавка, зависящего от уровня жидкости, изменяет сопротивления r ₁ и r ₂ соединенные последовательно с катушками логометра; изменение отношения токов в катушках вызывает изменение показаний измерителя.

б) Инду к тивные преобразователи
Индуктивный преобразователь (рис. 8-39, а) представляет собой электромагнит, якорь которого перемещается под действием измеряемой величины P : силы , давления, линейного перемещения.

При изменении положения якоря изменяются воздушный зазор, индуктивность катушки и ее сопротивление z , так что z = f ( p) .
У дифференциального преобразователя (рис. 8-39, б) изменение положения якоря увеличивает индуктивность одной катушки и уменьшает индуктивность другой, что повышает чувствительность преобразователя. Включение катушек в смежные плечи измерительного моста повышает точность измерения.
В индуктивном преобразователе трансформаторного типа (рис. 8-40) по первичной обмотке проходит переменный ток с постоянным действующим значением.
Измеряемая неэлектрическая величина p , изменяя воздушный зазор, изменяет магнитное сопротивление цепи и магнитный поток. В результате изменяется индуктированная во вторичной обмотке э. д. с. E ₂, и показания вольтметра U ₂ зависят от измеряемой величины,
т. е. E ₂ U ₂ = f ( p )

в) Индукционные преобразователи
Индукционный тахометр — это прибор для измерения частоты вращения, в котором измеряемая величина преобразуется в пропорциональную ей э. д. с. Тахометр представляет собой маленький магнитоэлектрический генератор (рис. 8-41), якорь которого вращается в магнитном поле постоянного магнита и, следовательно, э. д. с. которого пропорциональна частоте вращения якоря. Якорь механически связан с валом машины, скорость которой измеряется, поэтому показания вольтметра, соединенного с зажимами якоря, пропорциональны измеряемой частоте вращения.

В индукционном тахометре с постоянным магнитом NS (рис. 8-42) последний механически связан с валом машины, частота вращения которой измеряется. При его вращении в алюминиевом диске 1, расположенном на одной оси со стрелкой 2, индуктируются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с полем постоянного магнита создает вращающий момент, вызывающий поворот диска и указательной стрелки на угол, при котором этот момент уравновешивается моментом пружины 3. На шкале тахометра наносятся деления, соответствующие различным частотам вращения.

г) Термоэлектрические преобразователи
Сочетание магнитоэлектрического измерителя с термопарой (рис. 8-43), предназначенное для измерения температур, называется термоэлектрическим пирометром.
Нагревание рабочего конца термопары вызывает термо-э. д. с. и ток в цепи измерителя, по отклонению подвижной части которого и определяется искомая температура. Провода термопары должны быть достаточно длинными, чтобы их свободные концы находились в среде с температурой, при которой градуировался пирометр.
Материалами для термопар служат: медь — константан (до 300° С), медь — копель (до 600° С), железо — копель (до 800° С), хромель — копель (до 800° С), хромель — алюмель (до 1 300° С), платина — платинородий (до 1 600° С).
Для защиты от механических повреждений и действия газов термопары помещают в защитные трубки из латуни, стали, фарфора и других материалов.

Источник

§105. Измерение электрическими методами неэлектрических величин

Принципы измерения неэлектрических величин. В современной технике широко применяются измерения неэлектрических величин (температуры, давления, усилий и пр.) электрическими методами. В большинстве случаев такие измерения сводятся к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину (например, сопротивление, ток, напряжение, индуктивность, емкость и пр.), измеряя которую, получают возможность определить искомую неэлектрическую величину.

Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической величины в электрическую, называется датчиком. Датчики делятся на две основные группы: параметрические и генераторные. В параметрических датчиках неэлектрическая величина вызывает изменение какого-либо электрического или магнитного параметра: сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и пр. В зависимости от принципа действия эти датчики подразделяются на датчики сопротивления, индуктивные, емкостные и др.

В генераторных датчиках неэлектрическая величина вызывает появление э. д. с. К этим датчикам относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и пр.

Устройства для измерения различных неэлектрических величин электрическими методами широко применяют на э. п. с. и тепловозах. Такие устройства состоят из датчиков, какого-либо электроизмерительного прибора (гальванометра, милливольтметра, миллиамперметра, логометра и т. д.) и промежуточного звена, которое может включать в себя электрический мост, усилитель, выпрямитель, стабилизатор и др.

Электрические термометры сопротивления. Для контроля температуры воды, охлаждающей дизель, применяют электрические термометры, датчиком 3 которых (рис. 346) служат терморезисторы (термисторы). Термисторы выполняют из полупроводниковых материалов. Для предохранения от внешних воздействий
датчик заключен в защитную арматуру. Указателем 1 служит логометр. Датчик 3 (R1) включается в одно из плеч неуравновешенного моста 2, три остальных плеча моста образуют резисторы сопротивлениями R1, R2 и R3. Катушки логометра включаются в измерительную диагональ моста последовательно с резистором сопротивлением R4.

Терморезисторы имеют значительный разброс в характеристике зависимости сопротивления от температуры. Поэтому для получения требуемой градуировки шкалы прибора приходится применять дополнительные добавочные и подгоночные резисторы сопротивлениями R8 и R9. С помощью этих резисторов осущест-

Рис. 346. Принципиальная схема электрического термометра с терморезисторным датчиком

вляют уравновешивание моста при начальной измеряемой температуре (градуируют нулевую точку шкалы).

Применение логометра в качестве указателя обеспечивает независимость показаний прибора при колебаниях питающего напряжения. Для уменьшения погрешности, обусловленной влиянием сопротивления проводов, соединяющих датчик с указателем, применено соединение их тремя проводами. Если бы они соединялись двумя проводами, подключенными к точкам Л и С моста, то сопротивления этих проводов складывались с сопротивлением датчика Rt и это создавало бы погрешность измерения. При наличии же трех соединительных проводов питание подается в точки а и С, в результате чего сопротивление R’л одного из проводов складывается с сопротивлением датчика, а сопротивление R”л другого провода — с сопротивлением R8. При этом в два плеча моста добавляются одинаковые сопротивления R’л и R”л, и ток в измерительной диагонали практически не будет зависеть от изменения сопротивления соединительных проводов. Резистор с сопротивлением R5 обеспечивает уменьшение напряжения, подаваемого на измерительный мост, до установленного для данного прибора значения.

Для компенсации температурной погрешности, которую вносит изменение сопротивления катушек логометра при изменении окружающей температуры, последовательно с катушками включены терморезисторы Rt1 и Rt2. При увеличении температуры сопротивление медного провода катушек увеличивается, а терморезисторов Rt1 и Rt2 — уменьшается, в результате чего суммарное сопротивление катушки и терморезисторов остается приблизительно постоянным. Для более точной подгонки суммарного сопротивления параллельно терморезисторам включают резисторы сопротивлениями R6 и R7. Резисторы сопротивлениями R1, R2, R3, R4 и R5 изготовляют из манганина, электрическое сопротивление которого мало меняется при изменении температуры, поэтому вводить температурную компенсацию изменения сопротивления этих резисторов не требуется.

Датчик помещают в среду, где требуется измерить температуру (например, в воду, циркулирующую в системе охлаждения дизеля). При повышении температуры воды нарушается равновесие моста и изменяется ток в его измерительной диагонали, куда включен указатель. Шкала указателя градуируется непосредственно в °С.

В логометрах подвижная часть при выключенном питании занимает произвольное положение. Поэтому в данном приборе применено принудительное возвращение стрелки в нулевое положение при выключенном питании с помощью так называемых безмоментных пружин. Создаваемый ими вращающий момент значительно меньше моментов, создаваемых катушками логометра, и не оказывает заметного влияния на показания прибора.

Электрические термометры с термоэлектрическими датчиками устанавливают на тепловозах для контроля температуры газов в цилиндрах дизеля. В комплект термометра входит термоэлектрический датчик (термопара) и милливольтметр, служащий указате-

Рис. 347. Принципиальная схема электрического термометра с термоэлектрическим датчиком

лем. Термоэлектрический датчик выполнен из двух сваренных вместе проволок или пластин из разнородны металлов или сплавов. Когда два таких проводника А и В (рис. 347) соединяются в какой-либо точке и включаются в замкнутую электрическую цепь, при изменении температуры места их соединения в цепи возникает электродвижущая сила, называемая термо-э. д. с. Спай 1 двух разнородных металлов термопары называют горячим спаем, концы 2 и 3 — свободными или холодными спаями.

Значение термо э. д. с. зависит только от разности температур t1 нагретого 1 и t2 холодных 2 и 3 концов проводников А и В и от природы материалов, применяемых в
качестве электродов. Если температуру свободных концов поддерживать постоянной и одинаковой, то термо э. д. с. будет пропорциональна температуре горячего спая. Термопары развивают сравнительно небольшую термо-э.д.с, поэтому милливольтметры, используемые для ее измерения, должны иметь точную температурную компенсацию. Шкала такого прибора градуируется в °С.

На тепловозах применяют термоэлектрические датчики, составленные из следующих сплавов: хромель (89% Ni+10% Cr + 1% Fe) —копель (56% Cu + 44% Ni); хромель — алюмель (95% Ni + 2% Al + 2% Mn+1 % Si). Термопара из этих сплавов создает термо-э.д.с. 4—7 мВ. Если электроизмерительный прибор подключить к термопаре медными проводами, то возникнет большая погрешность измерения, так как при электрическом контакте свободных концов 2 а 3 термопары с соединительными проводами из-за разности температур t2 и t0 (в месте установки прибора) появятся добавочные термо-э. д. с. Для устранения этой погрешности соединительные провода С и D (их называют компенсационными) изготовляют из материалов, обладающих теми же термоэлектрическими характеристиками, что и электроды термопары. Следовательно, возникающие в месте контактов 2 и 3 термо-э. д. с. будут иметь такие же значения, как и в основной термопаре. Компенсационные провода изготовляют из тех же материалов, что и электроды термопары, но они имеют меньшую площадь сечения. В этом случае температура концов 2 и 3 может быть различной.

Электрические уровнемеры. Для измерения объема или уровня жидкости в баках и резервуарах применяют различного рода электрические уровнемеры. В качестве примера рассмотрим схему электрического уровнемера с реостатным датчиком (рис. 348,а). В баке с измеряемой жидкостью помещен поплавок 1, положение которого определяется объемом или уровнем жидкости. Изменение положения поплавка вызывает изменение сопротивлений R1 и R2 реостатного датчика 3, включенных в два плеча моста постоян-

Рис. 348. Принципиальные схемы электрических уровнемера (а) и манометра (б) с реостатными датчиками

ного тока, два других плеча которого образованы резисторами сопротивлениями R3 и R4. Изменение сопротивлений R1 и R2 изменяет ток в измерительной диагонали моста, в которую включены катушки логометра 2, служащего указателем. Шкала логометра градуируется в единицах объема, занимаемого жидкостью, или единицах уровня жидкости.

Электрические манометры. Для измерения давления масла в системе смазки дизеля на тепловозах устанавливают электрические манометры. Такой манометр имеет реостатный датчик 5 (рис. 348,б), движок которого связан с гофрированной мембраной 4. Указателем служит логометр, шкала которого градуирована непосредственно в единицах давления. Логометр включен в диагональ электрического моста постоянного тока, плечи которого образованы сопротивлениями R1 и R2 реостатного датчика и резисторами сопротивлениями R3 и R4. Резисторы сопротивлениями R5 и R6 предназначены для получения требуемой градуировки шкалы прибора и температурной компенсации, а резистор сопротивлением R7 — для выравнивания сопротивлений катушек логометра (одна из них имеет большие размеры, чем другая). При изменении давления в корпусе датчика мембрана прогибается и перемещает движок реостата. При этом изменяются сопротивления R1 и R2 датчика и ток в измерительной диагонали
моста. Следовательно, стрелка указателя изменяет свое положение.

Электрические тахометры. Частоту вращения валов различных машин (электродвигателей, дизелей и пр.) измеряют приборами, называемыми тахометрами. Наибольшее распространение получили электрические тахометры с асинхронным тахогенератором, принцип действия которого рассмотрен в § 84. На тепловозах применяют магнитно-индукционные тахометры (рис. 349), измеряющие частоту вращения вала дизеля. Вал тахометра связывают непосредственно или посредством гибкого вала с валом дизеля.

При вращении вала тахометра приводится во вращение магнитный узел, состоящий из двух дисков, на которых укреплены постоянные магниты 2. При вращении дисков создается вращающееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в расположенном между магнитами токопроводящем диске 1. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревыми токами возникает вращающий момент М (как и в индукционных приборах), стремящийся повернуть диск в направлении вращения электромагнитов. Этот момент пропорционален частоте пересечения магнитным полем токопроводящего диска, т. е. частоте вращения п вала дизеля: М = c₁n.

Валик, на котором укреплен токопроводящий диск 1, связан со стрелкой прибора и спиральной пружиной 3, создающей противодействующий момент М_пр = с₂?. При равновесии этих моментов М = М_пр, т. е.

Следовательно, угол отклонения стрелки ? пропорционален частоте вращения п, т. е. прибор имеет равномерную шкалу.

Источник