Основы электротехники Методические указания Основы электроники Курсовая работа Лабораторные работы Основы теории цепей

Основы электротехники и электроники Методы расчета цепей

ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Общие свойства измерительных цепей и приборов

 В агропромышленном производстве необходима информация о нескольких сотнях параметров. При этом значительное число параметров измеряют и контролируют при помощи электрических средств. Это обусловлено рядом особенностей электрических средств – малой инерционностью приборов, возможностью измерения на расстоянии и простотой автоматизации измерений и обработки результатов.

  Несмотря на большое разнообразие параметров, а соответственно и применяемых методов, средства измерений неэлектрических величин имеют много общего. Общность измерений неэлектрических величин состоит в том, что измеряемую величину предварительно преобразуют в пропорциональную ей электрическую (ток, напряжение, сопротивление, частоту и др.), а затем измеряют с использованием известных методов и средств. При этом преобразование неэлектрической величины в электрическую предназначено только для отражения размера одной физической величины размером другой физической величины. Такой подход к проблеме измерения неэлектрических величин – единственный при создании измерительных средств, в которых имеют место различные функциональные связи между величинами. Общность методов и средств измерения неэлектрических величин позволяет представить структурную схему измерительной цепи (или прибора), вид которой в значительной мере определяется используемым измерительным преобразователем.  В качестве примера на рис. 21.1 приведена схема цепи для измерения уровня топлива в баке мобильной машины.

Рис. 21.1

Изменение положения поплавка вызывает изменение подвижного контакта переменного резистора, что приводит к изменению тока в цепи. Таким образом, процесс измерения уровня может быть представлен следующей структурной связью .

21.2. Классификация и характеристики измерительных преобразователей
На входе измерительного преобразователя, кроме измеряемой величины, действуют различные неинформативные параметры – механические возмущения, изменения температуры, влажности, электрические и магнитные поля и др. Поэтому к числу основных требований, предъявляемых к измерительным преобразователям наряду с минимальными потерями информации, относят минимальную чувствительность к воздействию неинформативных параметров.

 Разнообразные по устройству и принципу действия, измерительные преобразователи имеют различные характеристики и параметры. Основные из них – функция преобразования, градуировочная характеристика, погрешности и диапазон измерений.

 Измерительные преобразователи неэлектрических величин различают в основном по назначению и принципу действия (см. прилжение): по назначению – преобразователи механических, тепловых, химических, биологических и других физических величин; по принципу действия – генераторные и параметрические. В генераторных измеряемая величина преобразуется в пропорциональные ЭДС (напряжение) или ток. К таким преобразователям относятся электромагнитные (индукционные), тепловые (термопары), оптоэлектрические (фотоэлементы), электрохимические (гальва-нические), пьезоэлектрические и гальваномагнитные. В параметрических преобразователях измеряемая величина преобразуется в параметры электрических цепей - сопротивление, емкость, индуктивность, частоту и др. К параметрическим относятся электромагнитные (индуктивные), тепловые (терморезисторы), оптоэлектрические (фоторезисторы, фотодиоды), резистивные и электростатические преобразователи.

 На практике для измерения одной и той же неэлектрической величины в зависимости от условий применяют различные типы измерительных преобразователей.

 Электромагнитные измерительные преобразователи. В электромагнитных преобразователях измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в пропорциональную электрическую за счет изменения магнитных свойств материалов. Из электромагнитных преобразователей наибольшее распространение получили индукционные и индуктивные.

 В индукционных преобразователях линейная или угловая скорость (частота вращения) исследуемого объекта преобразуются в пропорциональные ЭДС или напряжение. Принцип действия этих преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции. По конструктивному исполнению они бывают с подвижной катушкой и неподвижным постоянным магнитом или с неподвижной катушкой и подвижным постоянным магнитом. В большинстве случаев индукционные преобразователи представляют собой электрические машины постоянного или переменного тока. Их называют тахогенераторами.

  Для преобразования осевых (линейных) перемещений применяют индукционный преобразователь, у которого ЭДС на выходе изменяется во времени с изменением положения его подвижной катушки.

 Основной недостаток индукционных преобразователей – нелинейность функции преобразования, что является основной причиной погрешностей. Уменьшают эти погрешности за счет выбора форм и размеров магнитопровода и размещения на нем катушки. Современные тахогенераторы (переменного тока) имеют погрешности 0,2...0,5 %.

 Индуктивные преобразователи. Принцип действия индуктивных преобразователей основан на преобразовании измеряемой величины в индуктивность за счет изменения параметров магнитной цепи. Измерительные цепи (приборы) с индуктивными преобразователями должны содержать источник питания. Процессы, происходящие в магнитной цепи индуктивного преобразователя при воздействии измеряемой величины х, могут быть представлены в виде связи: . Изменение зазора (или положения подвижной части магнитопровода) преобразователя  изменяет магнитное сопротивление , которое оказывает влияние на магнитную проницаемость . Вследствие этого изменяются индуктивность L и полное сопротивление преобразователя Z.

 Лучшими свойствами обладают дифференциальные или трансформаторные преобразователи. Зависимость сопротивления от воздушного зазора у таких преобразователей линейна в большем, чем у рассмотренного раньше, диапазоне изменения зазора. Рабочим считают зазор, равный 0,3...0,4 начального значения. На параметры преобразователей изменение температуры оказывает меньшее влияние. Трансформаторные преобразователи получили широкое распространение в агропромышленном производстве в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.

 Тепловые измерительные преобразователи. Принцип действия тепловых преобразователей основан на изменении свойств металлов и полупроводников при воздействии температуры. Входной (измеряемой) величиной таких преобразователей является температура.

 К преобразователям относятся термопары и терморезисторы (термисторы).

 Термопары. Устройство и принцип действия термопары рассмотрены в п. 21.1. Для измерения термо-ЭДС, развиваемых термопарами, применяют магнитоэлектрические милливольтметры или компенсаторы постоянного тока. Их подключают к свободным концам термопары. Градуируют приборы с термопарами при нулевой температуре свободных концов.

 Терморезисторы. Резисторы, сопротивления которых являются функцией температуры, получили название терморезисторов. Материалом для изготовления терморезисторов служат химически чистые металлы и полупроводники, обладающие стабильным температурным коэффициентом сопротивления (зависимость сопротивления от температуры). Конструкции современных терморезисторов весьма разнообразны. Некоторые из них выполняют в виде цилиндрических стержней длиной несколько миллиметров, а минимальные размеры терморезисторов (без соединительных проводников) не превышают долей миллиметра.

  Схемы приборов для измерения температуры с терморезисторами (их иногда называют термометрами) представляют чаще всего мосты постоянного тока с одним или двумя преобразователями в ветвях. Используют несколько разновидностей схем в зависимости от требований к метрологическим свойствам приборов.

 Оптоэлектрические измерительные преобразователи. Действие оптоэлектрических преобразователей основано на известном явлении фотоэффекта. Это явление состоит в том, что под действием электромагнитного излучения в твердом теле или жидкости освобождаются носители зарядов (электроны или ионы), которые, увлекаясь внешним полем, создают ток. Различают внутренний и внешний фотоэффекты. Внутренний фотоэффект – явление, происходящее внутри кристаллической решетки твердого тела при воздействии светового потока. Внешний фотоэффект состоит в эмиссии электронов под действием светового потока, падающего на поверхность тела.

 К оптическим преобразователям относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и др.

 Фотоэлемент – оптоэлектрический измерительный преобразователь с внешним фотоэффектом. Принцип действия фотоэлементов состоит в том, что кванты света, попадая на катод, выбивают электроны, которые, увлекаясь внешним электрическим полем, создают фототок. Фотоэлементы бывают вакуумные и газонаполненные. Лавинообразный процесс нарастания фототока в газонаполненных фотоэлементах является причиной инерционности этих преобразователей. Поэтому они применяются для преобразования световых величин, изменяющихся с частотами до нескольких сотен герц.

 Для изготовления катодов фотоэлементов применяют, кроме полупроводниковых материалов, литий, натрий, цезий, калий, рубидий и различные сплавы.

  Фоторезистор – полупроводниковый преобразователь из однородного материала, электрическое сопротивление которого зависит от освещенности. Действие фоторезисторов основано на явлении изменения концентрации носителей зарядов в полупроводнике при их возбуждении световым потоком. Конструктивно фоторезисторы выполняют в виде пленки полупроводникового материала, нанесенной на стеклянную пластинку и защищенной слоем светопроницаемого лака. Для их изготовления используют сернистый висмут, свинец, кадмий, таллий и др.

 Фотодиоды. Полупроводниковый преобразователь с р–n -переходом, обратный ток через который зависит от энергии падающего светового потока, называют фотодиодом. Освещение р–n -перехода фотодиода вызывает проникновение основных носителей зарядов из освещенной зоны в область р или n. Вследствие этого уменьшается обратное сопротивление фотодиода и изменяется ток в цепи.

 Материалом для изготовления фотодиодов служат в основном германий, реже кремний (так как имеет узкую область спектральной чувствительности).

 Фототранзисторы. В фототранзисторах используются усилительные свойства р–n–р или n–р–n -переходов, включенных в обратном направлении. При этом ток коллектора фототранзистора зависит от освещенности любой из областей перехода, если толщина ее меньше диффузионной длины носителей. Вследствие того, что носители зарядов в фототранзисторе проникают в базовую область, коллекторный ток зависит от освещенности этой области. Коэффициент усиления фототока в фототранзисторе достигает 20 и более, а его чувствительность больше чувствительности фотодиода.

 Электрохимические измерительные преобразователи. В общем виде электрохимический преобразователь может быть представлен ячейкой с электролитом, в которой помещена система из двух или более электродов, включенных в измерительную цепь. Электролитическая ячейка с точки зрения электрохимии может быть представлена в виде источника ЭДС или зарядов. Под действием тока при включении электродов в электрическую цепь на них происходит падение напряжения. При изменении параметров электролита или электродов может изменяться сопротивление, емкость или индуктивность цепи, в которую включены электроды. Таким образом, возможно создание электрохимических преобразователей для измерения состава и концентрации элементов в веществе, давления, перемещения, скорости и ряда других неэлектрических величин. При этом электрические параметры ячейки с электролитом и электродами зависят от свойств и состава электролита и электродов, природы химических явлений в ячейке, температуры и скорости перемещения частиц в электролите и других факторов.

В момент времени omegaТ = 90' ток i положителен, а токи i2, i3 отрицательны (рисунок 5.16). Для этого момента времени расставляем на рисунке 5.1 а направления токов в проводниках: положительно направленный ток течет от конца С4 к началу С1, (направление «от нас» обозначено крестиком, направление «к нам» -точкой); отрицательно направленные токи текут от начала фазы к концу, т.е. в концах фаз С5 и С6 ток течет «к нам», а в началах С2 и С3 - соответственно «от нас». Образованные этими токами магнитные поля показаны в виде магнитных силовых линий. Суммарный вектор магнитной индукции В направлен вертикально вверх.

Для момента времени omega t = 210° устанавливаем по рисунку 5.16, что i2 > 0, i1 < 0 , i3 < 0. Это дает возможность расставить направления токов в обмотках так, как указано на рисунке 5.16. Построив магнитные силовые линии, можно увидеть, что вектор магнитной индукции В повернулся в пространстве на угол 120°.

Для момента времени omega t = 330°, устанавливаем по рисунку 5.16, что i1 < 0, i2 < 0, , i3 > 0. Построение картины магнитного поля

(рисунок 5.2в) дает возможность установить, что вектор магнитной индукции В повернулся в пространстве на угол 240°.

Продолжая аналогичные рассуждения, можно установить, что за время, равное одному периоду изменения тока, вектор магнитной индукции повернется в пространстве на 360°, т.е. полученное магнитное поле будет вращающимся. Можно показать, что скорость вращения магнитного поля определяется выражением:

где f - частота тона трехфазной сети, Гц,

Р - число пар полюсов двигателя.

Метод получения вращающегося магнитного поля был впервые разработан замечательным русским инженером М.О. Доливо-Добровольским.


На главный раздел сайта: Выполнение курсовой по электронике