Материал: 12. Методы и средства измерения неэлектрических величин

Для изготовления преобразователя используют проволоку из следующих материалов: константан, нихром, манганин, никель, хромель, висмут, титаноалюминиевый сплав и полупроводники. Основным требованием к материалу является малое значение температурного коэффициента электрического сопротивления, поскольку, как правило, изменение сопротивления преобразователей при исследовании деформации деталей соизмеримо с изменением сопротивления преобразователей при изменении температуры.

Размер преобразователя определяется его назначением. Чаще всего используют преобразователи с длиной продольной оси от 5 до 50 мм с сопротивлением от 30 до 500 Ом. В качестве подложки используют тонкую (0,03…0,05 мм) бумагу, пленку лака или клея, а при высоких температурах слой специального жаростойкого цемента.

Наряду с проводниковыми используются и полупроводниковые тензодат-

чики. Коэффициент тензочувствительности таких преобразователей, выпол-

ненных из полосок полупроводникового материала, обладающих n или p проводимостью, достигает нескольких сотен, однако постоянство коэффициента S , т. е. линейность характеристики преобразования, достигается лишь в узком диапазоне измеряемых значений. К тому же полупроводниковые тензодатчики обладают плохой воспроизводимостью характеристик. В настоящее время выпускаются интегральные полупроводникоые тензорезисторы, образующие мост или полумост с использованием элементов термокомпенсации.

Для металлов коэффициент тензочувствительности определяется, в основном, изменением геометрических размеров датчика, а для полупроводников – пьезорезистивным эффектом. Преимущество полупроводниковых тензодатчиков – более высокая чувствительность к деформации, недостаток – высокая чувствительность к изменению температуры.

Конструктивная особенность тензодатчика такова, что, будучи размещенным (наклеенным) на детали, его уже невозможно переместить и использовать повторно. Поэтому, для определения характеристик преобразования выполняют выборочную градуировку нескольких датчиков и распространяют полученные значения на всю партию выпущенных преобразователей. Невозможность градуировки непосредственно рабочего преобразователя приводит к появлению погрешности от неидентичности преобразователей и различного качества наклейки рабочего и градуируемого преобразователей на уровне 3...5%.

Достоинства тензопреобразователей заключаются в линейности статической характеристики преобразования, простоте конструкции, малых габаритах и массе.

Недостатками таких преобразователей являются малая чувствительность и заметная температурная зависимость выходного сигнала при саморазогреве.

Вкачестве измерительных цепей для тензодатчиков используются мосты, работающие в равновесном и неравновесном режимах. Приборы на основе тензочувствительных преобразователей позволяют измерять механические деформации, давление, усилия, крутящего момента и т. п.

Термочувствительные преобразователи (терморезисторы). Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

Впроцессе измерения между преобразователем и средой происходит теплообмен. Следовательно, поскольку сопротивление датчика зависит от температуры, то терморезистор может быть использован для измерения неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среды. При разработке преобразователя конструкцию его стараются сделать такой, чтобы он был чувствителен только к измеряемой неэлектрической физической величине, т. е. теплообмен датчика и среды определялся именно этим параметром.

По режиму работы терморезисторы разделяют на преобразователи без преднамеренного перегрева и перегревные. В преобразователях без перегрева ток, протекающий через датчик, практически не приводит к его саморазогреву. Таким образом, температура датчика, а, следовательно, и его сопротивление определяется температурой окружающей среды. Терморезисторы данной группы используются для измерения температуры в газовой и жидкой среде. В перегревных преобразователях ток вызывает перегрев датчика, причем, температура этого перегрева зависит от свойств среды. Эти терморезисторы применяются для измерения скорости, плотности, состава среды и т. д.

Для измерения температуры наиболее распространены терморезисторы или термопреобразователи сопротивления, выполненные из платиновой или медной проволоки. Например, термопреобразователи сопротивления медные (ТСМ) градуировок 50М и 100М, платиновые (ТСП) градуировок 50П и 100П. Цифры обозначают сопротивление чувствительного элемента при 0°С (50 Ом, 100 Ом), а буквы М и П – материал чувствительного элемента. Стандартные платиновые терморезисторы применяются для измерения температуры в диапазоне –

260…+1100°С, медные – в диапазоне –200…+200°С.

На рис. 12.4 приведено устройство платинового термопреобразователя.

Термодиоды и термотранзисторы, у которых изменяется сопротивление p n -перехода и падение напряжения на этом переходе под действием температуры используются для работы в диапазоне температур –80°С до +150°С. Чувствительность термотранзистора по напряжению 1,5…2,0 мВ/К, что значительно превышает чувствительность стандартных термопар, рассматриваемых далее. К достоинствам термодиодов и термотранзисторов относятся: высокая чувствительность, малая тепловая инерционность, малые размеры, высокая надежность и низкая стоимость. К недостаткам – плохая воспроизводимость статической характеристики и узкий диапазон измеряемых температур.

Динамические свойства термочувствительных преобразователей характеризуют тепловой инерционностью, определяемой показателем тепловой инерции ε . Эти преобразователи по значениям ε подразделяются на малоинерционные (до 9 с), среднеинерционные (10…80 с) и высокоинерционные (до 4 мин).

Измерительные цепи, в которые включаются термометры сопротивления, используют равновесные и неравновесные мостовые схемы, работающие в режиме ручного или автоматического уравновешивания. Широкое распространение получили мостовые схемы, где в качестве измерителя используется логометр, шкала которого проградуирована в градусах.

Терморезисторы также применяют в приборах для измерения степени разреженности газов – вакуумметрах. В основе этих приборов лежит свойство зависимости теплопроводности сильно разреженных газов от степени разрежения. Терморезисторы используют также в термоанемометрах – приборах для измерения скорости газового потока.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов магнитной цепи.

На рис. 12.5 представлена конструкция простейшего индуктивного преобразователя, где 1 – подвижный сердечник (якорь), 2 – неподвижный сердечник, 3 – немагнитная металлическая пластина, 1 и 2 – число витков первой и второй обмотки.