Измерения неэлектрических величин

При контроле технологических процессов в сельскохозяйственном производстве выполняют измерения различных неэлектрических величин с высокой точностью и чувствительностью. Этим требованиям отвечают электрические измерительные приборы. Для измерений электрическими приборами неэлектрических величин применяют устройства, предназначенные для преобразования измеряемой неэлектрической величины в функционально связанную с ней электрическую (силу тока, напряжение, сопротивление и т. п.). Такие устройства называют измерительными преобразователями или датчиками. Если неэлектрическая величина преобразуется в один из электрических параметров — сопротивление, индуктивность или емкость, то преобразователь — параметрический, если неэлектрическая величина преобразуется в ЭДС, то преобразователь —генератор н ы й.

Реостатные преобразователи. Они основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины — перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины.

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы). Они основаны на эффекте (тензоэффекте), заключающемся в изменении активного сопротивления проводника под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации. Изменение сопротивления проволоки тензодатчика при механическом воздействии на нее происходит из-за изменения геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала. Тензочувствительные преобразователи представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке) проволоку (проволочную решетку). Преобразователь наклеивают на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки.

Контактные измерительные преобразователи температуры. Контактные ртутные термометры (рис. 2.9) имеют два электрода, один из которых 2 впаян в капилляр / со ртутью, а другой 3, выполненный из тонкой вольфрамовой проволоки, можно устанавливать на заданную температуру с помощью магнитно-поворотного устройства 4. Подвижный электрод прикреплен внутри термометра к гайке, способной перемещаться по винту. Головку винта, расположенную внутри термометра, при настройке термометра вращают магнитом 4. Для соединения внешних проводов служат специальные зажимы, расположенные в верхней части термометра под пластмассовым колпачком.

Рис. 2.9. Устройство ртутного контактного термометра

При достижении заданной температуры ртутный столбик замыкает промежуток между электродами, создается электрическая цепь и в схему автоматически поступает электрический сигнал, вызывающий выполнение нужной операции. Контактные термометры применяют при регулировании температуры в сушильных шкафах, термостатах, инкубаторах, аквариумах и др.

Биметаллические преобразователи температуры состоят из двух прочно сваренных между собой металлических пластинок с различными коэффициентами теплового линейного расширения (рис. 2.10). При нагревании пластины 1 удлиняются неодинаково и происходит их изгиб в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом. При этом одни управляющие контакты 3 , связанные с преоб-

Рис. 2.10. Устройство биметаллического преобразователя температуры

Рис. 2.11. Устройство манометрических преобразователей температуры, имеющих:

а — мембранную коробку; б— сильфон; в — пружинную трубку.

разователем, замыкаются, а другие 2 размыкаются. Чтобы увеличить чувствительность биметаллического преобразователя, увеличивают его длину. Для уменьшения габаритов биметаллическую пластинку выполняют в виде спирали. Биметаллические преобразователи температуры применяют в электрических утюгах с автоматическим регулятором, в тепловых реле магнитных пускателей, в тепловых расцепителях автоматических выключателей и т. д.

Манометрические преобразователи температуры (рис. 2.11) представляют собой герметичную систему, заполненную жидкостью или газом и состоящую из теплоприемника 1, соединительной капиллярной трубки 2 и измерительного элемента, изготовленного в виде мембраны 3, сильфона 6 или пружинной трубки 7. В качестве наполнителей манометрических преобразователей используют ртуть, ацетон, эфир, спирт, азот и другие газы. Указательная стрелка, связанная с измерительным элементом, при изменениях температуры воздействует на электрические контакты 4 и J. Манометрические преобразователи применяют в термосигнализаторах и терморегуляторах.

Бесконтактные преобразователи температуры. В целях повышения надежности автоматических систем измерения и регулирования температуры применяют бесконтактные преобразователи температуры — термопары, терморезисторы, термисторы и позисторы.

Термоэлектрический термометр — термопара — состоит из двух специально подобранных проволок, одни концы которых спаяны или сварены, а другие подключены к измерительному прибору или устройству. При нагревании спая на свободных концах термо-

Рис. 2.12. Устройство терморезистора Рис. 2.13. Устройство термистора

пары появляется ЭДС, значение которой пропорционально разности температур спая и свободных концов термопары. Материалами для изготовления термопар служат сплавные пары хромелькопель, хромель-алюмель, нихром-константан и др.

Термочувствительные преобразователи (терморезисторы) работают на принципе использования зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры. Проволочный терморезистор — проволочный термометр сопротивления (рис. 2.12) — состоит из металлического кожуха 3 катушки 4, намотанной на изоляционный каркас 5 тонким изолированным медным (в термометрах сопротивления типа ТСМ) или платиновым (в термометрах сопротивления типа ТСП) проводом, и выводов 1 на клеммной колодке 2. Для уменьшения индуктивности терморезистора проволоку наматывают бифилярно. Терморезисторы используют для измерений температуры.

Термисторы — полупроводниковые термометры сопротивления, изготавливаемые из смеси окислов металлов (марганца, меди, никеля, кобальта, титана и др.). С увеличением температуры сопротивление полупроводника уменьшается по показательному закону, поэтому они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который у известных типов термисторов в 6… 10 раз больше, чем у металлов. Наиболее сильно сопротивление термистора изменяется от —100 до +120 °С. Чаще всего применяют медно-марганцевые (ММТ) и кобальтомарганцевые (КМТ) термисторы.

Термисторы выполняют с защитным кожухом в виде цилиндров, шайб, а также открытыми в виде запаянной с двух сторон трубки 1 с полупроводниковым материалом 2 внутри, от которого сделаны наружные выводы 3 (рис. 2.13).

Позисторы — полупроводниковые термометры сопротивления с положительным температурным коэффициентом.

Для измерений с высокой точностью в приборах применяют мостовые схемы постоянного тока. Электрический мост —схема, состоящая из четырех резисторов, соединенных один с другим по схеме (рис. 2.14). Резисторы Л|, Л₂, и R4 — плечи моста. Измерительный прибор Р включают в диагональ моста ab. Источник питания подключают в диагональ cd.

Если произведения сопротивлений противоположных плеч моста постоянного тока равны между собой, то мост находится в равновесии, то есть при выполнении равенства

ток через измерительный прибор равен нулю. При нарушении этого равенства стрелка измерительного прибора отклоняется от нулевого значения. Чтобы возвратить мост в равновесное состояние, нужно снова добиться выполнения указанного выше равенства.

При электрических измерениях неэлектрических величин мосты часто используют в неуравновешенном режиме, когда при изменении сопротивления одного из плеч (датчика) моста появляется ток в диагонали ab ив измерительном приборе Р. Показания измерительного прибора принимают за значение измеряемой величины.

Почвенные и пахотные термометры. В агрономической практике широко применяют почвенные и пахотные термометры, при помощи которых измеряют температуру почвы на различной глубине. Основные части этих приборов — пульт и датчик температуры. В зависимости от назначения датчик может быть смонтирован внутри термощупа или в металлическом кожухе.

На рисунке 2.15 представлена принципиальная схема пахотного термометра. Резисторы трех плеч моста Л_ь Л₂> и контрольной резистор R4 изготовлены из манганиновой проволоки, которая практически не меняет своего сопротивления при изменении температуры.

До начала измерений датчик погружают в почву. Значение температуры почвы отсчитывают по шкале измерительного прибора Р, расположенного на пульте.

Электротермометр перед началом измерений регулируют. Для этого переключателем SA к мосту вместо терморезистора подклю-

Рис. 2.15. Схема устройства пахотного термометра

Рис. 2.14. Устройство электрического моста чают контрольный резистор R4 и рукояткой потенциометра добиваются установления стрелки указательного прибора Р против последнего деления шкалы. Затем ставят переключатель 5/1 в рабочее положение и, нажав кнопку SB, измеряют температуру. Кнопка SB предназначена для кратковременного включения схемы при настройке и измерениях.

Электротермометр получает питание от электрической батареи элементов GB, которая расположена в специальной кассете пульта и легко может быть заменена.

Преобразователи влажности газов. Гигрометрические преобразователи влажности газов в качестве воспринимающего элемента имеют обезжиренный человеческий волос или пленку толщиной 5—30 мкм, изготовленную из оболочки кишок крупного рогатого скота или вискозную ленту, работающую так же, как и животная пленка, которая при увлажнении удлиняется.

Полупроводниковые преобразователи влажности — гигристор ы — изготовляют в виде тонких пленок из полупроводниковых материалов, сопротивление которых значительно уменьшается при увеличении влажности.

Кондуктометрические — высокочастотные преобразователи влажности изготовляют в виде цилиндрического или плоского конденсатора. В зависимости от влажности материала, помещенного между обкладками этого конденсатора, изменяется его емкостный или активный ток, на который реагирует измерительный стрелочный прибор.

Преобразователи уровня. Их применяют для контроля за уровнем жидкостей и сыпучих материалов, например воды, зерна, песка и т. п.

Поплавковые преобразователи (рис. 2.16, а, б) состоят из поплавка 1 и элемента (потенциометра 2 или контактов J), преобразующего значение уровня в электрическую величину.

Электродные преобразователи уровня воды (рис. 2.16, в) состоят из двух цилиндрических или плоских электродов 1 и 2. Когда уровень воды достигает преобразователя, между электродами на-

Рис. 2.16. Преобразователи уровня: а и <7— поплавковые; в — электродный; г — мембранный.

чинает проходить электрический ток, использующийся для управления водоподъемником.

Рис. 2.17. Устройство фоторезистора

В мембранных преобразователях уровня (рис. 2.16, г) заполнение бункера сыпучим материалом 5 вызывает прогиб эластичной мембраны 4, связанной с контактами 3, через которые в систему управления подается сигнал на отключение контейнера, подающего сыпучий материал.

Оптические преобразователи. Их применяют в качестве элемента автоматики (датчика), реагирующего на изменение освещенности.

Фоторезистор (рис. 2.17) представляет собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным на нее тонким слоем полупроводникового вещества 2 сернистых соединений свинца, висмута, кадмия. К противоположным концам полупроводникового слоя прикрепляют металлические электроды 5. Фоторезистор имеет пластмассовую оправу 4 с отверстием (рабочим окном) для прохода лучей света, которое покрывают светопроницаемым лаком 3. Под действием света в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов и электропроводность.

Контактные преобразователи — преобразователи, в которых входная величина преобразуется в одно из двух (замкнутое или разомкнутое) состояний контактов. В простейшем случае контактный преобразователь представляет собой пару контактов, состояние которых зависит от входной величины. Примером контактных преобразователей служат разнообразные путевые, концевые выключатели.

Датчики давления, применяемые в сельскохозяйственном производстве, представляют собой обширную группу разнообразных приборов, предназначенных для измерения давлений жидкостей и газов. Большая часть датчиков давления преобразует давление в механическое перемещение или усилие. По принципу действия датчики давления подразделяют на:

жидкостные, в которых давление или разрежение уравновешивается высотой столба жидкости;

пружинные, в которых давление уравновешивается силой упругой деформации чувствительного элемента;

поршневые, в которых давление уравновешивается силой, действующей на поршень;

комбинированные, принцип действия которых имеет смешанный характер;

электрические, в которых использовано изменение ЭДС, температуры и ионизации газа;

пьезоэлектрические, в которых использован пьезоэлектрический эффект, который может быть прямым и обратным. Прямой

эффект заключается в том, что некоторые материалы (кварц, сегнетовая соль, титанат бария) способны образовывать на гранях своих поверхностей при воздействии на них механических нагрузок электрические заряды. Обратный пьезоэффект состоит в том, что если к этим материалам прикладывать электрическое поле, то они механически деформируются. Основное достоинство всех пьезоэлектрических датчиков — их безынерционность, а основной недостаток — малая выходная мощность.

Тахометрические датчики (тахогенераторы) представляют собой маломощные электрические машины, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал. Тахогенераторы предназначены для получения напряжения, пропорционального частоте вращения. Их применяют в качестве датчиков угловой частоты вращения. В зависимости от вида выходного напряжения и конструкции различают тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Как включается в сеть амперметр?
• 2. Как измерить сопротивление изоляции электроприемника?
• 3. Как расширить пределы измерения электроизмерительных приборов?
• 4. Для чего служит тсрморезистор?
• 5. Расскажите об устройстве и работе термистора.
• 6. Каково назначение электрического моста?