Файл: Чернышев Л.С. Электричество измеряет.pdf

сопротивление, применяемое в радиотехнике. Но это совсем не так. Это полупроводниковое термосопротивление. Оно получи­ ло такое название потому, что его сопротивление сильно зави­ сит от температуры. При этом очень интересным является то, что если проводники (которыми являются все металлы) при нагревании увеличивают свое сопротивление, то полупровод­ ники, наоборот, уменьшают.

Рис. 2. В кружке показано (в масштабе)

Оказывается, причиной этого являются электрические си­ лы, удерживающие электроны внутри атома около его ядра. У металлов эти силы невелики, поэтому даже при температуре ниже нуля у них имеется много свободных электронов, ото­ рвавшихся от 'Своих ядер. Эти-то электроны и создают элек­ трический ток. Зато если нагревать металл, по которому про­ текает ток, то электроны начинают при движении сильнее сталкиваться друг с другом. Вот почему сопротивление про­ водника возрастает с увеличением его нагрева.

У полупроводников же внутриатомные электрические силы велики. Даже при комнатной температуре в полупроводнике мало свободных электронов, зато при его нагревании таких электронов становится все больше и больше.

Следовательно, проводимость полупроводника с нагрева-

нием увеличивается, т. е. сопротивление падает. И падает так сильно, что при нагревании до нескольких десятков градусов уменьшается в несколько сот раз.

Термосопротивления бывают различной формы и величи­ ны. Самые маленькие из них используются для измерения температуры на поверхности листьев растений, в любой точке тела человека и даже температуры крови в вене. Очень важ­ но, что термосопротивления позволяют измерять температуру на расстоянии. С помощью термосопротивлений сейчас реша­ ются многие важные задачи.

Возьмем, например, задачу сохранения огромного количе­ ства зерна. В элеваторах поддерживается требуемая темпера­ тура и влажность воздуха. Но в толще зерна условия могут изменяться, а это может привести к его порче. Значит, нужно контролировать температуру внутри слоя зерна. Термосопротивления позволяют осуществить такой контроль весьма про­ сто. В различных точках внутри слоя зерна устанавливают термосопротивления. От них провода подводятся к контроль­ ному пункту. Здесь эти провода подключаются через сигналь­ ные лампочки к источнику тока. Если лампочки не горят, то значит ток через термосопротивления не проходит. Следова­ тельно, температура в тех точках, где помещены термосопротивления, нормальная.

Но вот загорелись одна или несколько сигнальных ламп. Тревога! Зерно греется. Сигнал подан вовремя. Порчу зерна можно предотвратить. Точно так же можно предотвратить и самовозгорание каменного угля при его длительном хранении на складах.

Очень важная задача, которая также решается с помощью термосопротивлений, — это защита электродвигателей от пе­ регрузки.

Принцип такой защиты очень прост. В обмотку электро­ двигателя помещается термосопротивление. Через источник тока оно подключается к электромагнитному реле. Пока тем­ пература обмотки двигателя не вызывает опасений (напри­ мер, 60—70°), величина термосопротивления такая, что в его цепи ток очень мал. Однако этот ток сильно возрастет при перегреве обмотки, когда величина термосопротивления зна­ чительно уменьшится, т. е. как раз тогда, когда возникнет опасность сгорания изоляции обмотки электродвигателя. В этот момент электромагнитное реле включится и, размыкая свои контакты, отключит электродвигатель от сети.

Очень важно, что подобное устройство может использо­ ваться для защиты электродвигателей различной мощности, лишь бы класс их изоляции был одним и тем же.

Таким образом, электричество позволяет нам измерять температуру в самых различных условиях. Но электричество измеряет не только температуру.

10

нах воздушного зазора, и можно осуществить взвешивание. Но при небольших изменениях зазора и изменение индуктив­ ного сопротивления датчика будет также небольшим. Поэто­ му в качестве измерительных схем используют схемы высокой чувствительности. Одной из таких схем является так назы­ ваемая мостовая схема (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема электрических крановых весов: 1—сердечник; 2—якорь.

чика, которое может меняться в определенных пределах. Ос­ тальные сопротивления представляют собой тоже катушки, но

спостоянным активным и индуктивным сопротивлением.

Кточкам А и В схемы подключается источник питания пе­ ременного тока, а к точкам Б и Г — чувствительный электро­ измерительный прибор, например микроамперметр переменно­ го тока. Можно, конечно, использовать и прибор постоянного тока, если подключить его к тем же точкам схемы через вы­ прямитель.

Если в мостовой схеме сопротивление Z\ будет во столько же раз больше или меньше сопротивления Z2, во сколько Z3

рительный прибор протекать не будет. Зато при малейшем нарушении этого -условия стрелка прибора начнет отклоняться. Таким образам, при использовании чувствительного измери­ тельного прибора схема будет реагировать даже на незначи­

12

тельное изменение сопротивления катушки датчика. В этом случае прибор также градуируют, чтобы по его шкале можно было сразу определить вес.

Размещается этот прибор в кабине крановщика. Вот поче­ му ему и известен вес груза. Такие весы можно установить на кранах различной грузоподъемности и различного назначения.

Однако груз, поднимаемый краном, можно легко взвесить и при помощи обычных товарных весов. А вот можно ли с помощью обычных грузовых весов взвесить какую-нибудь боль­ шую машину, вроде самолета «ТУ-104»? Видимо, сделать это совсем не просто. С помощью же электрических «весов» даже такое взвешивание не вызывает особых трудностей. Правда, электрические «весы», применяемые в этих случаях, работают ■по другому принципу.

Представим себе, что на металлический цилиндр, установ­ ленный вертикально, сверху действует какая-то сила (рис. 4). Под действием этой силы Р цилиндр деформируется, т. е. из­ меняет свою форму, размеры. В данном случае он будет уко­ рачиваться по высоте и увеличиваться в диаметре. При этом величина деформации будет зависеть как от свойств металла, из которого сделан цилиндр, так и от действующей на него силы. А это-то как раз и важно. Ведь если на один я тот же цилиндр будет действовать различная сила, то только вели­ чиной силы будет вызвана различная деформация цилиндра. Значит, измерив деформацию, можно определить и силу.

Деформация может быть вызвана и весом. Тогда можно таким же способом определить вес. Следовательно, в данном случае вся задача по определению веса сводится к измерению деформации. Ее можно измерить с помощью различных элек­ тротензометров, т. е. электрических приборов, предназначен­ ных для измерения деформаций. Одним из таких приборов яв­ ляется проволочный тензометр.

Еще в 1881 году русский физик О. Д. Хвольеон установил, что деформация проволоки приводит не только к изменению ее формы и размеров, но и к изменению некоторых свойств, а именно, к изменению удельного сопротивления, правда, незна­ чительному. Проволочный тензометр очень прост по устрой­ ству. Основным его элементом является проволочный датчик. Он представляет собой тонкую проволоку с большим удель­ ным сопротивлением, уложенную на бумажную основу (базу) и прочно приклеенную к ней.

Для измерения деформаций такой датчик также наклеи­ вается на деформируемую деталь. При этом наклейка должна осуществляться так прочно, чтобы деформация детали хоро­ шо передавалась датчику. Обычно в качестве клея в этом слу­ чае используется бакелитовый клей, т. е. растворенная баке­ литовая смола.

13

На рисунке 4 показана схема измерения силы Р, действую­ щей на металлический цилиндр 2, с помощью проволочного датчика 1. Сопротивление датчика Ri, а также сопротивления R2, R3 и Ri образуют мостовую измерительную схему, которая питается от батареи Е.

Рис. 4. Схема электрического тензометра: 1■—проволочный датчик; 2—деформируемая деталь; 3—уси­ литель; 4—измерительный прибор; 5—измерительная схема.

Когда сила Р не действует на цилиндр, то для нашей схе-

кого сигнала на усилитель 3 не поступит. Значит, сигнал не поступит и на электроизмерительный прибор 4. Однако ука­ занное равенство нарушится, как только начнет действовать сила Р, приводящая к деформации цилиндра. В этом случае усиленный сигнал будет измерен прибором, который и укажет на своей шкале величину силы.

Такие схемы обладают очень большой чувствительностью и могут измерять малейшие деформации.

Однако они сложны. Чтобы упростить схему и сделать ее более чувствительной, в настоящее время в качестве датчиков используют также висмутовые пленки. На пропитанную лаком ткань (так называемую лакоткань) наносят тонкий слой вис­ мута. Оказывается, что при деформации такой пленки ее со­

14

противление меняется в несколько раз сильнее, чем у прово­ лочных тензометров. Следовательно, тензометры с примене­ нием пленок являются и чувствительными и очень про­ стыми.

Конечно, во всех случаях, независимо от типа тензодат­ чика, измерительный прибор, используемый в схеме, должен быть отградуирован так, чтобы по его шкале можно было вести отсчет силы или веса.

Для взвешивания самолета используются проволочные тен­ зометры. При взвешивании самолет устанавливается на три специальные подставки так, что он своим .весом давит на ме­ таллические стержни с приклеенными к ним проволочными датчиками. От датчиков отходят тонкие соединительные про­ водники и подключаются к измерительной схеме, которая по­ мещается в небольшом чемодане.

Важно, конечно, знать вес самолета и других машин боль­ шого размера и веса. Но, очевидно, еще важнее знать, как будут вести себя различные материалы, из которых делают машины, строят дома, мосты, самолеты, ракеты и многое другое.

А для того чтобы это знать, нужно определить те силы, которые вызывают опасные деформации, приводящие к разру­ шению материалов.

Значит, подобные «весы» можно использовать и для разно­ образных исследований. Только теперь приборы будут как бы взвешивать различные материалы с тем, чтобы определить, на­ сколько тот или иной материал можно применить для созда­ ния, например, станков, самолетов или автомобилей.

■По глади асфальта мчится автомобиль. Ровно гудит мотор... Но вот он заработал с перебоями и остановился. Что -случилось? Что-нибудь серьезное? Оказыватся, просто кончился 'бензин.

На земле такой случай — сущий пустяк. А случись это в воздухе — все -было -бы значительно серьезнее. Значит, -пилот должен всегда знать, какое количество горючего осталось -в баке самолета. Но как это сделать?

На .помощь снова пришло электричество. Теперь -на всех самолетах и автомобилях имеются -приборы, измеряющие уро­ вень горючего в баках. Достигается это с помощью довольно простого устройства (рис. 5) .

В баке для горючего находится небольшой поплавок. Он связан рычагом с ползунко-м маленького -проволочного -реоста­ та-датчика, укрепленного -в закрытой коробке. При каждом изменении уровня -горючего положение поплавка в -баке ме­ няется, а .вместе с ним меняется и положение ползунка рео­ стата.

15