)
меров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость
где е0 — диэлектрическая постянная; е — относительная |
диэлект |
рическая |
проницаемость |
среды |
между обкладками; s — активная |
площадь |
обкладок; ô — расстояние между обкладками. |
|
Из выражения для емкости видно, что преобразователь может |
быть построен |
с использованием |
зависимостей С = Д (е), С |
= /а (s), |
c = h ( Ô ) . |
|
|
|
|
|
|
а) |
\ V |
I |
ef |
б) |
|
|
-i—i |
|
Лс&М |
|
|
|
|
C'fß |
|
теш
Лччччхчччч
Рис. 245. |
Емкостные преобразователи: а — с изменяющимся |
расстоянием |
между пластинами; б — дифференциальный; |
в — дифференциальный |
с переменной активной |
площадью |
пластин; |
г |
— с переменной |
диэлектрической |
постоянной |
|
|
среды |
между |
пластинами |
|
На рис. 245 схематически показано устройство различных емко стных преобразователей. Преобразователи на рис. 245, а представ ляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной плас тины. Изменение расстояния между пластинами ô ведет к изменению емкости преобразователя.
Функция преобразования С — / 3 (Ô) нелинейна, что ограничивает диапазон изменения о. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния о, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами. необходимо учитывать пробивное напряжение воздуха (10 K B / С М для воздуха).
Такие преобразователи используются для измерения малых пе ремещений (менее 1 мм).
Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению по грешности от изменения расстояния между пластинами при колеба ниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей
преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.
В емкостных преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электри ческого поля W3 по перемещению подвижной пластины,
р _ |
d\Vy_ |
d |
icm\ |
|
dô ~ dô [ |
2 |
) ' |
где U — напряжение между |
пластинами; |
С — емкость между плас |
тинами. |
|
преобразователи (рис. 245, б), |
Применяются дифференциальные |
у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины.
При воздействии |
измеряемой величины х у |
этих преобразователей |
одновременно, но |
с разными знаками изменяются зазоры ôt и б2 , |
а следовательно, |
соответственно изменяются |
емкости Сх и С2. Диф |
ференциальные преобразователи дают возможность увеличить чув ствительность прибора, уменьшить усилие между подвижными и не подвижными пластинами, уменьшить нелинейность функции пре образования и снизить влияние внешних факторов (температуры, давления и влажности воздуха и т. д.).
Находят применение многопластинчатые емкостные преобразова тели с несколькими неподвижными и подвижными пластинами. Уве личение числа пластин ведет к увеличению емкости преобразова теля.
На рис. 245, в показано устройство дифференциального емкост ного преобразователя с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь целесообразно использовать для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемеще ний. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин.
Преобразователи с использованием зависимости С == / 1 (е) при меняются для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. д. Для примера на рис. 245, г дано устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в контролируемый сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению диэлектрической проницаемости среды между погруженными час тями электродов. Изменением конфигурации пластин можно полу чить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости.
Для измерения выходного параметра емкостных преобразова телей применяются мостовые схемы (равновесные, неравновесные) и схемы с использованием резонансных контуров. Последние поз воляют создавать приборы с высокой чувствительностью. Например, таким прибором удалось обнаружить перемещение порядка 10"7 мм.
Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в преобразователе Р = U% аС (а следовательно, и мощность, попадающую в измерительный прибор)
;
-лучи
- 0 - J
Рис: 246. Принципиаль ная схема ионизацион ного преобразователя
и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.
Достоинства емкостных преобразователей — простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерцион ности преобразователя.
Недостатками являются влияние внешних электрических полей и паразитных емкостей внешних факторов (температура, влажность), относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках повышенной частоты.
Ионизационные преобразователи. Иони зационные преобразователи основаны на явлениях или ионизации газа при прохоя^- дении через него ионизирующего излучения, или люминесценции некоторых веществ иод действием ионизирующего излучения.
Если камеру, содержащую газ, подверг нуть облучению, например, ß-лучами, то между электродами, включенными в электри ческую цепь (рис. 246), потечет электриче
ский ток. Этот ток зависит от приложенного к электродам напряжения, от плотности и состава газовой среды, размера камеры и электродов, свойств и интенсивности ионизирующего облучения и т. д. Эти зависимости используются для измерения различных не электрических величин (плотности и состава газовой среды, гео метрических размеров и т. д.).
В качестве ионизирующих агентов для этой цели в настоящее время применяются главным образом a-, ß- и у-лучи радиоактивных веществ; значительно реже — рент геновские лучи и нейтронное из
|
|
|
|
|
|
у |
лучение. Для измерения |
степени |
|
|
|
|
Ш ! |
ш / |
1 I |
ионизации |
используются |
иониза |
|
1 |
1 |
|
ционные преобразователи — иони |
|
j |
1 |
|
Л |
|
|
зационные |
камеры и ионизацион |
|
|
|
|
ные счетчики, работающие на раз |
|
Л- |
1 - " 4 |
|
|
! |
личных участках вольт-амперной |
|
ОГ ! |
1 |
|
! |
|
|
характеристики |
газового |
проме |
|
|
|
|
|
жутка |
между двумя электродами. |
|
Рис. 247. Вольт-амперная характе |
На |
рис. |
247 |
показана |
зависи |
|
мость |
тока |
1 в |
камере (рис. 246) |
|
ристика |
ионизационного |
преобразо |
|
|
|
вателя |
|
|
с постоянным составом газа от |
|
|
|
|
|
|
|
приложенного напряжения U и ин |
|
тенсивности |
облучения |
/ . На участке / |
характеристики ток |
увели |
чивается прямо пропорционально напряжению, затем рост его за медляется и на участке I I ток достигает насыщения. Это указывает на то, что все ионы, образующиеся в камере, уносятся электриче ским полем к электродам. На участке 77/ ионизационный ток снова начинает расти, что вызывается вторичной ионизацией при ударе ниях первичных электронов и ионов о нейтральные молекулы. Это
увеличение тока называется газовым усилением. При дальнейшем увеличении напряжения (участок IV) ионизационный ток перестает зависеть от первоначальной ионизации, п, наконец, наступает не прерывный разряд (участок V), который уже не зависит от воздей
ствия |
радиоактивного |
излучения. |
Ионизационные камеры работают на участках I и I I вольт-ампер |
ной |
характеристики, |
а ионизационные счетчики — на участках |
III |
и |
IV. |
|
Кроме ионизационных камер и счетчиков, в качестве ионизацион ных преобразователей применяются сцинтилляционные (люмине сцентные) счетчики. Принцип действия этих счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах — ф о с ф о р а х (активирован ные серебром сернистый цинк, сернистый кадмий и т. д.) — под дей ствием радиоактивных излучений световых вспышек (сцинтилляций), которые в счетчиках регистрируются фотоумножителями. Яркость этих вспышек, а следовательно, и ток фотоумножителя опреде ляются радиоактивным излучением.
Выбор ионизационного преобразователя зависит в значительной мере от ионизирующего излучения.
Альфа-лучи, являющиеся ядрами атома гелия, обладают большой ионизирующей способностью, но имеют малую проникающую спо собность. В твердых телах а-лучи поглощаются в очень тонких слоях (единицы, десятки микрометров). Поэтому при использовании ослучей в качестве ионизирующего агента а-излучатель необходимо помещать внутри преобразователя.
Бета-лучи представляют собой поток электронов (или позитро нов), они обладают значительно меньшей ионизирующей способно стью, чем а-лучи, но зато имеют более высокую проникающую спо собность. Длина пробега ß-частиц в твердых телах достигает не скольких миллиметров. Поэтому ß-излучатель может располагаться как внутри, так и вне преобразователя.
Изменение расстояния между электродами, площади перекрытия электродов или полоялвния источника а- и ß-радиоактивного излу чения относительно ионизационных камер или счетчиков сказывается на величине ионизационного тока. Поэтому указанные зависимости используются для измерения различых механических и геометриче ских величин.
На рис. 248 в качестве примера показано устройство ионизационного мембран ного манометра, где 1 — а- или ß-излучатель, 2 — мембрана, 3 — неподвижный электрод, изолированный от мембраны. Между электродами 1 и 3 приложена раз ность потенциалов, достаточная для достижения тока насыщения. При изменении давления Р мембрана прогибается, изменяя расстояние между электродами и величину ионизационного тока.
Проходя сквозь вещество, ß-частпцы взаимодействуют с электро нами и ядрами вещества и поглощаются веществом. Часть ß-частиц в результате взаимодействия отражается.
Поглощение ß-частиц в функции толщины слоя вещества харак теризуется следующим выражением:
где |
N — число |
ß-частиц, |
прошедших |
слой вещества толщиной d; |
Nn |
— число |
ß-частиц |
при |
отсутствии |
поглощающего |
вещества; р — |
коэффициент |
ослабления, |
имеющий размерность см"1 . |
|
|
Коэффициент |
ослабления |
|
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
= 22 |
|
|
|
|
|
|
|
u |
п.і/3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
где |
р — плотность |
вещества; |
Ет |
— максимальная |
энергия |
ß-час |
тиц. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отражение ß-частиц определяется |
выражением |
|
|
где |
N' — число |
отраженных |
ß-частиц при толщине |
слоя d; |
N'a — |
число отраженных ß-частиц при d |
|
оо; р 0 с р — коэффициент |
обрат |
ного излучения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рпс. 248. |
Ионизационный мембран- |
Рис. 249. Ионизационный плотномер |
|
ный манометр |
жидкости |
|
Эти |
зависимости дают возможность измерять толщины |
изделий |
и толщины покрытий, плотности жидкостей и газов и т. д. |
|
IIa рис. 249 приведена принципиальная схема применения |
ß-лучей |
для измерения |
плотности жидкости, |
где 1 — источник ß-излучения, |
2 — камера с |
анализируемой жидкостью, 3 — ионизационный пре |
образователь. Из предыдущих положений очевидно, что ток, про ходящий через преобразователь, является функцией плотности жидкости.
Гамма-лучи представляют собой электромагнитные колебания весьма малой длины волны (10 8 — 10~п см), возникающие при ра диоактивных превращениях. Гамма-лучи обладают большой про никающей способностью. Пучок жестких у-лучей, имеющих энергию у-квантов ІМЭВ, ослабляется вдвое слоем свинца в 1,6 см, железа — 2,4 см и алюминия — 12 см. Проходя сквозь вещество, у-лучи ос лабляются в соответствии с уравнением (для узкого пучка)
где / —интенсивность у-лучей, прошедших через тело; І0 — ин тенсивность поступающих в тело у-лучей; d — толщина тела; р —
