Файл: Электрические измерения. Общий курс учебник.pdf

Таблица 13

Для защиты от внешних воздействий (давления, агрессивных га­ зов и т. д.) электроды, изолированные фарфоровыми бусами, поме­ щаются в защитную арматуру, конструктивно похожую на арматуру термометров сопротивления (рис. 237, б). Кроме стандартных термо­ пар, применяются другие термопары, отличающиеся по своим харак­ теристикам от стандартных.

Для удобства стабилизации температуры свободных концов иногда целесообразно термопару удлинить с помощью особых проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материа­ лов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных темпе­ ратур свободных концов (обычно от 0 до 100° С). Иначе говоря, эти особые удлинительные провода должны иметь в указанном интервале

Известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет 15—20 с. Термопары в обыч­ ной арматуре имеют показатель тепловой инерции, равный несколь­ ким минутам.

Индукционные преобразователи. Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции,

340

согласно которому о. д. с. е, индуктированная в катушке из w витков, равна:

аф

(ІФ

где -^- — скорость изменения магнитного потока, сцепленного с ка­

тушкой.

Индукционные преобразователи применяются для измерения ско­ рости линейных и угловых перемещений.

Выходной сигнал индукционных преобразователей может быть проинтегрирован или продифференцирован во времени с помощью электрических интегрирующих или дифференцирующих устройств. После этих преобразований сигнал становится пропорциональным соответственно перемещению или ускорению.

Поэтому индукционные преобразователи ис­ пользуются также для измерения линейных

иугловых перемещений и ускорений. Наибольшее применение индукционные

буждением от постоянного магнита, ротор которых механически связан с испытуемым валом. При использо­

вании генератора постоянного тока о скорости судят по э. д. с. ге­ нератора, а в случае применения генератора переменного тока ско­ рость можно определить по величине э. д. с. или ее частоте.

При использовании зависимости частоты э. д. с. генератора от скорости получается большая точность измерения, чем при исполь­ зовании зависимости величины э. д. с. от скорости, так как в послед­ нем случае влияет непостоянство магнитного потока генератора.

На рис. 254 показано устройство индукционного преобразователя для измерения скорости линейного перемещения, а также амплитуды перемещения и ускорения. Преобразователь представляет собой цилиндрическую катушку 1, перемещающуюся в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней возникает э. д. с , пропорциональная скорости перемещения.

Погрешности индукционных преобразователей определяются глав­ ным образом изменением магнитного поля с течением времени и при изменении температуры, а также температурными изменениями со­ противления обмотки.

341

Основные достоинства индукционных преобразователей заклю­

образователи основаны на использовании прямого пьезоэлектриче­ ского эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.

Из кристаллов кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси (9z, механической оси Oy и электрической оси Ох кристалла (рис. 255, а и б).

Рис. 255. Кристалл кварца (а) и пластинка, вырезанная из кристал­ ла кварца (б)

При воздействии на пластину усилия F (х) вдоль электрической оси на гранях х появляются заряды

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления газа показан на рис. 256. Давление Р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металличе­ скими прокладками 2 кварцевые пластинки 3. Шарик 4 служит для равномерного распределения давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала.

При воздействии давления Р между выводом 5 и корпусом преоб­

342

где Чх — заряд, возникающий на пластинке кварца; 6'п — емкость преобразователя; С0 — емкость проводов и входной цепи при­ бора, измеряющего разность потенциалов; к — пьезоэлектрический модуль кварца; s — поверхность мембраны, подверженная дав­ лению.

По разности потенциалов U судят о величине давления Р.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом приме­ няется кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными ка­ чествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характери­ стики от температуры в широких пределах. Используется также титанат бария (ВаТі03 ) в виде керамики. Титанат бария имеет значи­

«стекает» по сопротивлению изоляции и входному сопротивлению из­ мерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность по­ тенциалов на пьезоэлектрических преобразователях, должны иметь высокое входное сопротивление (101 2 —101 6 Ом), что практически обеспечивается применением электронных электрометрических уси­ лителей.

Из-за «стекания» заряда эти преобразователи используются для измерения только быстро изменяющихся величин (переменных уси­ лий, давлений, параметров вибраций и т. д.).

Гальванические преобразователи (преобразователи pH-метров). Реакция растворов (кислая, нейтральная, щелочная) зависит от кон­ центрации водородных ионов. Концентрацию водородных лонов в растворе можно определить по разности потенциалов, которая возникает на различных электродах, опущенных в исследуемый раствор.

Рассмотрим зависимость свойства раствора от концентрации водородных ионов.

Самая чистая вода имеет слабую, но вполне определенную электро­ проводность, что объясняется ионизацией воды, которая происходит по схеме

H 2 O î t H + + OH-.

343

При равновесии процесса диссоциации (образования ионов) и процесса воссоединения из ионов молекул воды произведение кон­ центрации положительных [ГІ+] и отрицательных [ОН- ] ионов в воде

Так как из одной молекулы воды получается один полояштельный

станет меньше, чем в нейтральном растворе, за счет воссоединения части образовавшихся ионов [Н+ ] с ионами [ОН~] именно в таком ко­ личестве, чтобы выполнялось условие

[Н-Ч-[ОН-] = 10-".

При растворении в воде щелочей концентрация [ОН"] становится больше, а концентрация [Н+ ] соответственно уменьшается.

Таким образом, концентрацией водородных ионов можно харак­ теризовать любые растворы: кислые, нейтральные и щелочные.

Концентрацию водородных ионов удобно численно характеризо­ вать отрицательным логарифмом концентрации — водородным пока­

Для измерения концентрации водородных ионов, т. е. для опре­ деления pH, широко применяется метод, основанный на измерении электродного (пограничного) потенциала.

Если какой-либо металл погрузить в раствор, содержащий его

где Е0 — потенциал электрода при концентрации его ионов в рас­ творе, равной единице; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; п — валентность ионов металла; F — число Фарадея;

С— концентрация в растворе ионов металла электрода. Аналогично ведет себя и водород.

Для получения электродного потенциала между водородом и ра­

створом, содержащим ионы [Н+ ], необходимо иметь так называемый водородный электрод. Водородный электрод можно создать, вос­ пользовавшись свойством водорода адсорбироваться на поверхности платины, иридия и палладия. Обычно в качестве водородного элек-

344