Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiar różnych wielkości nieelektrycznych (przemieszczeń, sił, temperatur itp.) metodami elektrycznymi odbywa się za pomocą urządzeń i przyrządów, które przekształcają wielkości nieelektryczne w wielkości zależne elektrycznie, które są mierzone za pomocą elektrycznych przyrządów pomiarowych o wagi wzorcowane w jednostkach mierzonych wielkości nieelektrycznych.

Przetworniki wielkości nieelektrycznych na elektryczne lub czujniki z podziałem na parametryczne oparte na zmianie dowolnego parametru elektrycznego lub magnetycznego (rezystancja, indukcyjność, pojemność, przenikalność magnetyczna itp.) pod wpływem wielkości mierzonej oraz generator, w którym zmierzona wielkość nieelektryczna jest przekształcana w e. itp. (indukcyjne, termoelektryczne, fotoelektryczne, piezoelektryczne i inne). Przetwornice parametryczne wymagają zewnętrznego źródła energii elektrycznej, a same agregaty prądotwórcze są źródłami prądu.

Ten sam przetwornik może służyć do pomiaru różnych wielkości nieelektrycznych i odwrotnie, pomiar dowolnych wielkości nieelektrycznych można wykonać za pomocą różnych typów przetworników.

Oprócz przetworników i elektrycznych urządzeń pomiarowych instalacje do pomiaru wielkości nieelektrycznych posiadają połączenia pośrednie — stabilizatory, prostowniki, wzmacniacze, mostki pomiarowe itp.

Do pomiaru przemieszczeń liniowych stosuje się przetworniki indukcyjne — urządzenia elektromagnetyczne, w których parametry obwodu elektrycznego i magnetycznego zmieniają się podczas ruchu ferromagnetycznego obwodu magnetycznego lub zwory połączonej z częścią ruchomą.

Aby przekonwertować znaczne przemieszczenia na wartość elektryczną, stosuje się przetwornik z ruchomym ferromagnetycznym ruchem translacyjnym magi-przewodnikiem (ryc. 1, a). Ponieważ położenie obwodu magnetycznego określa indukcyjność przetwornika (ryc. 1, b), a zatem jego impedancję, to przy ustabilizowanym napięciu źródła energii elektrycznej o napięciu przemiennym o stałej częstotliwości zasilającej obwód przetwornika, na podstawie prądu można oszacować ruch części połączonej mechanicznie z obwodem magnetycznym... Skala przyrządu wyskalowana jest w odpowiednich jednostkach miary, np. w milimetrach (mm).

Ryż. 1. Przetwornik indukcyjny z ruchomym ferromagnetycznym obwodem magnetycznym: a — schemat urządzenia, b — wykres zależności indukcyjności przetwornika od położenia jego obwodu magnetycznego.

Aby przekształcić małe przemieszczenia w wartość dogodną do pomiaru elektrycznego, stosuje się przetworniki ze zmienną szczeliną powietrzną w postaci podkowy z cewką i zworą (ryc. 2, a), która jest mocno połączona z częścią ruchomą. Każdy ruch twornika prowadzi do zmiany prądu / w cewce (ryc. 2, b), co pozwala skalibrować skalę elektrycznego urządzenia pomiarowego w jednostkach miary, na przykład w mikrometrach (μm), przy stałym napięciu przemiennym o stałej częstotliwości.

Ryż. 2. Przetwornica indukcyjna ze zmienną szczeliną powietrzną: a — schemat urządzenia, b — wykres zależności prądu cewki przetwornicy od szczeliny powietrznej w układzie magnetycznym.

Różnicowe przekształtniki indukcyjne z dwoma identycznymi układami magnetycznymi i jednym wspólnym tworem, rozmieszczonymi symetrycznie do dwóch obwodów magnetycznych ze szczeliną powietrzną o tej samej długości (rys. 3), w których liniowy ruch twornika z jego położenia środkowego zmienia obie szczeliny powietrzne równo, ale z różnymi znakami, które zaburzają równowagę wstępnie zbalansowanego, czterocewkowego mostka AC. Umożliwia to oszacowanie ruchu twornika zgodnie z prądem przekątnej pomiarowej mostka, jeśli odbiera on moc przy ustabilizowanym napięciu przemiennym o stałej częstotliwości.

Ryż. 3. Schemat urządzenia różnicowego przetwornika indukcyjnego.

Służy do pomiaru sił mechanicznych, naprężeń i odkształceń sprężystych występujących w częściach i zespołach różnych konstrukcji drut - przetworniki naprężenia, które odkształcając się wraz z badanymi częściami zmieniają swoją rezystancję elektryczną.Zazwyczaj rezystancja tensometru wynosi kilkaset omów, a względna zmiana jego rezystancji wynosi jedną dziesiątą procenta i zależy od odkształcenia, które w granicach sprężystości jest wprost proporcjonalne do przyłożonych sił i wynikających z nich naprężeń mechanicznych.

Tensometry wykonane są w postaci drutu zygzakowatego o wysokiej rezystancji (konstantan, nichrom, mangan) o średnicy 0,02-0,04 mm lub ze specjalnie przetworzonej folii miedzianej o grubości 0,1-0,15 mm, które są uszczelnione lakier bakelitowy między dwiema cienkimi warstwami papieru i poddany obróbce cieplnej (ryc. 4, a).

Ryż. 4. Tenometr: a — schemat urządzenia: 1 — część odkształcalna, 2 — cienki papier, 3 — drut, 4 — klej, 5 — zaciski, b — obwód do podłączenia mostka rezystora niezbalansowanego do ramienia.

Wytworzony tensometr przykleja się bardzo cienką warstwą kleju izolacyjnego do dobrze oczyszczonej odkształcalnej części, tak aby kierunek oczekiwanego odkształcenia części pokrywał się z kierunkiem długich boków pętli drutu. Gdy korpus jest zdeformowany, przyklejony tensometr dostrzega to samo odkształcenie, które zmienia jego opór elektryczny ze względu na zmianę wymiarów drutu czujnikowego, a także strukturę jego materiału, co wpływa na rezystancję właściwą drutu.

Ponieważ względna zmiana rezystancji tensometru jest wprost proporcjonalna do liniowego odkształcenia badanego ciała i odpowiednio do naprężeń mechanicznych wewnętrznych sił sprężystych, to korzystając z odczytów galwanometru na przekątnej pomiarowej wstępnie zrównoważony mostek rezystorowy, którego jednym z ramion jest tensometr, może oszacować wartość mierzonych wielkości mechanicznych (ryc. 4, b).

Zastosowanie niesymetrycznego mostka rezystorów wymaga stabilizacji napięcia źródła zasilania lub zastosowania przekładni magnetoelektrycznej jako elektrycznego przyrządu pomiarowego, na którego odczytach następuje zmiana napięcia w granicach ± ​​20% napięcia nominalnego wskazanego na skali urządzenia nie ma znaczącego wpływu.

Użyj przetworników termoczułych i termoelektrycznych do pomiaru temperatury różnych mediów... Przetworniki termoczułe obejmują termistory metalowe i półprzewodnikowe, których rezystancja w dużej mierze zależy od temperatury (ryc. 5, a).

Najbardziej rozpowszechnione są termistory platynowe do pomiaru temperatur w zakresie od -260 do +1100°C i termistory miedziane do zakresu temperatur od -200 do +200°C, a także termistory półprzewodnikowe o ujemnym współczynniku oporu elektrycznego — termistory , charakteryzujący się dużą czułością i niewielkimi rozmiarami w porównaniu do termistorów metalowych, do pomiaru temperatur od -60 do +120°C.

W celu ochrony przetworników wrażliwych na temperaturę przed uszkodzeniem umieszcza się je w cienkościennej rurce stalowej z uszczelnionym dnem i urządzeniem do łączenia przewodów z przewodami niezbalansowanego mostka rezystorowego (ryc. 5, b), co umożliwia do oszacowania zmierzonej temperatury wzdłuż prądu przekątnej pomiarowej.Skala współczynnika magnetoelektrycznego używana jako miernik jest wyskalowana w stopniach Celsjusza (°C).

Ryż. 5. Termistory: a — wykresy zależności zmiany rezystancji względnej metali od temperatury, b — obwód do podłączenia termistorów do ramienia niezrównoważonego mostka oporowego.

Termoelektryczne przetworniki temperatury — termopary, generacja małych e. ​​itp. c. pod wpływem ogrzewania związku dwóch różnych metali umieszcza się je w osłonie ochronnej z tworzywa sztucznego, metalu lub porcelany w obszarze mierzonych temperatur (ryc. 6, a, b).

Ryż. 6. Termopary: a — wykresy zależności d itd. p. dla temperatury termopar: TEP-platyna-rod-platyna, TXA-chromel-alumel, THK-chromel-copel, b-schemat montażu do pomiaru temperatury za pomocą termopary.

Wolne końce termopary są połączone jednorodnymi przewodami z magnetoelektrycznym miliwoltomierzem, którego skala jest wyskalowana w stopniach Celsjusza. Do najpowszechniej stosowanych termopar należą: platynowo-rodowe — platynowe do pomiaru temperatur do 1300°C i krótkotrwale do 1600°C, chromowo-alumelowe do temperatur odpowiadających wskazanym reżimom — 1000°C i 1300°C oraz chromel- bastard, przeznaczony do długotrwałego pomiaru temperatur do 600°C i krótkotrwałego - do 800°C.

Elektryczne metody pomiaru różnych wielkości nieelektrycznych, mają szerokie zastosowanie w praktyce, ponieważ zapewniają dużą dokładność pomiaru, różnią się szerokim zakresem mierzonych wartości, umożliwiają pomiary i ich rejestrację w znacznej odległości od położenia kontrolowanego obiektu, a także dają możliwość wykonywania pomiarów w trudno dostępnych miejscach.