Генераторные преобразователи – термоэлектрические, индукционные. Что понимают под «диапазоном измерений» и «диапазоном показаний» измерительного прибора. Принцип работы, применение мостов постоянного

Преобразователи, в которых скорость изменения измеряе­мой величины преобразуется в индуктированную э.д.с., называются индукционными и являются разновидностью электромагнитных преобразователей.
В данных преобразователях естественной входной величиной является скорость механического перемещения (и поэтому непосредственно они могут применяться только для измерения: скорости линейных и угловых перемещений), а выходной величиной является индуктированная э.д.с.
Электроизмерительный мост – это электрический прибор для измерения сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей и др. электрических величин; представляет собой измерительную мостовую цепь, действие которой основано на методе сравнения измеряемой величины с образцовоймерой. Метод сравнения даёт весьма точные результаты, вследствие чего М. и. получили широкое распространение как в лабораторной, так и в производственной практике.
В промышленности широко применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты. Уравновешенные мосты (наиболее точные) – работа их основана на нулевом методе. Неуравновешенные мосты (менее точные) – измеряемую величину определяютпо показаниям измерительного прибора. Измерительные мосты подразделяются на неавтоматические и автоматические. В неавтоматических мостах балансирование производится вручную оператором. В автоматических балансировка моста происходит с помощью сервопривода по величине и знаку напряжения разбалансирования.
1 ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ – ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ИНДУКЦИОННЫЕ1.1 Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалыТепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.
Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1а), причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников.
Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, – термоэлектродами, а места их соединения – спаями.
При небольшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разности температур.
Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, подчиняющихся закону Ома, величина термо-э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.
Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем.
Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.
Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорциональна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье.
Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако э.д.с. Томсона и дополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.
К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при = 300° не превышает = 13%, а при= 100° значение= 5%), поэтому термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д. термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° – только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.
Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры.
При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой – отрицательную термо-э.д.с. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).
Для повышения выходной э.д.с. используется несколько термопар, образующих термобатарею. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы – на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной [1].
1.2 Принцип действия и конструкция индукционного преобразователяИндукционным преобразователем принято называть преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется Потокосцепление катушки с внешним по отношению к катушке магнитным нолем. При этом в катушке наводится ЭДС:
e=-dψ/dt.
Потокосцепление:
ψ=wФ=wBQ.
Рисунок 1 – Схема индукционного преобразователя: w — число витков катушки; Ф — проходящий через нее поток; Q — площадь, через которую проходит данный поток; В — индукция магнитного поля.
ЭДС в катушке может наводиться при изменении во времени любой из перечисленных величин w, В, Q.
В качестве примера рассмотрим преобразователь, который представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка (рис. 1). При движении катушки с изменением х изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, Q = bх. Это приводит к изменению потокосцепления ψ = wBbx, и в катушке наводится ЭДС:
e=-dФ/dt=-wBb(dx/dt).
Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной dx/dt или угловой da/dt скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Οʜᴎ являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.
Различают ряд типов преобразователей:
Преобразователи скорости вибрации.
Тахометрические преобразователи.
Импульсные преобразователи.
ЭДС индукционных преобразователей пропорциональна скорости перемещения катушки лишь при условии, что индукция В постоянна на протяжении всего пути ее перемещения. Непостоянство индукции вызывает возникновение погрешности [2].
Погрешность индукционных преобразователей также во многом зависит от тока, который потребляет вторичный преобразователь. Проходя по измерительной обмотке индукционного преобразователя, данный ток создает магнитное поле, которое согласно правилу Ленца направлено встречно направлению основного поля и производит размагничивающее действие. Вследствие этого суммарная индукция уменьшается, уменьшается и ЭДС преобразователя. Это явление, имеющее место в электрических машинах и, в частности, в тахометрических преобразователях принято называть реакцией якоря. Вследствие реакции якоря уменьшается чувствительность тахометрического преобразователя и его функция преобразования становится нелинейной, что приводит к погрешности. Для уменьшения погрешности следует уменьшить ток преобразователя. Имеются также конструктивные методы уменьшения этой погрешности.
2 ЧТО ПОНИМАЮТ ПОД «ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕРЕНИЙ» И «ДИАПАЗОНОМ ПОКАЗАНИЙ» ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРАДиапазон измерений СИ – область значений величины, в пределах которой нормированы (официально установлены) допускаемые пределы погрешности СИ. Нельзя путать диапазон измерений с диапазоном показаний.
Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значением шкалы. На рис. 2 диапазон показаний СИ совпадает с диапазоном измерений. Если предположить, что шкала данного прибора ограничена значениями от минус 50 до 50, то диапазон измерений (от минус 30 до 30) не будет совпадать с диапазоном показаний (от минус 50 до 50) [3].
Рисунок 2 – шкала измерительного прибора
3 ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПРИМЕНЕНИЕ МОСТОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА3.1 Одинарные мосты постоянного токаНаиболее простой реализацией метода сравнения является одинарный мост постоянного тока для измерения сопротивлений (мостик Уитстона). Принципиальная схема мостика постоянного тока представлена на рисунке 3 и состоит из четырех резисторов r0, r1, r2 и rx (плечи мостика), которые образуют четырехполюсник с двумя парами зажимов. Точки соединения резисторов называются вершинами мостика. На зажимы С и D подается питание от источника E (так называемая диагональ питания). Зажимы А и В являются исходными, к ним подсоединяют измеряемый прибор, а диагональ моста АВ называется измерительной или индикаторной. В плечо моста АD включен магазин сопротивлений r0 ,в DB измерительное сопротивление rx.
Изменяя величину сопротивления переменного резистора r0 (рис. 3, а) или соотношение между сопротивлениями резисторов (рис. 3, б), добиваются того, чтобы в цепи гальванометра ток I3 отсутствовал [4].
Рисунок 3 – Схема одинарного моста постоянного тока для измерения сопротивлений.
Это означает, что потенциалы вершин А и В (φA и φB) равны. Если напряжение на клеммах источника U, то сила тока в верхних и нижних витках соответственно равна, и преобразуя неравенство φA= φB мы получаем пропорцию:
r2r1=rxr03.2 Уравновешивание моста
Очевидно, что уравновесить мост, то есть выполнить условие пропорции сопротивлений, можно двумя способами: изменяя отношение r2r1, или при неизменных r1 и r2 регулировать значение сопротивления резистора r0, который в данной схеме играет роль меры.
В первом случае резисторы r1 и r2 являются частями переменного резистора – реохорда, включенного между точками А и В. Подвижный контакт реохорда определяет точку С.
При перемещении ползунка меняется отношение r2r1, что позволяет уравновесить мост. Сопротивления r1 и r2 при этом пропорциональны соответствующим длинам l1 и l2 частей реохорда, поэтому условие равновесия можно переписать в виде:
rx=r0l2l1В более точных приборах резистор r0 изготовлен в виде высокоточного магазина сопротивлений с несколькими (5-6) декадами и размещен в одном корпусе с резисторами r1 и r2, соотношение сопротивлений которых можно менять специальным переключателем. В этот корпус могут быть встроены гальванометр и источник тока или, кроме клемм для подключения rx еще клеммы для подключения внешнего гальванометра и внешнего источника питания. После установки нужного соотношения плеч уравновешивания такого мостика осуществляется уже не плавно изменением r1 и r2 с помощью декад магазина сопротивлений.
3.3 Автоматический мост постоянного токаВ автоматических мостиках (рис. 4) операцию уравновешивания осуществляет специальный реверсивный (изменяющий направление вращения при изменении знака напряжения, которое на него подается) электродвигатель 2.
С диагоналей моста через усилитель 1 на двигатель подается напряжение того или иного знака, в результате чего двигатель передвигает в ту или иную сторону ползунок 3 реохорда r0 до тех пор, пока мостик не уравновесится, то есть на вход усилителя не перестанет поступать сигнал дисбаланса.
Автоматический мостик можно сделать одновременно регистрирующим прибором, то есть способным непрерывно записывать значения сопротивлений, которые меняются со временем. Для этого достаточно механически (как правило тросиком) связать двигатель не только с ползунком реохорда, но и с кареткой, которая перемещается вдоль стержня. На каретке крепится перо, под которым равномерно перемещается бумажная лента 5. В ходе измерения на ленте строится график зависимости величины rx от времени [5].
Рисунок 4 – Схема автоматического самописного мостика постоянного тока.
ЗАКЛЮЧЕНИЕНекоторые виды электроизмерительных преобразователей способны преобразовывать давление, температуру, перемещение в электрический сигнал. Такие устройства называют генераторными преобразователями неэлектрических величин в электрические.
Наиболее распространенными среди генераторных преобразователей: термоэлектрические, индукционные, пьезоэлектрические и гальванические.
Термоэлектрический преобразователь, способный преобразовывать температуру в электричество иначе называют термопарой. Термопара представляет собой спаянные по концам проводники из разнородных металлов.
При нагреве одной из точек соединения между металлами начинается обмен молекулами, это явление называется термоЭДС. Если в разрыв термопары подключить милливольтметр, и нагревать один из концов, прибор покажет некоторое значение ЭДС.
Измерительный мост – электрическая схема, усовершенствованная английским физиком Чарльзом Уинстоном. Она источник постоянного тока и базовая мостовая схема, которую применяют в конструкциях многих измерительных приборов. Например, в устройствах контроля и измерения температур – термометрах.
Конструктивно современные мосты обычно выполняют в металлическом корпусе, на панели которого размещаются ручки магазина сопротивлений (плечо сравнения), переключатели плеч отношения, зажимы для подключения измеряемого объекта, наружного гальванометра, источника питания. Некоторые мосты выпускаются со встроенными гальванометрами.
Для измерения сопротивлений в широком диапазоне промыш­ленность выпускает одинарные и одинарно-двойные мосты. Например, одинарно-двойной мост Р3009 предназначен для измерений на постоянном токе сопротивлений от 10-8 до 1010 Ом. Основная допускаемая погрешность моста определяется классом точности, который для этого моста гарантируется от k = 2 до k = 0,02 в зависимости от поддиапазона измерений.
Список используемых источников
Фарзане Н. Г. и др. Технологические измерения и приборы. – М.: Высшая школа, 1989.
Жарковский Б. И. Приборы автоматического контроля и регулирования. – М.: Высшая школа, 1989.
Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. – М.: Изд-во стандартов, 1978.
Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства. – М.: Энергоатомидат, 1985.
Справочник по измерительным приборам /Под ред. Илюнина К. К. М.; Энергоатомиздат, 1983.