16.2 Генераторные преобразователи неэлектрических величин

Как отмечалось выше, в генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС, ток или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Это преобразователи генераторного типа, однако, их выходная мощность мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с возможно большим входным сопротивлением (10¹¹ Ом и более).

В пьезоэлектрических преобразователях применяют главным образом кварц, который обладает высокой механической прочностью и очень слабой зависимостью параметров от температуры.

На рисунке 16.11 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя давления.

Измеряемое давление Р действует на мембрану 7, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Электрический заряд Q, возникающий на кварцевых пластинах, пропорционален давлению Р, т. е. справедливо равенство (16.7)

Q = kF = kPS, (16.7)

где k - пьезоэлектрический коэффициент;

F - сила, воздействующая на пьезоэлектрик;

S- площадь мембраны.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем измерительной цепью, представлена на рисунке 16.12, на котором С₀ - емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); C_вх - емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; R₀ - сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; R_вх - входное сопротивление измерительной цепи.

Рисунок 16.11 - Пьезоэлектрический Рисунок 16.12 - Эквивалентная

преобразователь схема пьезоэлектрического

преобразователя

При синусоидальной воздействующей силе F=F_msin t получим равенство (16.8)

U_вых = k Fj R / (1 + j RC), (16.8)

где R=R₀ּR_вх/(R₀+R_вх);

С=С_о+C_вх.

Как видно из (16.8), амплитуда выходного напряжения и сдвиг фаз между этим напряжением и измеряемой силой зависят от частоты. Зависимость показана в (16.9)

, (16.9)

Амплитудно-частотная S ( / ₀) и фазочастотная ( / ₀) характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь, представлены на рисунке 16.13. Анализ частотных характеристик показывает, что пьезоэлектрические преобразователи могут быть использованы только для измерений быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т. д.). Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке, имеющей витков, вычисляется согласно (16.10)

e = (dФ/dt), (16.10)

где Ф - магнитный поток, сцепленный с катушкой.

Индукционные преобразователи применяются для измерений скорости линейных и угловых перемещений. Наибольшее применение они получили в приборах для измерения угловой скорости (тахометрах) и в приборах для измерения параметров вибраций, т. е. для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений (в виброметрах и акселерометрах). Очевидно, что для получения перемещений или ускорений необходимо соответственно проинтегрировать или продифференцировать выходной сигнал индукционного преобразователя.

Рисунок 16.13 - Частотные характеристики пьезоэлектрического преобразователя

Рисунок 16.14 – Индукционный преобразователь

На рисунке 16.14 схематически показан индукционный преобразователь линейных перемещений. Он представляет собой цилиндрическую катушку, 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 ЭДС, пропорциональная скорости перемещения. Индукционные преобразователи просты по конструкции, надежны в работе, но имеют ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры, которые были подробно рассмотрены в разделе 14 «Измерение температуры». Для примера:

Рисунок 16.15 – Термоэлектрические Рисунок 16.16 - Гальванический

преобразователи преобразователь

Для стандартных термопар имеются градуировочные таблицы (ГОСТ 3044-77).

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар составляет единицы минут. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит в пределах 5-20 с и ниже. Гальванические преобразователи основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от концентрации ионов в электролите и окислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах. Наиболее широко гальванические преобразователи используется в качестве преобразователей рН-метров - приборов для измерения активности (концентрации) водородных ионов. Свойства различных растворов (нейтральных, кислых, щелочных) зависят от концентрации в них водородных ионов. В дистиллированной воде происходит диссоциация части молекул на ионы водорода Н⁺ и ионы гидроксила ОН^- по схеме Н₂О = Н⁺ +ОН^-.

Это объясняет наличие слабой проводимости у дистиллированной воды При равновесии процессов диссоциации и восстановления молекул воды из ионов остается постоянным так называемое ионное произведение а_он, а_{н+ ,} где а_н+ и а_он соответственно концентрации ионов Н⁺ и ОН^-. Ионное произведение при одинаковой температуре постоянно не только для чистой воды, но и для любых водных растворов кислот, оснований и солей. Установлено, что при 22 °С его значение равно 10^-14 (моль/л)². В чистой воде или в нейтральном растворе число ионов Н⁺ и ОН^- одинаково, следовательно, а_он- = а_Н+ = 10^-7 моль/л

Если в воде растворить кислоту, то ионов Н+ станет больше, а ионов ОН- меньше, но ионное произведение не изменится. При растворении в воде щелочи увеличивается концентрация ионов ОН- и соответственно уменьшается концентрация ионов Н+. Таким образом, концентрация водородных ионов позволяет характеризовать любые растворы: кислые, нейтральные, щелочные. В каче­стве численной характеристики используют водородный показатель рН;

pH==-lg а_{Н+ .}

Диапазон изменения рН водных растворов обычно составляет 0 - 14 ед. Наиболее точный и универсальный метод измерения рН основан на определении потенциалов различных электродов, помещаемых в исследуемый раствор. Следовательно, гальванические преобразователи, являющиеся датчиками рН-метров, в качестве естественной входной величины имеют концентрацию водородных ионов, выражаемую в единицах рН, а в качестве выходной величины - разность потенциалов электродов. Гальванический преобразователь состоит из двух полуэлементов: измерительного электрода, помещенного в исследуемый раствор, и вспо­могательного полуэлемента, электродный потенциал которого должен оставаться постоянным.

На рисунке 16.16 показан гальванический преобразователь, состоящий из двух водородных полуэлементов. Водородный электрод можно создать, воспользовавшись свойством водорода адсорбироваться на поверхности платины, иридия или палладия. Обычно водородным электродом служит покрытый платиновой чернью платиновый электрод, к которому непрерывно подводится газообразный водород. Потенциал такого электрода зависит от концентрации водородных ионов в растворе. Один из водородных электродов (измерительный) помещается в исследуемый раствор 1, который при помощи электролитического ключа 2 соединяется с нормальным водородным полуэлементом (вспомогательным) 3, содержащим электролит с активностью водородных ионов а(Н+)₂=1 моль/л. ЭДС между электродами вычисляется по формуле (16.11) и равна

, (16.11)

где R=8,3144 Дж/(мольּК) - универсальная газовая постоянная;

Т- абсолютная температура;

F ==9,6485ּ10⁴ Кл/моль - постоянная Фарадея.

С учетом того, что ln = -рН, получим (16.12)

E=-2,302ּRּTּpH/F, (16.12)

Таким образом, ЭДС между водородными электродами пропорциональна значению рН. Для температуры 18 °С ЭДС равна

E = -0,058pH

Водородный электрод обеспечивает наиболее высокую точность из­мерения рН, однако его недостатком является необходимость непрерывной подачи газообразного водорода. Поэтому в промышленных измерениях в качестве вспомогательного электрода чаще применяются каломельный и хлорсеребряный полуэлементы, а в качестве измерительного - хингидронный, сурьмяный и (особенно часто) стеклянный.

Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно производиться таким образом, чтобы через преобразователь не проходил ток, вызывающий погрешности от поляризации электродов и падения напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя, которое при использовании стеклянных электродов составляет 107-109 Ом. Указанное требование делает необходимым применение электрометрических усилителей или компенсационных измерительных приборов. Следует также учитывать, что измерение рН с помощью гальванических преобразователей требует введения поправки на температуру.