используемые для первичного преобразования

При измерении расходов газов и жидкостей методом перепада давлений мерой расхода является разность давлений до и после сужающего устройства. Входной физической величиной преобразователя является расход среды, выходной — перепад давлений, который можно измерить любыми методами определения давления.

Чувствительные элементы с электрическим выходным сигналом. Пьезоэлектрические чувствительные элементы. Принцип действия пьезоэлектрических чувствительных элементов основан на использовании свойств некоторых кристаллов образовывать на своих гранях электростатические заряды под действием упругих деформаций. Этот так называемый пьезоэффект возникает на кристаллах кварца, турмалина, сегнетовой соли (калийно-натриевая соль винной кислоты), титаната бария и некоторых других веществ. Пьезоэлектрические чувствительные элементы позволяют контролировать быстро протекающие процессы, так как заряды образуются практически безынерционно. Для измерений почти всегда применяют кварц, имеющий низкую температурную чувствительность и обладающий большим модулем упругости (8×10¹⁰ Н/м²), позволяющим осуществлять измерения при ничтожно малых перемещениях. Кристаллы кварца представляют собой шестиугольные призмы (рис. 1) с продольной, называемой оптической, осью z - z, проходящей через ребра призмы электрической осью х—х и нейтральной, или механической,осью у—у, проходящей через середины противолежащих граней.

Вырезанный из кварцевого кристалла прямоугольный параллелепипед (пластина), грани которого перпендикулярны осям у – у и х – х, обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Сила, направленная по оси z —z параллелепипеда, не возбуждает электрических зарядов на его гранях. Под действием растягивающего или сжимающего усилия, направленного вдоль электрической оси x — х, на перпендикулярных этой оси гранях возникают заряды разного знака (так называемый продольный эффект). Этот заряд равен

где Q_x — заряд; d — постоянный коэффициент (пьезомодуль); F_x — сила, действующая на поверхность кристалла. Как видно изприведенного выше уравнения, Q _x не зависит от размеров кристалла кварца. Нагрузки, действующие в направлении механической оси кристалла, вызывают

возникновение заряда:

где l_x и l_y — размеры кристалла в направлениях осей х и y. При поперечном эффекте Q _y зависит от размеров кристалла. Условия прочности не позволяют получить большие заряды за счет увеличения l_y и снижения l_x, поэтому практически используют лишь продольный пьезоэффект. При температурах выше 500 ⁰С пьезоэффект исчезает. Температура 537 ⁰С, при которой структура кварца переходит в структуру, не обладающую пьезоэлектрическим эффектом, называется точкой Кюри. Для измерения электрических зарядов, возникающих на гранях кварцевой пластины, последние покрывают металлическим слоем, образуя конденсатор (рис. 2).

Так как Q = CU, то напряжение на кристалле

где С₀ - емкость кварца; С_s - неизбежная емкость проводов и подключенных устройств. Обычно емкость С_s превышает ем­кость пьезокристалла С₀, что резко снижает полезный эффект. Поэтому С_s искусственно увеличивают параллельным соединением нескольких пластин; выбор их числа позволяет изменять диапа­зон измерения. Величина С_s учитывает и емкость кабеля, поэтому подводящие провода поставляют изготовители, а численное значение их емкости учитывают при калибровке. Поскольку каждый измеритель напряжения обладает конечным значением входного сопротивления R_i, то возбужденный на гранях кристалла заряд и соответственно напряжение снижаются по экспоненциальному закону

где (С₀ + С_s) - постоянная времени. По истечении времени Т напряжение U уменьшается в 1/ е раз, т. е. примерно до 37 % начальной величины U. Это ограничивает возможности использования пьезокристаллов только для контроля кратковременных и быстро изменяющихся процессов. Электродинамические чувствительные элементы. При изменении магнитного потока, пронизывающего обмотку, в последней индуцируется напряжение, пропорциональное числу витков N и изменению магнитного потока dФ/dt. При постоянной плотности потока В и длине проводов обмотки l напряжение пропорционально скорости их взаимного перемещения. Так как имеет значение лишь относительное (по отношению к обмотке) изменение потока, то безразлично, изменяется ли магнитный поток при неподвижной обмотке или, наоборот, обмотка переме­щается в постоянном магнитном поле. В зависимости от конструк­ции различают преобразователи с вращающейся катушкой или с вращающимся магнитным полем. Выходное напряжение чувствительного элемента с вращающейся катушкой, пропорциональное скорости ее перемещения, может быть преобразовано в величину, пропорциональную ее перемещению или ускорению, путем электрического дифференцирования или интегрирования. Значение индуцируемого напряжения определяется согласно закону магнитной индукции:

,

где Ф - магнитный поток; N - число витков обмотки; U - напряжение в обмотке. При постоянном магнитном потоке, направленном перпендикулярно плоскости обмотки, индуцируемое напряжение u = NBυ_x, где l — длина обмотки.

Электродинамические чувствительные элементы применяют также для генерации импульсов. В этом случае вращающийся зубчатый ротор, набранный из стальных пластин, импульсно модулирующий магнитный поток, устанавливают в воздушном зазоре постоянного магнита. Электродинамический метод применим для измерения не только линейных, но и угловых скоростей. Подобные тахометрические генераторы создают напряжение, пропорциональное частоте вращения ротора. Вследствие трудностей, связанных с необходимостью использования коллектора и износом щеток, часто применяют тахогенераторы переменного напряжения с последующим его выпрямлением.

Термопары. В соответствии с эффектом Зеебека термопара представляет собой два проводника из разнородных металлов или сплавов, два конца которых спаяны или сварены, а два другие свободны. При температуре свободных концов и температуре спая между свободными концами проволок возникает напряжение:

где k - постоянный коэффициент, не зависящий от геометрических размеров и определяемый только материалом обоих проводников. Напряжение, генерируемое при , называется термоэлектродвижущей силой и составляет несколько микровольт. Практическое значение имеют следующие комбинации металлов: железо—константан, медь—константан, нихром—никель, платинородий—платина. При измерении абсолютных температур свободный спай термопары должен находиться при постоянной и известной температуре (для лабораторных измерений применяют заполненный тающим льдом сосуд Дьюара). При непрерывных измерениях применяют термостаты с постоянной температурной уставкой, превышающей максимально возможную температуру окружающей среды, во избежание необходимости охлаждения.

Характеристики термопар

Входная величина: температура.

Выходная величина: напряжение.

Диапазон измерения: для термопар из неблагородных металлов от 200 до 700 ⁰С, для термопар из благородных металлов от 0 до 1500 ⁰С.

Погрешности измерения: ±(2 ¸ 0,5) % конечного значения шкалы.

Фотодиоды. В фотодиодах преобразование светового потока осуществляется за счет фотоэффекта в запирающем слое р — n -перехода. При освещении р — n -перехода на нем возникает напряжение. Для измерений наиболее широко используют селеновый фотоэлемент. При освещении на клеммах фотоэлемента возникает электрическое напряжение U ₀; одновременно снижается его внутреннее сопротивление R _i. При соединении фотоэлемента с внешним сопротивлением R_a в цепи появляется фототок:

Установлено, что ток короткого замыкания пропорционален освещенности Е, хотя U₀ и R_i являются нелинейными функциями. Спектральная характеристика селенового элемента близко совпадает с характеристикой глаза.

Реостатные датчики. Простейшим способом изменения сопротивления резистора за счет изменения длины является перемещение отвода (скользящего контакта). Реостатные датчики (потенциометры) выполняются с продольным или круговым перемещением. При приложении к ползунку усилия или крутящего момента его продольное или угловое перемещение преобразуется в изменение сопротивления и далее в изменение снимаемого с реостата напряжения или протекающего тока. Линейная зависимость между перемещением ползунка и напряжением, снимаемым с датчика при включении его по схеме делителя приложенного напряжения, обеспечивается только при достаточно высокоомных измерителях напряжения.

Поэтому в основном пользуются компенсационными методами намерения. Часто применяют измерительные потенциометры, изменение сопротивления которых связано нелинейной зависимостью с перемещением ползунка. Эти функциональные потенциометры могут иметь квадратичную, синусоидальную или другую, отвечающую специальным требованиям, характеристику. Для обеспечения минимальной обратной реакции необходимые для перемещения ползунка силы или моменты должны быть минимальны, что успешно достигается в прецизионных потенциометрах.

Тензорезисторы. При растяжении или сжатии проводника изменяются его длина, площадь сечения и удельное сопротивление, т. е. из трех величин, определяющих значение сопротивления, ни одна не остается постоянной. Указанные изменения зависят от направления приложенной силы и в пределах упругости пропорциональны ей. В ненагруженном состоянии сопротивление R проводника, имеющего длину l, определяется его сечением q и удельным сопротивлением r:

При растяжении проводника его длина становится равной l (1 + D l / l), а сечение q (1 – 2 m D l / l),), где m - коэффициент Пуассона, определяющий отношение поперечного сжатия к растяжению D l / l (для большинства металлов m = 0,3). Изменяется также и удельное сопротивление. Если обозначить относительное изменение удельного сопротивления Dr/r через и относительное изменение растяжения D l / l через e, то сопротивление растянутой проволоки определяется зависимостью

Вводя в это уравнение величину сопротивления нерастянутой проволоки, находим с большей степенью приближения:

Произведя умножение и исключив члены высших степеней малости, получим

откуда относительное изменение сопротивления равно

Таким образом, обозначаемая обычно коэффициентом k крутизна характеристики чувствительного элемента (тензочувствительность) равна

При использовании проволоки из константана влияние изменений объема и проводимости суммируется и коэффициент k становится равным 2. Этот сплав наилучшим образом соответствует требованиям к материалам для изготовления тензорезисторов: температурный коэффициент сопротивления этого сплава мал, а температурный коэффициент удлинения обычно хорошо совпадает с таким же коэффициентом исследуемых материалов. Возникающая при контакте с медью термоэлектродвижущая сила искажает результаты только при измерениях, проводимых на постоянном токе, и при больших перепадах температур. Для обеспечения достаточных для измерения изменений сопротивления чувствительный элемент изготовляют из тонкой проволоки, наклеиваемой в виде петель с параллельными нитями на подложку из пропитанной бумаги или искусственных смол.

Чувствительный элемент можно также изготовить способом фотохимического травления покрытой тонким слоем металла изоляционной пластинки. Такие тензорезисторы называют фольговыми в отличие от проволочных.

В последнее время для изготовления тензочувствительных элементов стали использовать полупроводниковые материалы, в которых под нагрузкой наряду с изменением геометрических размеров значительно изменяется удельное сопротивление, вследствие чего тензочувствительность k достигает 180 и более. Диаметр проволоки выбирают 20—30 мкм, что обеспечивает большое сопротивление и достаточную эластичность, позволяющую проволоке следовать за реформацией испытуемого материала.

Основной причиной возникновения погрешностей является изменение температуры. Изменение сопротивления тензорезистора R зависит от удлинения контролируемого материала и от температурного коэффициента сопротивления материала тензорезистора. Удлинение образца контролируемого материала в свою очередь происходит, во-первых, под действием механической нагрузки, во-вторых, под влиянием температуры. Измерению подлежит первая из названных составляющих. Влияние температурного удлинения исследуемого материала может быть уменьшено путем подбора для изготовления тензорезисторов материала, обладающего близким коэффициентом температурного расширения. Температурная зависимость сопротивления самого тензочувствительного элемента может быть компенсирована с помощью механически ненагружаемых компенсационных тензочувствительных элементов. При использовании тензочувствительных элементов следует иметь в виду, что измеряемые усилия весьма велики - порядка 10 Н.

Недостатки: низкая чувствительность, необходимость больших нагрузок, чувствительность к изменениям влажности и температуры, необходимость тщательного приклеивания к поверхности исследуемого образца.

Элементы Холла и магнитосопротивления. При помещении обтекаемого током твердого тела (пластины) толщиной s носители зарядов, образующие при своем движении электрический ток, отклоняются магнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению тока. В результате смещения зарядов в теле образуется поперечно направленное электрическое поле и на боковых продольных поверхностях возникает разность потенциалов — ЭДС Холла U _н (рис. 3), определяемая зависимостью

где I — сила тока; В — магнитная индукция; s — толщина пластины; R_Н -коэффициент Холла.

Коэффициент Холла для обычных полупроводниковых материалов равен ~ 200 см³/А·с.

С помощью зонда с элементом Холла, расположенного в магнитном поле, можно преобразовать угловое перемещение в напряжение. Соответствующее профилирование поля позволяет получить линейную зависимость.

Важная область применения элементов Холла — измерение положений подвижных деталей без механического контакта с ними с выдачей напряжения, амплитуда которого не зависит от скорости движения.

Элементы Холла позволяют осуществлять кодированное измерение перемещений, например, при помощи намагниченного, согласно определенному коду, вращающегося ферромагнитного диска, опрашиваемого рядом элементов Холла. Подобное устройство обычно выполняется как датчик поворота (кодирующий диск).

Описанный выше эффект отклонения электронов магнитным полем приводит к возрастанию сопротивления и используется в так называемых магниторезисторах. Последние представляют собой омические сопротивления, чувствительные к магнитному полю, причем при изменении индукции, равном В·с/см², омическое сопротивление увеличивается более чем в 20 раз. Магниторезисторы можно использовать не только для измерения индуктивности магнитных полей, но и, подобно зондам Холла, в качестве конечных выключателей, бесконтактных преобразователей перемещений.

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые элементы с запирающим слоем (р-n- переходом), работающие в зависимости от схемы включения как фотоэлементы (в вентильном режиме) или как фотосопротивления (в диодном режиме), чаще в последнем. При освещении области р — n- перехода пространственный заряд изменяется. Ток через р — n- переход, созданный приложенным к нему запирающим напряжением, вследствие поступления дополнительных зарядов, увеличивается, что приводит к снижению сопротивления запорного слоя. Пре­дельная частота (100 кГц) значительно превышает частоту фотосопротивлений.

Фототранзисторы. Как и у диодов, при поступлении световых квантов на запирающий слой в фототранзисторе высвобождаются носители зарядов. В фототранзисторах фотоэлектрический эффект фотодиода совмещается с эффектом усиления транзистора, что обеспечивает более чем 30-кратное увеличение чувствительности. Однако предельная частота, равная 10—20 кГц, ниже, чем у фотодиодов.

где ω — число витков; R_m — магнитное сопротивление.

При где А — площадь поперечного сечения магнитной цепи; l — ее длина; μ — магнитная проницае­мость.

Из этого уравнения следует, что изменения индуктивности L можно достичь изменением длины l (воздушного зазора), поперечного сечения А или магнитной проницаемости μ. Длина и сечение магнитопровода являются геометрическими размерами; магнитная проницаемость может быть изменена, например, путем приложения механических усилий (магнитоупругие чувствительные элементы).

Чувствительные элементы с подвижным якорем. При перемещении железного якоря Fe в катушке Sp перераспределяется число силовых линий, проходящих внутри якоря или по воздуху, что вызывает изменение магнитного сопротивления R_m, а следовательно, индуктивности L. Изменение индуктивности зависит от перемещения якоря s нелинейно. Обычно применяют устройство (рис. 4), представляющее собой дифференциально включенные системы.

В этом случае при ходе якоря s индуктивность одной катушки увеличивается на +DL, а индуктивность другой уменьшается на равную величину - DL. С помощью, например, мостовой схемы разность изменений индуктивностей L₁- L₂ = 2DL может быть преобразована в электрическое напряжение. Соответствующее конструктивное исполнение позволяет получить линейную зависимость напряжения от перемещения якоря в пределах до 80 % длины катушки.

В отличие от описанных индуктивных элементов, выходной величиной которых является изменение индуктивности, преобразуемое затем с помощью электрической схемы в напряжение, чувствительные элементы, основанные на дифференциально-трансформаторном принципе, позволяют непосредственно получить в качестве выходной величины напряжение D U (рис.5).

Чувствительный элемент состоит из первичной катушки S_P1, к которой приложено переменное напряжение ~U, и двух вторичных катушек S_P11, в которых при симметричной конструкции и среднем положении якоря индуцируются одинаковые напряжения. Вторичные катушки включены дифференциально, и разность напряжений на выходных клеммах равна нулю. При смещении якоря возникает разность напряжений D U, линейно зависящая от хода якоря. Соответствующее профилирование катушек и якоря позволяет использовать чувствительный элемент этого типа для измерения углов наклона.

Чувствительные элементы с поперечным перемещением якоря. Индуктивный чувствительный элемент с поперечным перемещением якоря (рис. 6) предназначен для измерения малых перемещений и их изменений. Для достижения возможно большей чувствительности и линейной характеристики чувствительный элемент выполняют в виде сдвоенных катушек с воздушными зазорами. Катушки I и II одинаковы, якорь расположен между двумя магнитопроводами с зазорами s. Наличие двух дифференциально включенных индуктивностей не только обеспечивает удвоенную чувствительность по сравнению с однокатушечной системой и улучшенную линейность характеристики, но и одновременно компенсирует влияние изменений температуры и потоков рассеивания.

где e₀ = 8,8542·10^-12 А·с/(В·м) — диэлектрическая постоянная; e_r — относительная диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между пластинами конденсатора; А — площадь пластин; d — расстояние между ними. Емкость конденсатора изменяется при изменении площади пластин, расстояния между ними (зазора) и диэлектрической проницаемости материала.

Чувствительные элементы с изменяющимся зазором. При изменении зазора d между пластинами на величину D d емкость конденсатора определяется зависимостью

Только при малых относительных изменениях зазора D d / d зависимость между D C / C и D d / d практически линейна.

При D d / d = 0,1 нелинейность составляет 10%, при D d / d = 0,01 ~ 1 %.Для обеспечения линейности в широком диапазоне при­меняют дифференциальный конденсатор с тремя пластинами (рис. 7). При пере­мещении средней пластины на расстояние D d, при соответствую­щей схеме включения (мостовой схеме), изменение емкости равно

Подобно индуктивному чувствительному элементу с поперечным перемещением якоря и сдвоенными обмотками дифференциальный принцип и в этом случае наряду с удвоением чувствительности обеспечивает расширение линейного диапазона. При D d / d = 0,1 нелинейность характеристики такого конденсатора составляет 1 %.

Чувствительный элемент с изменяющейся площадью пластин.

В уравнении емкости конденсатора величина А представляет собой площадь взаимного перекрытия пластин. Смещением обеих пластин относительно друг друга на величину s можно изменить площадь их перекрытия, причем для пластин прямоугольной формы зависимость А = bs линейна (рис. 8). Поскольку величина А находится в числителе уравнения емкости конденсатора С, то С линейно зависит от s. Использование пластин различной формы позволяет получить квадратичные, логарифмические и т. п. зависимости. Конденсатор переменной емкости, состоящий из круглых поворотных пластин, применим для измерения угла поворота.

Чувствительные элементы с изменяемой диэлектрической проницаемостью зазора. Емкостные чувствительные элементы, основанные на измерении изменения величины e, применяют главным образом для определения со­става веществ (при полном заполнении зазора контролируемой средой) и для измерения уровня при изменяющемся заполнении зазора. Уровень можно изменять как вдоль, так и поперек пла­стин. При контроле состава твердых веществ (например, песка, пыли, гравия и т. п.), а также жидкостей (паров, газов или влаж­ных материалов) их можно помещать внутри плоского или ци­линдрического конденсатора. Для полностью заполненного изме­рительного конденсатора существует пропорциональная зависи­мость:

Так как, например, вода по сравнению с воздухом обладает значительно большей диэлектрической проницаемостью, то с по­мощью указанной зависимости можно определять влагосодержание различных изоляционных материалов. При сравнительных измерениях важно, чтобы диэлектрические проницаемости ис­следуемых материалов различались незначительно. Существен­ное различие диэлектрических проницаемостей воздуха и многих жидких и твердых материалов, прежде всего воды, позволяет измерять емкостным методом положение уровня и состояние за­полнения сосудов, а также толщину льда. В этом случае рас­сматривают две параллельно соединенные емкости, причем, так как e_r1 = 1, то

При практическом использовании данного метода в контро­лируемый резервуар погружают два цилиндрических или плоских измерительных электрода и определяют емкость между ними, по значению которой при известном e_T контролируемой среды рас­считывают высоту уровня заполнения. Обычно шкала показы­вающего прибора градуируется в единицах уровня. Метод безынерционен, так как емкость изменяется одновременно с изменением уровня заполнения h ₂,

При измерении толщины слоев электроизоляционных мате­риалов (пленок, тканей, толщины лаковых покрытий и т. п.) исследуемый материал пропускают в зазоре между измеритель­ными обкладками конденсатора. Достоинством этого метода яв­ляется его бесконтактность, Метод позволяет определять содержание воздуха в пенопластах и подобных им материалах при из­вестных размерах образцов и величинах диэлектрической проницаемости самого материала.

Вопрос:

В датчиках давления используются тензорезистивные, индуктивные и емкостные чувствительные элементы. Какой основной недостаток тензорезистивных элементов в преобразователях давления?