Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
Посмотреть оригинал

ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерение перемещений и геометрических величин

Измерители перемещений можно подразделить на измерители малых перемещений и измерители больших перемещений. В машиностроительном и приборостроительном производстве применяются в основном измерители малых перемещений. Большие перемещения обычно измеряются локационными методами. Измерение геометрических величин можно свести к измерению перемещений, связывая базовые точки измеряемого объекта с чувствительным элементом измерителя перемещений.

Измерения в малых диапазонах можно проводить высокоточными пружинными измерительными головками. Одним из таких устройств является микрокатор. Его схема изображена на рис. 3.1.

Схема микрокатора

Рис. 3.1. Схема микрокатора:

  • 1 - наконечник, 2 - мембрана, 3 -установочное кольцо, 4 - пружина,
  • 5 - колпак, 6 -упорный стержень, 7- плоская пружина, 8 - передаточный угольник, 9-указатель, 10-шкала, 11 -стрелка, 12-лента,
  • 13 - держатель, 14 - корпус, 15 - трубка, 16 - измерительный стержень, 17 - установочный винт

Корпус устройства жестко соединен с трубкой. Измерительный стержень с измерительной осью поддерживается сверху плоской пружиной, а снизу - мембраной, зажатой между держателем и прижимом. Пределы перемещения измерительного стержня устанавливаются ограничителем. Постоянство измерительного усилия обеспечивается пружиной, находящейся между установочным кольцом и колпаком. Незначительное перемещение измерительного стержня, требуемое для установки стрелки устройства в поле зрения, достигается винтом. Скрученная лента одним концом прикреплена к держателю, а другим - к передаточному угольнику, жестко связанному с измерительной осью.

Под действием измерительного стержня, контактирующего с объектом измерения, передаточный угольник перемещается, скрученная лента растягивается и стрелка поворачивается на некоторый угол, отсчитываемый по шкале в линейных величинах. Для удобства проведения операций контроля геометрического размера шкала оснащена указателями поля допусков.

Стрелка представляет собой коническую стеклянную трубку диаметром 0,06 мм у основания и 0,03 мм у окончания, имеющего дюралюминиевый наконечник, облегчающий наблюдения и считывание показаний. Быстрое успокоение стрелки при измерениях обеспечивается при помощи демпфирующего блока с рабочей жидкостью.

На рис. 3.2 показана схема измерительного устройства с индуктивным датчиком, в котором роль чувствительного элемента выполняет якорь. В некоторых случаях подвижной делается катушка.

Начальный зазор между якорем и неподвижной частью магнитопровода задается пружиной. Напряжение питания ио подается на катушку. Измеряемое перемещение x(t) объекта передается на якорь, который преодолевает усилие пружины и меняет рабочий зазор магнитопровода, а, следовательно, и его сопротивление. В результате ток в катушке и напряжение U(t) на нагрузке ZH меняются пропорционально измеряемому перемещению. Недостатком такой схемы является чувствительность к электромагнитным помехам. Этого недостатка лишены пневматические датчики.

Индуктивный датчик перемещений

Рис. 3.2. Индуктивный датчик перемещений:

1 - катушка, 2 - якорь, 3 - пружина

На рис. 3.3 приведена схема измерителя перемещений с пневматическим струйным преобразователем.

Пневматический струйный преобразователь

Рис. 3.3. Пневматический струйный преобразователь:

1 - канал питания, 2 - дроссель, 3 - рабочая камера, 4 - сопло, 5 - заслонка

Давление питания Р5 через дроссель поступает в рабочую камеру сопла. Сформированный поток воздуха выходит из сопла в направлении заслонки. Измеряемое перемещение меняет зазор между соплом и заслонкой, в результате чего изменяется давление Р0 в рабочей камере.

Типичная зависимость выходного давления струйного преобразователя от входного перемещения показана на рис. 3.4.

Если сопло полностью закрыто заслонкой, то выходное давление равно давлению питания. Если заслонка удаляется от сопла за пределы рабочей зоны, то выходное давление сравнивается с атмосферным давлением Ра. Измерения обычно проводят в линейной зоне ^характеристики.

Зависимость выходного давления струйного преобразователя от входного перемещения

Рис. 3.4. Зависимость выходного давления струйного преобразователя от входного перемещения

Погрешность в таком методе может возникнуть из-за изменения давления питания при измерении. Чтобы избежать этого, используют более сложные схемы, в которых применяется в том или ином виде обратная связь, выполняемая в виде дополнительного элемента. Для согласования чувствительного элемента, непосредственно измеряющего то или иное перемещение, с последующим звеном цепи регулирования применяются

различные по используемому виду энергии преобразующие элементы, которые обычно входят в состав измерительного устройства (рис. 3.5).

Схема измерительного устройства с обратной связью

Рис. 3.5. Схема измерительного устройства с обратной связью: х (t)измеряемое перемещение, у (I) - выходной сигнал;

  • 1 - чувствительный элемент; 2 - преобразующий элемент;
  • 3 - измерительное устройство; 4 - обратная связь

В основе работы лазерного измерительного устройства (ЛИУ) лежит метод активного обнаружения и определения координат объекта. Сущность его заключается в том, что в процессе работы передающая система ЛИУ излучает направленные электромагнитные колебания, которые при отражении от объекта становятся источником информации. Измерение координат объекта основывается на свойстве световых волн распространяться в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Постоянство скорости и прямолинейность распространения световых волн позволяет по времени прохождения излученного сигнала от ЛИУ до объекта и обратно измерить дальность. Для определения этого времени в зависимости от вида модуляции излучаемого сигнала используется измерение и сравнение частоты, фазы или временного положения излученного и принятого сигналов. Прямолинейность распространения направленных световых волн позволяет по направлению приходящего отраженного сигнала определять угловые координаты объекта. При этом могут быть использованы как амплитудные, так и фазовые методы.

Работа и взаимодействие систем ЛИУ могут быть рассмотрены по обобщенной функциональной схеме, приведенной на рис. 3.6.

Функциональная схема ЛИУ

Рис. 3.6. Функциональная схема ЛИУ:

ИВ - источник возбуждения, Л - лазер, М - модулятор,

ОПС - оптическая передающая система, УСУ - устройство сканирования и управления, СОС - система обработки сигналов,

И - индикатор, ССУ - сервосистема управления, С - синхронизатор, ПИ - приемник излучения, ОФ - оптический фильтр, ПОС - приемная оптическая система

Источником сигнала является лазер, излучение которого проходит через оптический модулятор, обеспечивающий модуляцию несущей частоты. Выходной сигнал модулятора формируется оптической передающей системой и с помощью устройства сканирования и управления направляется на объект. Отраженный от объекта световой луч фокусируется приемной оптической системой на приемник излучения. Фиксация отраженного сигнала приемным устройством свидетельствует об обнаружении объекта, а полезная информация в виде амплитуды, фазы, частоты, поляризации и направления прихода сигнала используется для определения координат объекта. Эта задача осуществляется приемной системой совместно с системой обработки и осложняется наличием помех, которые вызывают искажения параметров сигнала и в худшем случае приводят к потере информации об объекте.

В приемном устройстве происходят фильтрация сигнала от помех, усиление, преобразование и детектирование сигнала. Устройство обработки решает задачу определения' координат объекта на основе анализа выделенного сигнала. Тип устройства обработки зависит как от вида сигнала, так и от типа последующего элемента системы автоматического управления, в которой используется ЛИУ. В простейшем случае это может быть стрелочный прибор, индикатор с электроннолучевой трубкой или цифровой индикатор, а в более сложном случае - аналоговая или цифровая система автоматического съема координат. Синхронизатор определяет последовательность работы ЛИУ. В его функции входит определение момента излучения сигнала, стробирование приемника, управление работой модулятора и системы обработки сигнала. Система управления осуществляет точное наведение луча ЛИУ и непрерывное автосопровождение объекта.

Если при рассмотрении функциональной схемы проводить аналогию с радиоизмерительными устройствами, то оптический квантовый генератор - лазер, источник накачки и модулятор выполняют работу передатчика, а роль антенны выполняет оптическая передающая система, предназначенная для формирования направленного излучения. В отдельных случаях оптическая система может отсутствовать, и излучение происходит непосредственно с торца излучателя. Для модуляции может быть использована и внутренняя модуляция самого лазера.

Основным элементом передающей системы ЛИУ любого типа является лазер. В настоящее время существует большой выбор лазеров различного типа, которые могут быть использованы в качестве источника излучения. Диапазон излучения простирается от 0,3 мкм до 300 мкм. Выбор лазера во многом определяется условиями использования ЛИУ. При использовании ЛИУ в приземном слое атмосферы или в водной среде большое

влияние на выбор лазера оказывает ослабление его излучения в указанных средах с целью выбора окна прозрачности, то есть спектрального участка с минимальным поглощением средой.

Лазеры на твердом теле имеют наибольшую мощность излучения, достигающую сотен мегаватт в импульсе и малую расходимость, измеряемую десятками минут. Возможность получения импульсов малой длительности позволяет определять дальность до объекта с высокой степенью точности. Основными элементами лазера на твердом теле являются излучающая головка ИГ (рис. 3.7), источник питания ЯЯ, блок запуска Б3> лампы накачки ЛЯ, отражатели О и активное вещество АВ.

Схема лазера на твердом теле

Рис. 3.7. Схема лазера на твердом теле

В качестве активного вещества излучающей головки используются различные кристаллические и аморфные вещества с примесью редкоземельных элементов, а также хрома и урана. Наибольшее применение получили синтетический рубин и стекло с примесью неодимия. Излучатель выполняется в виде стержня из кристалла активного вещества квадратного, круглого или шестигранного сечения. Размеры и форма стержня, как и

конструкция излучающей головки, определяются источником накачки, оптической системой излучателя и способом его охлаждения. Так, использование составного рубинового стержня позволяет осуществить лучший отвод тепла за счет обтекания водой не только боковой поверхности, но и поверхности разрезов.

Оптическая накачка осуществляется через боковые поверхности стержня, а торцевые поверхности образуют резонатор с высоким качеством отражающей поверхности стержня. Отражающие поверхности резонатора представляют собой зеркало с серебряным или многослойным диэлектрическим покрытием с различными коэффициентами преломления и могут быть нанесены непосредственно на торцевые поверхности стержня, а при большой мощности излучения выполняются в виде отдельного зеркала. В качестве одного из зеркал иногда используются призмы с полным внутренним отражением, а для управления излучением генератора с модулированной добротностью между активным веществом и зеркалом помещается оптическое устройство с регулируемой прозрачностью. Возбуждение активного вещества лазеров на твердом теле осуществляется методом оптической накачки, а так как большинство лазеров работает в импульсном режиме, широкое распространение в качестве источника возбуждения получили импульсные газоразрядные лампы. Для концентрации световой энергии лампы на боковые поверхности стержня активного вещества используются различные отражатели.

Источник питания заряжает накопительную емкость, подключенную к электродам лампы. Блок запуска формирует высоковольтный импульс, который вызывает начальный пробой газа в лампе. После этого сопротивление между электродами лампы резко падает, происходит разряд накопительной емкости и возникает мощная световая вспышка.

Измерение линейных и угловых скоростей можно производить при ограниченных и неограниченных перемещениях.

При ограниченных перемещениях объекта скорость можно измерить с помощью механического устройства, схематически изображенного на рис. 3.8.

Механический измеритель скорости

Рис. 3.8. Механический измеритель скорости: 1 - поршень, 2 - дроссель, 3 - пружина

При перемещении х поршня внутри рабочего цилиндра на поршне создаются перепады давления

где к, - коэффициент пропорциональности. Дроссель является перепускным и обеспечивает настройку пропорциональности перепада давления производной по перемещению поршня. Возникающее усилие воспринимаются пружиной. Считая характеристику пружины линейной, можно записать

где/- площадь поршня, с - жесткость пружины, у - перемещение выходного звена, связанного с цилиндром. На основании приведенных уравнений имеем

где к.2 - коэффициент пропорциональности. Таким образом, перемещение выходного звена пропорционально скорости входного перемещения. Далее выходная механическая величина может быть преобразована в электрический сигнал.

Скорость перемещения измеряют также с помощью электрических дифференцирующих контуров (рис. 3.9).

Электрический дифференцирующий контур

Рис. 3.9. Электрический дифференцирующий контур

Электрическое напряжение U(t) на выходе RC-контура будет пропорционально скорости линейного перемещения x(t) движка реостата.

На рис. 3.10 приведена схема измерения скорости углового перемещения с помощью индукционного преобразователя.

Индукционный измеритель скорости

Рис. 3.10. Индукционный измеритель скорости

При угловом перемещении а(/) катушки в магнитном поле наводимая в ней ЭДС U(t) будет пропорциональна величине da{t)

——, то есть угловой скорости на входе. dt

Измерение скорости неограниченного перемещения различных объектов, например, летательных аппаратов, обычно производится с помощью акселерометров, выходной сигнал которых подвергается однократному интегрированию.

Для измерения угловых скоростей вращательного движения применяют измерительные устройства, называемые тахометрами. По принципу действия их можно разделить на электрические, механические, гидравлические и пневматические.

Центробежные тахометры относятся к механическим тахометрам. Их принцип действия поясняется схемой, приведенной на рис. 3.11.

Измеряемая угловая скорость со(г) передается на направляющие элементы 1 с подвижной заслонкой. С увеличением угловой скорости заслонка под действием центробежных сил увеличивает зазор с соплом пневматического преобразователя 2, преодолевая усилие пружины 3 подвижной муфты. В результате выходное давление p(t) изменяется пропорционально измеряемой угловой скорости.

Центробежный тахометр

Рис. 3.11. Центробежный тахометр: ро - давление питания, рапм - атмосферное давление

Перемещение подвижной муфты в целях повышения точности измерения угловой скорости в различных системах регулирования обычно подается на преобразователь перемещения, часто выполняющий также функции усилителя. В гидравлических и пневматических системах таким преобразователем- усилителем обычно является золотник, струйная трубка или элемент «сопло-заслонка». В электрических системах регулирования, как правило, используются только электрические тахометры.

В качестве гидравлических и пневматических тахометров могут быть использованы импеллеры. Схема импеллера дана на рис. 3.12.

Выходным сигналом импеллера является давление используемой рабочей среды - жидкости (масла) или газа (воздуха). Давление на выходе импеллера равно

где р - плотность рабочей среды, г0 - внутренний радиус импеллера, г, - внешний радиус импеллера. Отсюда следует, что выходное давление зависит от плотности рабочей среды. Поэтому для повышения точности измерения угловой скорости этим способом необходимо предусматривать температурную компенсацию.

Схема импеллера

Рис. 3.12. Схема импеллера

В качестве электрических тахометров в системах автоматического регулирования в основном применяются тахометры переменного тока. Для генераторов, например, с ротором в виде постоянного магнита, при синусоидальном законе распределения магнитной индукции в зазоре, эффективное значение переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке тахометра, пропорционально числу оборотов в минуту, то есть входной угловой скорости вращения ротора. В качестве выходного сигнала таких устройств можно использовать напряжение и частоту.

Акселерометры предназначаются для измерения ускорений движущихся объектов и для преобразования этих ускорений в сигнал, используемый для определения параметров траектории движения объекта или для целей автоматического управления этой траекторией. Акселерометры применяются для измерения линейных и угловых ускорений. В соответствии с этим они называются линейными акселерометрами или угловыми акселерометрами.

По назначению различают акселерометры для визуального контроля, для систем телеметрического контроля, для систем инерциальной навигации и для систем автоматического управления.

По исполнению акселерометры подразделяются на две группы:

  • - пружинные, построенные по разомкнутой структурной схеме;
  • - компенсационные, построенные по замкнутой структурной схеме.

Компенсационные акселерометры, в свою очередь, делятся на акселерометры с позиционной обратной связью, со скоростной обратной связью и с обратной связью по ускорению. Первые называют акселерометрами с электрической пружиной, вторые - интегрирующими акселерометрами, а третьи - акселерометрами с двойным интегрированием. Они могут иметь непрерывный и дискретный выходной сигнал.

Акселерометры широко применяются на летательных аппаратах. Как линейное, так и угловое ускорение летательного аппарата можно в каждый момент времени разложить на три составляющие в системе координат, связанной с летательным аппаратом и ориентированной по его главным осям. Для получения полной информации о линейных и угловых ускорениях летательного аппарата необходимо иметь шесть акселерометров - три линейных и три угловых.

Принципиальная схема пружинного акселерометра, предназначенного для измерения линейных ускорений, приведена на рис. 3.13.

Схема пружинного акселерометра

Рис. 3.13. Схема пружинного акселерометра:

  • 1 - инерционная масса, 2 - пружины, 3 - корпус, 4 - демпфер,
  • 5 - потенциометрического преобразователь

Чувствительным элементом пружинного акселерометра служит инерционная масса, подвешенная на двух пружинах, закрепленных в точках А и В, к корпусу, жестко связанному с объектом, ускорение которого измеряется. Линия АВ, называемая измерительной осью, параллельна той оси движущегося объекта, по которой нужно измерить ускорение •*. При отсутствии ускорений натяжение пружин одинаково и инерционная масса располагается в среднем положении. Если объект движется с постоянным линейным ускорением, то масса перемещается на некоторую величину h, при которой инерционная сила Fw возникающая вследствие ускоренного движения массы в абсолютном пространстве, уравновешивается силой упругости пружин Fr Выражая эти силы через параметры прибора, получим

и

где т - инерционная масса, с - суммарная жесткость двух пружин. Из условия равновесия этих сил имеем

где К - чувствительность акселерометра.

Для успокоения колебаний инерционной массы в переходном режиме служит демпфер, создающий силу, пропорциональную скорости перемещения массы относительно корпуса. Применяются магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные демпферы. У воздушных демпферов из-за сжимаемости воздуха демпфирующая сила запаздывает по отношению к скорости движения подвижной системы, что является их недостатком. Для получения электрического сигнала перемещение массы преобразуется в электрическую величину с помощью потенциометрического преобразователя. Могут быть использованы также другие преобразователи перемещения.

Инструментальные погрешности акселерометров возникают в результате влияния как внешних, так и внутренних факторов. К числу этих факторов относятся силы трения и люфты в опорах и направляющих, гистерезис и упругое последействие измерительной пружины, изменение модуля упругости пружины при изменении окружающей температуры, неравномерность характеристики преобразователя перемещений, изменение характеристики преобразователя при изменении окружающей температуры и режимов электрического питания. Точность акселерометра определяется главным соотношением между силами трения в опорах и направляющих и инерционными силами, развиваемыми массой при ее движении с ускорением. В связи с этим одним из наиболее ответственных элементов конструкции является подвес подвижной системы акселерометра, обеспечивающий необходимую степень свободы инерционной массы. Для этих целей используют подвеску массы на направляющей с трением качения.

Маятниковый подвес инерционной массы (рис. 3.14) позволяет уменьшить зону нечувствительности. Измерительная ось у такого элемента перпендикулярна линии 0Y, соединяющей ось

вращения с центром тяжести маятника, находящегося в нейтральном положении.

Маятниковый подвес

Рис. 3.14. Маятниковый подвес

При постоянном линейном ускорении, направленном по измерительной оси, равновесному положению маятника 1 при отклонении от оси 0Y будет соответствовать угол а, при котором момент инерционной силы уравновешивается моментом пружины 2

где т - масса маятника, / - расстояние от оси вращения до центра тяжести маятника, с - угловая жесткость пружины. В общем случае угол а не пропорционален ускорению, однако, при малых углах можно приближенно считать установившийся угол отклонения маятника пропорциональным линейному ускорению в соответствии с выражением

где К - чувствительность прибора.

Маятниковый подвес по сравнению с подвесом на направляющих позволяет уменьшить зону нечувствительности при

одинаковой массе примерно в - раз, где г - радиус опорной

г

цапфы маятника.

При одновременном действии продольного и поперечного ускорений инерционные силы действуют согласно рис. 3.15.

Инерционные силы на маятниковом подвесе

Рис. 3.15. Инерционные силы на маятниковом подвесе

Условием равновесия такой системы будет равенство нулю алгебраической суммы моментов инерционных сил и сил упругости пружины

При малых углах можно из этого выражения получим

Относительная ошибка в измерении ускорения х, возникающая под влиянием ускорения у равна

Так как

то

Таким образом, относительная ошибка маятникового акселерометра, вызванная влиянием боковых ускорений, уменьшается с понижением чувствительности. Эту ошибку, как и ошибку, обусловленную влиянием угловых ускорений, действующих вокруг оси подвеса, можно скомпенсировать применением двух параллельных маятников, кинематически связанных между собой антипараллелограммом, как это показано на рис. 3.16.

Кинематическая компенсацш поперечных ускорений

Рис. 3.16. Кинематическая компенсацш поперечных ускорений

Для устранения сил сухого трения, люфтов и исключения влияния поперечных и угловых ускорений в линейных акселерометрах иногда применяют упругий подвес с закреплением инерционной массы на двух плоских пружинах или мембранах.

В компенсационных акселерометрах с позиционной обратной связью механическая пружина заменена электрической пружиной, под которой понимается электромеханическое устройство, создающее момент, компенсирующий инерционный момент, возникающий под влиянием измеряемого ускорения. На рис. 3.17 приведена одна из схем компенсационного акселерометра маятникового типа.

Компенсационный акселерометр

Рис. 3.17. Компенсационный акселерометр:

  • 1 - маятник, 2 - моментный датчик, 3 - усилитель,
  • 4 - индуктивный датчик

Отклонение маятника под действием ускорения преобразуется индуктивным датчиком в электрический сигнал, который после усиления подается на обмотку моментного датчика. Мо- ме"тный датчик создает момент, компенсирующий отклонение маятника. Электрический ток на выходе фазочувствительного усилителя и падение напряжения ивыХУ создаваемое этим током на добавочном сопротивлении R, пропорциональны измеряемому ускорению. Используемая схема с обратной связью позволяет повысить точность измерений и расширить их диапазон.

Системы автоматического управления многими объектами и процессами основаны на измерении их температур. Разнообразие условий и широкий диапазон измеряемых температур обуславливают применение разных методов измерения и использование различных чувствительных элементов. Наиболее низкие измеряемые температуры имеют порядок 10"6 °К, а наивысшая температуры в земных условиях приближаются к 108°К.

Тепловые чувствительные элементы можно условно разделить на первичные и вторичные. К первичным чувствительным элементам относятся термометры, по которым устанавливается термодинамическая шкала температур. Такими термометрами являются газовые термометры, которые воспроизводит термодинамическую температуру в области до 10°К, термометры, основанный на использовании скорости звука в газообразном гелии (до 4,2°К), а также термометры, основанный на измерении упругости насыщенных паров гелия (до 1°К). Все эти устройства имеют высокую точность, но сложную конструкцию и большую инерционность.

В системах автоматического управления и регулирования в качестве измерителей температуры обычно используются вторичные термометры. К ним относятся термоэлектрические устройства, металлические термометры сопротивления, полупроводниковые измерители температур, термопары, парамагнитные термометры, пирометры и некоторые другие, менее распространенные устройства.

К термоэлектрическим измерительным устройствам условно можно отнести все измерительные устройства, применяемые в автоматических системах, основанные на преобразованиях тепловой энергии в электрическую. Входными параметрами таких измерительных устройств являются тепловые величины, а выходными - электрические. Высокие требования, предъявляемые к точности измерений температур, делают необходимым применение в схемах измерительных устройств, кроме чувствительных элементов, также усилителей и вторичпых преобразователей. При этом чувствительные элементы служат для восприятия изменений регулируемой температуры и преобразования этих изменений в соответствии с тем или иным заложенным в них физическим принципом в электрические сигналы. При высокой точности измерений получаемый уровень этих первичных электрических сигналов недостаточен для непосредственного использования в автоматических системах и требует усиления. Вторичные преобразователи используются в целях согласования вышеуказанных сигналов с типовыми входными устройствами управляющих и регулируемых систем. Такой принцип построения термоэлектрических измерительных устройств позволяет свести их рассмотрение к нескольким наиболее целесообразным обобщенным схемам. Различные чувствительные элементы с электрическим выходным сигналом обычно включаются в мостовую уравновешивающую цепь, являющуюся входным элементом блока усиления и преобразования. Выбор элементов уравновешивающей цепи производится исходя из требуемой чувствительности и точности. Чувствительность по току определяется как

где RT - внутреннее сопротивление источника измеряемого напряжения с учетом соединительных проводов, Ry - входное сопротивление усилителя, RM - выходное сопротивление мостовой схемы. Чувствительность по напряжению равна

Поскольку RT задано типом и размерами чувствительного момента, то для выполнения условия максимума чувствительности

необходимо минимизировать величину RM. При заданном пороге чувствительности измерительного устройства Д порог чувствительности усилителя будет равен

Отсюда условие выбора мостовой схемы будет иметь вид

Металлические термометры сопротивления используются для измерения средних и низких температур. Они применяются при точных измерениях температур в диапазоне от абсолютного нуля и до 1000°С. Действие термометров сопротивления основано на том, что электрическое сопротивление металлов изменяется одновременно с изменением температуры. Удельное сопротивление металла определяется по формуле

где п_ - число свободных электронов в единице объема; е - заряд электрона; р_ - подвижность электрона, характеризуемая его скоростью в поле, имеющего напряженность 1 В/см. Удельное сопротивление металлов, достаточно мало, р ~ 10'5 -г 1СГ6 Ом/см, что объясняется высокой концентрацией электронов, не зависящей от температуры. При высоких температурах р зависит от колебаний кристаллической решетки металла, т.е. определяется подвижностью электронов. При изменении температуры подвижность электронов изменяется. Подвижность электронов зависит также от концентрации примесей в металле, поэтому удельное сопротивление достаточно чистых металлов можно представить в виде

где р0 не зависит от температуры. При понижении температуры до 30°К сопротивление металлов уменьшается почти линейно, то есть

а при Т —» 0°К оно становятся пропорциональным Г5. На рис. 3.18 приведены характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления.

Характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления

Рис. 3.18. Характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления:

1 - медь, 2 - платина, 3 - индий

В зависимости от целей применения медные и платиновые термометры сопротивления выпускаются в герметичном и негерметичном исполнении. Промышленные медные термометры сопротивления применимы в диапазоне температур от -50°С до +180°С, а платиновые - в диапазоне от -200°С до +500°С. Постоянная времени промышленных термометров сопротивления колеблется от нескольких секунд до сотен секунд. Чувствительность термометра определяют по формуле

где ДR - изменение сопротивления при изменении температуры на АТ. Из этой формулы следует, что с увеличением сопротивления чувствительность возрастает. Однако существует оптимальное значение сопротивления, зависящее от условий работы. Термометр сопротивления является самым точным чувствительным элементом из числа применяемых для измерений температур. Он позволяет измерять температуру с точностью до 0,001 °С. Для получения такой точности измерения температуры необходимо измерять сопротивление с точностью не ниже 4 х 10"6. Термометр сопротивления обладает наибольшей надежностью при измерениях высоких температур. Основным недостатком этих термометров являются большие габариты, препятствующие применению их при измерениях температур в малых объемах. В этих случаях используют термисторы и термопары.

Полупроводниковые измерители температур или термисторы основаны на том, что сопротивление полупроводников, в противоположность металлическим термометрам, увеличивается с понижением температуры. Это можно объяснить следующим. Электропроводность полупроводникового элемента описывается формулой

где л+ - число дырок в единице объема, ц+ - их подвижность. При понижении температуры числа л+ и п_ в полупроводнике убывают, значительно быстрее, чем их подвижности. Удельное сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону

где А и В - постоянные. Наличие такой нелинейности является недостатком термисторов.

На рис. 3.19 приведена зависимость удельного сопротивления термистора из германия от температуры.

Зависимости удельного сопротивления термистора от температуры

Рис. 3.19. Зависимости удельного сопротивления термистора от температуры

Из приведенных кривых видно, что удельное сопротивление полупроводниковых материалов может возрастать на несколько порядков при даже небольшом понижении температуры. Материалами для изготовления термисторов служат медномарганцевые и кобальтомарганцевые соединения. Имея небольшие габариты и малую теплоемкость, термисторы обладают меньшей постоянной времени по сравнению с другими термометрами сопротивления. Диапазон измеряемых температур составляет от - 60°С до +180°С, а точность - до 0,0005°С. Следует заметить, что при низких температурах сопротивление полупроводника зависит от магнитных полей. Методы измерений, применяемые при полупроводниковых чувствительных элементах, не отличаются от применяемых при металлических.

Для измерений температур применяют также угольные термометры сопротивления, имеющие высокое удельное сопротивление и большой отрицательный температурный коэффициент. Они изготовляются из графита и углей. При низких температурах графит имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, зависящий от содержания примесей и от величины кристаллических зерен. Для чистого графита величина удельного сопротивления обратно пропорциональна температуре. Графит не теряет своих свойств и при высоких температурах и поэтому может применяться при измерениях температур в диапазоне до 2300° К. Угольные термометры нечувствительны к магнитным полям. Эмпирически получена зависимость сопротивления от температуры в виде

где R - сопротивление, й] и а2 - экспериментальные константы.

Термопара представляет собой цепь, состоящую из двух проводников, выполненных из различных материалов. При наличии разности температур на концах термопары, которые называются спаями, между ними возникает электродвижущая сила. Концы термопары, присоединяемые к усилителю, называются холодным спаем, а присоединенные к объекту, температуру которого измеряют, - горячим спаем. Горячий спай термопары может быть выполнен небольших размеров, что делает термопару удобным чувствительным элементом при измерениях температур в ограниченных объемах. Малый размер способствует и уменьшению ее постоянной времени. Диапазон температур, в котором применяются термопары, достаточно велик - от 0°К до 1000°С и выше. В этом интервале температур по точности термопары уступают только термометрам сопротивления и газовым термометрам. При температурах выше 1000°С они более надежны, чем другие термометры, и лишь при температурах выше 1600°С уступают оптическим пирометрам.

На рис. 3.20 даны градуировочные кривые некоторых термопар.

Градуировочные кривые термопар

Рис. 3.20. Градуировочные кривые термопар:

ЕТ- термоэлектродвижущая сила; Т - температура 1 - хромель-копель, 2 - железо-копель, 3 - хромель-алюмель,

4 - платинородий-платина

Малые значения ЭДС, получаемой от термопары, определяют необходимость применения усилителей с модуляцией. Во избежание погрешности при измерении необходимо стабилизировать температуру холодного спая или вводить в измерительную схему соответствующую поправку автоматическим путем, например включением в цепь термопары компенсирующего сопротивления. Постоянная времени для различных типов промышленных термопар меняется от нескольких секунд до минут.

Чувствительность термопары определяется по формуле

где Е - выходное напряжение термопары, Т - температура горячего спая, если холодный находится при 0°С; постоянные А, В и С зависят от материалов термопары.

Для измерения температур в диапазоне до 25 000°С, например, в условиях плазмы, применяют ионизационные методы,

основанные на зависимости степени ионизации газа от температуры

где е - степень ионизации, Р - давление газа, Е - потенциал ионизации, к - поправочная величина, зависящая, в частности, от природы низшего энергетического уровня.

Если в некоторый объект, содержащий смесь атомов, ионов и электронов, опустить два электрода с приложенной к ним разностью потенциалов, то во внешней цепи потечет ток, зависящий от степени ионизации, по величине которого возможно определить температуру плазмы.

В области сверхнизких температур (ниже 1°К) применяют парамагнитные термометры. Их действие основано на том, что магнитная восприимчивость некоторых парамагнитных веществ возрастает с понижением температуры. Для измерений выбирают такие парамагнетики, которые подчиняются закону Кюри в требуемой области температур. Для идеального парамагнетика, в котором магнитные диполи не взаимодействуют между собой, закон Кюри имеет вид

где X - магнитная восприимчивость, С - постоянная Кюри.

Для реального парамагнетика зависимость магнитной восприимчивости от температуры выражается формулой

где д - мера отклонения от закона Кюри. Поскольку для сферического образца Д = 0, то для измерений температуры применяют только сферические образцы.

При определении температур с помощью парамагнетиков чаще других используется метод, основанный на измерении взаимоиндуктивности (рис. 3.21).

Парамагнитный преобразователь

Рис. 3.21. Парамагнитный преобразователь:

I - источник тока. 2 - усилитель, 3 - первичная катушка,

4 - вторичная катушка, 5 - парамагнитный термометр

Одна из катушек, изображенных на схеме, содержит парамагнетик. При изменении температуры парамагнетика его магнитная восприимчивость изменяется, что приводит к изменению взаимоиндуктивности М обеих катушек. Переменное магнитное поле создается первичной катушкой ПК. Если через М0 обозначить взаимоиндуктивность катушек без парамагнетика, то взаимоиндуктивность с парамагнетиком будет равна

где / - коэффициент заполнения, Г - температура. Значение М0 компенсируется последовательно-встречным включением взаимоиндуктивности с катушкой термометра. Когда М =М0, устройство будет измерять только зависящую от изменения температуры часть взаимоиндуктивности. Точность данного метода зависит от величины магнитной восприимчивости парамагнетика, количества используемого парамагнитного вещества и точности измерения индуктивности.

Шумовой термометр основан на том, что при низких температурах вплоть до абсолютного нуля электроны в проводниках находятся в хаотическом движении. Это движение электронов создает на концах проводника хаотически изменяющееся напряжение с широким спектром частот. Квадрат среднего значения этого напряжения равен

где k - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина, R - сопротивление проводника, Д/ - выделенная полоса частот.

Схема шумового термометра показана на рис. 3.22.

Схема шумового термометра

Рис. 3.22. Схема шумового термометра:

1 - зонд, 2 - усилитель, 3 - полосовой фильтр, 4 - вторичный преобразователь

Сопротивление зонда составляет порядка 1 кОм. Оно выполняется из платиновой проволоки. Напряжение, возникающее на сопротивлении зонда, составляет несколько микровольт. Далее оно усиливается, проходит полосовой фильтр и поступает на вторичный преобразователь. Шумовым термометром можно измерять температуру от минус 173°С до сравнительно высоких значений.

В оптических измерительных устройствах, предназначенных для определения температур, в основном используются фотоэлектрические принципы преобразования энергии излучения в электрические сигналы. Методы оптической пирометрии позволяют определять только поверхностную температуру раскаленных тел. Большинство устройств, предназначенных для измерения нестационарных температур (рис. 3.23), имеет три основных элемента: чувствительный элемент ЧЭ, который воспринимает излучение объекта О, усилитель У и преобразователь П.

Измеритель нестационарных температур

Рис. 3.23. Измеритель нестационарных температур

В некоторых схемах к этим элементам добавляются еще оптические модуляторы излучений М/ и М2 и источник сравнения И. Источник сравнения используется в схемах, которые работают по методу лучеиспускания - поглощения или с применением различных модификаций метода обращения спектральной линии. В ряде случаев в измерительных устройствах применяется обратная связь, воздействующая на параметры источника сравнения.

Устройства для измерения температуры могут иметь как один чувствительный элемент, так и несколько. Соответственно их структурные схемы будут одноканальные или многоканальные. В многоканальных системах точность измерения несколько снижается из-за различия характеристик отдельных каналов.

Измерение температуры может быть дискретным или непрерывным. В первом случае измерительный сигнал представляет собой одиночные электрические импульсы. Во втором случае измерительный сигнал представляет собой непрерывную последовательность значений. В подавляющем большинстве фотоэлектрических систем, применяемых для измерения температуры, используется обтюрация или коммутация световых потоков, вследствие чего такие системы являются системами дискретного действия.

Различные фотоэлектрические схемы в зависимости от преобразований, выполняемых ими для получения сигнала, пропорционального величине температуры можно разделить на схемы прямого измерения температуры, схемы, измеряющие температуру по величине отношения амплитуд электрических импульсов, соответствующих различным световым потокам, и измерительные схемы с обратной связью.

Применяемые в этих схемах оптические устройства подразделяются на

  • - оптические обтюраторы и модуляторы, создающие на фотоэлементе последовательности электрических импульсов, амплитуды которых соответствуют интенсивности светового потока в разные моменты времени;
  • - оптические коммутаторы для формирования на фотоэлементе последовательности электрических импульсов, амплитуды которых соответствуют интенсивностям излучений нескольких световых потоков с различными спектральными диапазонами.

Оптическая обтюрация одного светового потока может выполняться с помощью вращающегося дискового обтюратора, вибрирующей заслонки и других устройств. Такая обтюрация создает в измерительном сигнале несущую частоту, что позволяет использовать резонансные усилители, имеющие хорошую стабильность показаний во времени.

При помощи двух оптико-электронных модуляторов можно попеременно подавать на чувствительный элемент два различных световых потока. Оптическая коммутация трех световых потоков на один фотоэлемент может быть выполнена с помощью двух или трех оптических затворов.

Радиационные пирометры основаны на зависимости, существующей между суммарной энергией излучения тела и его температурой. Для абсолютно черного тела эта зависимость определяется формулой

где Е® - полная энергия, излучаемая абсолютно черным телом при температуре Г за 1 секунду с единицы поверхности и воспринимаемая за то же время бесконечной поверхностью абсолютно черного тела с температурой Тс, о - постоянная, равная 5,673 • 10 12 Вт • см'2 • град-4.

Радиационный пирометр дает сигнал, пропорциональный истинной температуре, только в случае его наведения на практически черное тело. В качестве черного тела обычно служит полая глухая карборундовая труба, которая называется визирной камерой. Она расположена в зоне измеряемой температуры, и все ее части одинаково нагреты. Радиационный пирометр, отградуированный по черному телу и используемый для измерения температуры поверхностей физических нечерных тел, будет показывать вместо действительной температуры некоторую уменьшенную температуру. Если температура нечерного тела измеряется с помощью радиационного пирометра, то' нельзя получить точное значение его истинной температуры из формулы общей энергии излучения вследствие непостоянства коэффициента излучения нечерного тела во всем диапазоне излучений. Суммарная интенсивность излучения нечерного тела в диапазоне длин волн от Я = 0 до X = °° описывается формулой Планка

следовательно, радиационная температура нечерного тела может быть определена из выражения

где бд - коэффициент черноты излучений тела на определенной длине волны; С{ и С2 - постоянные коэффициенты.

Суммарная энергия излучения нечерного тела, истинная температура которого равна Т, определяется суммарной энергией излучения черного тела при температуре как

где ег - суммарный коэффициент излучения, зависящий от температуры тела. Эта формула позволяет осуществить переход от измеренной радиационной температуры нечерного тела к его истинной температуре, если известна величина ег. Надежность определения истинной температуры тела по измеренной радиационной температуре зависит от погрешности определения коэффициента черноты излучения.

В радиационном пирометре зависимость ЭДС термоприемника от температуры абсолютно черного излучателя Т может быть выражена формулой

где Г, - температура рабочего конца термобатарей, Т2 - температура свободных концов термобатарей, ТаТ - суммарный коэффициент поглощения, ст - постоянная, равная 5,673 • 10'12 Вт • см2 • град-4, с - приведенный коэффициент черноты излучения термоприемника, b - постоянный коэффициент, зависящий от отвода тепла по проводам термопары и коэффициента конвекционной теплоотдачи, А - постоянный коэффициент, меньший единицы, зависящий от геометрических размеров телескопа.

Погрешности от неполноты излучения и от поглощения промежуточной средой существенно уменьшаются при монтаже телескопа радиационного пирометра на глухой визирной карборундовой трубе, располагаемой в зоне измеряемой температуры.

Радиационные пирометры состоят из оптической системы, фокусирующей излучения нагретого тела на термоэлектрический приемник пирометра, и термоприемника, представляющего собой миниатюрную термобатарею. Поток энергии, поступающей на термоприемник, вызывает нагревание, достаточное для получения величины термо-ЭДС, достаточной для использования в системах управления.

Общий вид радиационного пирометра приведен на рис. 3.24.

В пирометре используется светопровод из плавленого кварца и нихром-константановая термобатарея. Перед термоприемником устанавливается диафрагма, служащая для совмещения изображения светящегося объекта с термопарой. Погрешность пирометра при измерении температуры абсолютно черного тела не превышает ±15°С при 1000°С.

Радиационный пирометр 1 - цилиндрический светопровод, 2 - цанговый корпус, 3 - корпус

Рис. 3.24. Радиационный пирометр 1 - цилиндрический светопровод, 2 - цанговый корпус, 3 - корпус,

4 - диафрагма, 5 - термобатарея, б - штепсельный разъем

Фотоэлектрические пирометры можно разделить на пирометры с использованием большей части области спектральной чувствительности фотоэлементов и пирометры, в которых используется узкая область спектральной чувствительности фотоэлемента. Пирометры с узкой областью спектральной чувствительности фотоэлемента называются яркостными пирометрами.

Зависимость между фототоком /Го и потоком энергии, излучаемым черным телом в фотоэлектрическом пирометре частичного излучения, выражается формулой

где к - постоянный коэффициент, Ьщ - спектральная яркость черного тела при температуре Т0 и длине волны А., Ст; - спектральная чувствительность фотоэлемента при длине волны А. падающего на него света, А.) и А.2 - границы спектрального интервала, в котором спектральная чувствительность фотоэлемента отлична от нуля.

Однако такой пирометр позволяет установить только температуру черного тела. Перейти к истинной температуре тела не представляется возможным, поскольку спектральная чувствительность фотоэлемента и спектральный коэффициент черноты излучения тела для всего диапазона волн неизвестны. Несмотря на это, можно измерить отклонения истинной температуры от заданного значения. На рис. 3.25 изображена схема пирометра с компенсацией излучательной способности.

Схема пирометра с компенсацией излучательной способности

Рис. 3.25. Схема пирометра с компенсацией излучательной способности

Над контролируемой поверхностью 2 с температурой Т2 и коэффициентом излучения е2 располагается образцовый нагреватель 1 с температурой 7J. Поток излучения от контролируемой поверхности складывается из собственного излучения поверхности W2e2 и отраженного излучения (1-е2), где W, = аТ*, а W2 = аТ2 . При равенстве потока W, потоку идущему непосредственно от нагревателя W , отношение между температурами поверхности и нагревателя находится из зависимости

Отсюда следует, что Т2Х независимо от излучательной способности контролируемой поверхности. Практически из-за различия излучения нижней и верхней поверхностей нагревателя (соответственно ?, и ?,), присутствия слюдяного окна с коэффициентами поглощения Л, и к2 для отраженного и прямого потоков предыдущее равенство запишем в виде

где

Фактор у близок к единице, когда поверхность является зеркальным отражателем с низким коэффициентом черноты с, а также в случае незеркального отражения, но высокой степени черноты. Фактор у определяет точность измерений и линейность характеристики пирометра.

Яркостные пирометры измеряют температуру по интенсивности излучения потока узкого спектрального диапазона. Показания яркостного пирометра, зависят от размеров объекта, от расстояния между объектом и прибором и коэффициента поглощения промежуточной среды, однако влияние этих факторов может быть уменьшено аппаратным путем. На практике применяются главным образом компенсационные яркостные пирометры. В пирометрах, работающих без использования несущей частоты, применяются усилители постоянного тока, вследствие чего такие пирометры обладают нестабильностью показаний во времени.

В пирометрах, использующих несущую частоту, применяются резонансные усилители, имеющие хорошую стабильность показаний во времени. В некоторых из них применяются обратные связи по световому потоку. При этом на фотоэлемент с помощью обтюратора попеременно подаются излучения объекта и компенсационной лампы накаливания. Снимаемые с фотоэлемента сигналы, амплитуда которых пропорциональна разности интенсивностей излучения объекта лампы, поступают в специальный электронный блок, который управляет током компенсационной лампы, приравнивая интенсивность ее излучения к интенсивности излучения объекта. Измерительным сигналом такого пирометра является величина тока, подаваемого на компенсационную лампу.

Этот метод измерения позволяет исключить влияние параметров схемы на показания прибора. Структурная схема такого компенсационного яркостного пирометра приведена на рис. 3.26.

Схема компенсационного яркостного пирометра

Рис. 3.26. Схема компенсационного яркостного пирометра:

  • 1 - объектив, 2 - двигатель, 3 - диск-обтюратор, 4-усилитель опорного канала, 5 - фазовый дискриминатор, 6 - выходной усилитель,
  • 7 - усилитель сигнала ошибок, 8 - фоточувствительный элемент

Чувствительным элементом пирометра служит фотосопротивление из сернистого свинца, перед которым помещен вращающийся дисковый коммутатор. На фотосопротивление попеременно падает поток излучения от измеряемого источника и от эталонной лампы накаливания с вольфрамовой нитью. В индикаторную часть поступают два сигнала. Один из них является сигналом ошибки и снимается с фотосопротивления. Значение этого сигнала определяется разностью уровней измеряемого излучения и излучения эталонной лампы. Другой сигнал является опорным и служит для определения большего из уровней. Опорное напряжение снимается с катушки, магнитная цепь которой периодически замыкается зубцами диска-обтюратора. С выхода дискриминатора напряжение снимается только тогда, когда сигнал от измеряемого излучения отличается от сигнала эталонной лампы. Это напряжение ошибки усиливается, детектируется, фильтруется и подается на выходной усилитель, который управляет током накала лампы. Величина тока лампы, пропорциональна измеряемой температуре.

Отношение интенсивностей излучения с двумя различными длинами волн используется в качестве меры температуры в цветовых пирометрах. Например, отношение интенсивностей излучения на волнах 0,888 и 1,034 соответствует зеленому и красному цвету. По соотношению монохроматических яркостей при двух длинах волн может быть определена истинная температура черного тела. Для нечерных тел по соотношению двух монохроматических яркостей может быть определена не истинная температура тела, а так называемая цветовая температура. Цветовой температурой контролируемого тела называется такая температура черного тела, при которой отношение спектральных яркостей его излучения при двух длинах волн равно отношению соответствующих спектральных яркостей контролируемого тела.

Преимущество метода, измерений цветовой температуры заключается в том, что при помощи его можно измерить температуру тела, излучение которого отличается от излучения черного тела, при этом результат измерений не зависит от излучательной способности тела, если она одинакова для двух длин волн. При этом наблюдается независимость показаний прибора от расстояния до контролируемого объекта и размеров излучающей поверхности. Погрешность в измерениях возникает только, если излучательная способность различна для двух длин волн.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы