Меню

Измерение мощности сопротивления неэлектрических величин

Измерение неэлектрических величин
электрическими методами

Измерение неэлектрических величин электрическими методами получило широкое применение и развитие вследствие возможности непрерывного измерения, измерения на расстоянии, высокой точности и чувствительности.
В большинстве случаев измерение неэлектрической величины сводится к преобразованию ее в однозначно зависимую от нее электрическую величину, измеряя которую и определяют неэлектрическую величину.
Элемент измерительного устройства, выполняющий это преобразование, называется измерительным преобразователем или датчиком.
Измерительные преобразователи делятся на две группы: параметрические, преобразующие неэлектрическую величину в один из параметров электрической цепи r , L или C , и генераторные, в которых неэлектрическая величина преобразуется в э. д. с.

К наиболее распространенным параметрическим преобразователям относятся:
1. Реостатные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины, например уровня жидкости, линейного перемещения детали и т. д.
2. Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
3. Преобразователи — терморезисторы (термосопротивлени я). Работа их основана на зависимости сопротивления преобразователя от температуры.
4. Индуктивные преобразователи. Изменение индуктивности преобразователя от изменения положения одной из его частей под действием измеряемой величины. используется для измерения силы, давления, линейного перемещения детали.
5. Емкостные преобразователи. Изменение емкости преобразователя под действием измеряемой неэлектрической величины: силы, давления линейного или углового перемещения, содержания влаги и т. д. используется для измерения этих величин.
6. Фотоэлектрические преобразователи. Получение фототека, зависящего от измеряемой величины, или получение импульсов фототока, частота которых зависит от измеряемой неэлектрической величины, ис п ользуется для измерения освещенности, температуры, прозрачности и мутности жидкости, линейных размеров и других величин.

Генераторные преобразователи по принципу работы делятся на группы:
1. Индукционные преобразователи. Работа их основана на преобразовании измеряемой неэлектрической величины, например скорости, линейных или угловых перемещений, в индуктированную э. д. с.
2. Термоэлектрические преобразователи. Возникновение термо-э. д. с. и ее зависимость от температуры используется для ее измерения.
3. Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический эффект, т. е. возникновение э. д. с. в некоторых кристаллах под действием механических сил, используется для измерения этих сил, давления и других величин.
4. Фотоэлектронные преобразователи .
Устройства для измерения неэлектрических величин, принципиально состоящие из преобразователя, соединительных проводов и измерителя, проградуированного в значениях измеряемой величины, в действительности усложняются применением сложных схем, источников питания, стабилизаторов, выпрямителей, усилителей и т. д.
Рассмотрим в качестве примеров некоторые из методов измерения неэлектрических величин.

а) Реостатные преобразователи
Реостатный преобразователь представляет собой реостат (рис. 8-37), движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины x , так что сопротивление реостата r зависит от x : r = f ( x ) . Измерив r , находят x .

Пример применения реостатного преобразователя для измерения уровня (объема) жидкости показан на рис. 8-38. Изменение положения поплавка, зависящего от уровня жидкости, изменяет сопротивления r 1 и r 2 соединенные последовательно с катушками логометра; изменение отношения токов в катушках вызывает изменение показаний измерителя.

б) Инду к тивные преобразователи
Индуктивный преобразователь (рис. 8-39, а) представляет собой электромагнит, якорь которого перемещается под действием измеряемой величины P : силы , давления, линейного перемещения.

При изменении положения якоря изменяются воздушный зазор, индуктивность катушки и ее сопротивление z , так что z = f ( p) .
У дифференциального преобразователя (рис. 8-39, б) изменение положения якоря увеличивает индуктивность одной катушки и уменьшает индуктивность другой, что повышает чувствительность преобразователя. Включение катушек в смежные плечи измерительного моста повышает точность измерения.
В индуктивном преобразователе трансформаторного типа (рис. 8-40) по первичной обмотке проходит переменный ток с постоянным действующим значением.
Измеряемая неэлектрическая величина p , изменяя воздушный зазор, изменяет магнитное сопротивление цепи и магнитный поток. В результате изменяется индуктированная во вторичной обмотке э. д. с. E 2, и показания вольтметра U 2 зависят от измеряемой величины,
т. е. E 2 U 2 = f ( p )

в) Индукционные преобразователи
Индукционный тахометр — это прибор для измерения частоты вращения, в котором измеряемая величина преобразуется в пропорциональную ей э. д. с. Тахометр представляет собой маленький магнитоэлектрический генератор (рис. 8-41), якорь которого вращается в магнитном поле постоянного магнита и, следовательно, э. д. с. которого пропорциональна частоте вращения якоря. Якорь механически связан с валом машины, скорость которой измеряется, поэтому показания вольтметра, соединенного с зажимами якоря, пропорциональны измеряемой частоте вращения.

В индукционном тахометре с постоянным магнитом NS (рис. 8-42) последний механически связан с валом машины, частота вращения которой измеряется. При его вращении в алюминиевом диске 1, расположенном на одной оси со стрелкой 2, индуктируются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с полем постоянного магнита создает вращающий момент, вызывающий поворот диска и указательной стрелки на угол, при котором этот момент уравновешивается моментом пружины 3. На шкале тахометра наносятся деления, соответствующие различным частотам вращения.

г) Термоэлектрические преобразователи
Сочетание магнитоэлектрического измерителя с термопарой (рис. 8-43), предназначенное для измерения температур, называется термоэлектрическим пирометром.
Нагревание рабочего конца термопары вызывает термо-э. д. с. и ток в цепи измерителя, по отклонению подвижной части которого и определяется искомая температура. Провода термопары должны быть достаточно длинными, чтобы их свободные концы находились в среде с температурой, при которой градуировался пирометр.
Материалами для термопар служат: медь — константан (до 300° С), медь — копель (до 600° С), железо — копель (до 800° С), хромель — копель (до 800° С), хромель — алюмель (до 1 300° С), платина — платинородий (до 1 600° С).
Для защиты от механических повреждений и действия газов термопары помещают в защитные трубки из латуни, стали, фарфора и других материалов.

Читайте также:  Коэффициенты по мощности транспортных средств

Источник

Электрические измерения неэлектрических величин

Электрические измерения неэлектрических величинИзмерение различных неэлектрических величин (перемещений, усилий, температур и т. п.) электрическими методами выполняют с помощью устройств и приборов, преобразующих неэлектрические величины в зависимые от них электрические, которые измеряют электроизмерительными приборами со шкалами, градуированными в единицах измеряемых неэлектрических величин.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические, или датчики , разделяют на параметрические , основанные на изменении какого-либо электрического или магнитного параметра (сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и т. п.) под действием измеряемой величины, и генераторные , в которых измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее э. д. с. (индукционные, термоэлектрические, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и другие). Параметрическим преобразователям необходим посторонний источник электрической энергии, а генераторные сами являются источниками энергии.

Один и тот же преобразователь можно использовать для измерения различных неэлектрических величин и, наоборот, измерение какой-либо неэлектрической величины можно выполнить с помощью преобразователей различных типов.

Кроме преобразователей и электроизмерительных приборов, установки для измерения неэлектрических величин имеют промежуточные звенья — стабилизаторы, выпрямители, усилители, измерительные мосты и т. п.

Для измерения линейных перемещений применяют индуктивные преобразователи — электромагнитные устройства, у которых параметры электрических и магнитных цепей изменяются при перемещении ферромагнитного магнитопровода или якоря, соединенного с перемещающейся деталью.

Для преобразования значительных перемещений в электрическую величину используют преобразователь с подвижным ферромагнитным поступательно движущимся магиитопроводом (рис. 1, а). Поскольку положение магнитопровода определяет индуктивность преобразователя (рис. 1, б), а следовательно, и его полное сопротивление, то при стабилизированном напряжении источника электрической энергии переменного напряжения неизменной частоты, питающего цепь преобразователя, можно по току судить о перемещении детали, механически связанной с магнитопроводом. Шкалу прибора градуируют в соответствующих единицах измерения, например в миллиметрах (мм).

Индуктивный преобразователь с подвижным ферромагнитным магнитопроводом: а - схема устройства, б - график зависимости индуктивности преобразователя от положения его магнитопровода

Рис. 1. Индуктивный преобразователь с подвижным ферромагнитным магнитопроводом: а — схема устройства, б — график зависимости индуктивности преобразователя от положения его магнитопровода.

Для преобразования малых перемещений в удобную для электрического измерения величину применяют преобразователи с изменяющимся воздушным зазором в виде подковы с обмоткой и якорем (рис. 2, а), который жестко связан с перемещаемой деталью. Всякое перемещение якоря приводит к изменению тока / в обмотке (рис. 2, б), что позволяет при неизменном переменном напряжении стабильней частоты градуировать шкалу электроизмерительного прибора в единицах измерения, например в микрометрах (мкм).

Индуктивный преобразователь с изменяющимся воздушным зазором

Рис. 2. Индуктивный преобразователь с изменяющимся воздушным зазором: а — схема устройства, б — график зависимости тока обмотки преобразователя от воздушного зазора в магнитной системе.

Большей чувствительностью обладают дифференциальные индуктивные преобразователи с двумя одинаковыми магнитными системами и одним общим якорем, расположенным симметрично относительно обоих магнитопроводов с воздушным зазором одинаковой длины (рис. 3), у которых линейное перемещение якоря из его среднего положения одинаково изменяет оба воздушных зазора, но с разными знаками, что нарушает равновесие предварительно уравновешенного моста переменного тока из четырех обмоток. Это дает возможность судить о перемещении якоря по току измерительной диагонали моста, если он получает питание при стабилизированном переменном напряжении неизменной частоты.

Схема устройства дифференциального индуктивного преобразователя

Рис. 3. Схема устройства дифференциального индуктивного преобразователя.

Для измерения механических усилий, напряжений и упругих деформаций, возникающих в деталях и узлах различных конструкций, применяют проволочные преобразователи — тензорезисторы , которые деформируясь, вместе с исследуемыми деталями, наменяют свое электрическое сопротивление. Обычно сопротивление тензорезистора составляет несколько сотен ом, а относительное изменение его сопротивления — десятые доли процента и зависит от деформации, которая в пределах упругости прямо пропорциональна приложенным усилиям и возникающим механическим напряжениям.

Тензорезисторы изготовляют в виде зигзагообразно расположенной проволоки большого удельного сопротивления (константан, нихром, манганин) диаметром 0,02 — 0,04 мм либо из медной специально обработанной фольги толщиной 0,1 — 0,15 мм, которые заклеивают бакелитовым лаком между двумя слоями тонкой бумаги и подвергают термической обработке (рис. 4, а).

Тензорезистор

Рис. 4. Тензорезистор: а — схема устройства: 1 — деформируемая деталь, 2 — тонкая бумага, 3 — проволока, 4 — клей, 5 — выводы, б — схема включения в плечо неуравновешенного моста резисторов.

Изготовленный тензорезистор приклеивают к тщательно очищенной деформируемой детали очень тонким слоем изоляционного клея так, чтобы направление ожидаемой деформации детали совпало с направлением длинных сторон петель проволоки. При деформации тела приклеенный тензорезистор воспринимает эту же деформацию, что изменяет его электрическое сопротивление вследствие изменения размеров проволоки датчика, а также структуры ее материала, которая сказывается на удельном сопротивлении проволоки.

Читайте также:  Регулятор мощности переменный ток 220

Поскольку относительное изменение сопротивления тензорезистора прямо пропорционально линейной деформации исследуемого тела, а следовательно, и механическим напряжениям внутренних сил упругости, то, пользуясь показаниями гальванометра измерительной диагонали предварительно уравновешенного моста резисторов, одним из плеч которого является тензорезистор, можно судить о значениях измеряемых механических величин (рис. 4, б).

Применение неуравновешенного моста резисторов требует стабилизации напряжения источника питания или применения в качестве электроизмерительного прибора магнитоэлектрического логометра, на показания которого изменение напряжения в пределах ±20 % номинального, указанного на шкале прибора, существенного влияния не оказывает.

Для измерения температуры различных сред применяют термочувствительные и термоэлектрические преобразователи . К термочувствительным преобразователям относятся металлические и полупроводниковые терморезисторы, сопротивление которых в значительной степени зависит от температуры (рис. 5, а).

Наибольшее распространение получили платиновые терморезисторы для измерения температуры в диапазоне от -260 до +1100 °С и медные терморезисторы — для интервала температур от -200 до +200 °С, а также полупроводниковые терморезисторы с отрицательным коэффициентом электрического сопротивления — термисторы, отличающиеся высокой чувствительностью и малыми размерами по сравнению с металлическими терморезисторами, для измерения температур от -60 до +120 °С.

Для защиты термочувствительных преобразователей от повреждений их помещают в тонкостенную стальную трубу с запаянным дном и устройством для присоединения выводов к проводам неуравновешенного моста резисторов (рис. 5, б), что позволяет по току измерительной диагонали судить об измеряемой температуре. Шкалу магнитоэлектрического логометра, используемого в качестве измерителя, градуируют в градусах Цельсия (°С).

Терморезисторы

Рис. 5. Терморезисторы: а — графики зависимости изменения относительного сопротивления металлов от температуры, б — схема включения терморезисторов в плечо неуравновешенного моста резисторов.

Термоэлектрические преобразователи температуры — термопары , генерирующие небольшую э. д. с. под влиянием нагрева места соединения двух разнородных металлов, помещают в защитную пластмассовую, металлическую или фарфоровую оболочку в зоне измеряемых температур (рис. 6, а, б).

Термопары

Рис. 6. Термопары: а — графики зависимости э. д. с. от температуры термопар: ТПП — платинородий-платиновой, ТХА — хромель-алюмелевой, ТХК-хромель-копелевой, б — схема установки для измерения температуры с помощью термопары.

Свободные концы термопары соединяют однородными проводниками с магнитоэлектрическим милливольтметром, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия. Наибольшее распространение получили следующие термопары: платинородий — платиновая для измерения температур до 1300 °С и кратковременно до 1600 °С, хромель-алюмелевая для температур соответственно указанным режимам — 1000 °С и 1300 °С и хромель-копелевая, предназначенная для длительного измерения температур до 600 °С и кратковременного — до 800 °С.

Электрические методы измерения различных неэлектрических величин широко применяют в практике, поскольку они обеспечивают высокую точность измерений, отличаются широким диапазоном измеряемых величин, позволяют выполнять измерения и регистрацию их на значительном расстоянии от места расположения контролируемого объекта, а также дают возможность проводить измерения в труднодоступных местах.

Источник



Измерение мощности сопротивления неэлектрических величин

§ 80. Понятие об измерении неэлектрических величин

Электроизмерительная техника по сравнению с другими видами измерительных устройств обладает большей надежностью, точностью, дешевизной и простотой.
По этим причинам электроизмерительные приборы широко применяют для измерения неэлектрических величин.
Основными частями электрической системы, служащей для измерения неэлектрических величин, являются преобразователь (датчик), промежуточные устройства и индикатор. Сущность электрических измерений неэлектрических величин заключается в том, что датчик преобразует неэлектрическую величину, например изменение уровня жидкости, температуры, скорости движения и т. п., в изменение электрической величины сопротивления, тока или напряжения, которое измеряется индикатором, представляющим собой обычный электроизмерительный прибор.
Рассмотрим устройство некоторых электрических датчиков и примеры их применения для электрических измерений неэлектрических величин.
Реостатный датчик (рис. 94) представляет собой изогнутую (или прямую) пластину 1 из изоляционного материала, на которую намотана проволока 4 из материала с большим удельным сопротивлением. При повороте оси 2 подвижный контакт — щетка 3 датчика перемещается по проволоке, в результате чего изменяется ее сопротивление, что соответственно воздействует на показания электроизмерительного прибора.

Реостатный датчик используется для измерения уровня жидкости в баке.
Действие прибора, предназначенного для определения количества жидкости в баке (рис. 95), основано на использовании реостатного датчика, сопротивление которого меняется при повышении или понижении уровня жидкости.

Этот прибор состоит из датчика 2 и индикатора 1. Ползунок датчика через систему рычагов скреплен с поплавком 3, находящимся на поверхности жидкости в баке. Индикатором служит прибор магнитоэлектрической системы, шкала которого проградуирована в литрах.
Когда в баке много жидкости, поплавок перемещается вверх. Вместе с ним передвигается щетка датчика, сопротивление которого уменьшается. Ток в цепи возрастает и стрелка индикатора отклоняется на большой угол, указывая по шкале количество жидкости. При опускании поплавка сопротивление датчика увеличивается, ток в цепи становится меньше и стрелка прибора отклоняется влево, указывая, что в баке мало жидкости.
Электроконтактные датчики служат для преобразования механического перемещения измерительного штока, соприкасающегося с поверхностью контролируемого объекта, в замыкание или размыкание электрической цепи. Наиболее простым электроконтактным датчиком является однопредельный датчик, который имеет одну пару контактов. Многопредельные датчики с несколькими парами контактов могут одновременно контролировать несколько различных объектов.
На рис. 96 приведена схема устройства и действия электроконтактного датчика, используемого для измерения размеров деталей. Измерительный шток 1 под действием пружины 2 стремится выдвинуться из корпуса датчика вниз.

Читайте также:  Мощность двигателя обозначается буквой

Если геометрический размер контролируемой детали 3 больше заданного, измерительный шток поднимается, размыкает контакт 4 и замыкает контакт 5. При нахождении под штоком изделия с размером меньше заданной величины контакт 5 размыкается и замыкается контакт 4. При нормальном размере контролируемой детали контакты 4 и 5 остаются разомкнутыми. К датчику можно присоединить электроизмерительные приборы. Отклонение стрелки одного прибора соответствует большему размеру детали, а другого — меньшему размеру.
Положение стрелок у нулевого деления означает, что под щупом датчика проходят детали заданных размеров.
Вместо электроизмерительных приборов можно подключить к датчику электромагнитные счетчики, при помощи которых учитывается количество деталей брака — большего и меньшего размеров.
Счетчики можно заменить разноцветными сигнальными лампами.
Индукционные датчики преобразуют неэлектрические величины в индуктированную э. д. с., которая измеряется электроизмерительным прибором.
В индукционном датчике (рис. 97) катушка 1, помещенная на сердечнике 2, перемещается в зазоре постоянного магнита 3 (или электромагнита) и в ней индуктируется э. д. с.

Для автоматического контроля размеров детали в процессе ее обработки на станке применяют виброконтактный прибор с индукционным датчиком. Он позволяет значительно увеличить производительность станков, облегчает труд рабочих, резко сокращает брак.
Схема устройства виброконтактного прибора приведена на рис. 98. Размеры обрабатываемой детали контролируются датчиком-щупом 6, выполненным в виде рычага. Щуп прижимается к детали 8 под действием плоской пружины 5. Когда по электромагниту 4 пропускают переменный ток, выступ щупа то притягивается к сердечнику этого электромагнита, то отходит от него. При этом щуп получает колебательные движения по вертикали (100 раз в секунду).

Верхний конец щупа соединен с намагниченным от постоянного магнита 2 сердечником 3 второго электромагнита, обмотка которого соединена с электроизмерительным прибором — индикатором 1. Шкала индикатора отградуирована в миллиметрах.
При колебаниях щупа магнитное поле сердечника 3 пересекает витки электромагнита и в ней индуктируется э. д. с., под действием которой по обмотке измерительного прибора начинает проходить ток.
Когда щуп подводят к обрабатываемой детали, его рабочая часть ударяет о ее поверхность. По мере обработки детали размах колебаний щупа изменяется, а вместе с этим меняются индуктируемая в электромагните э. д. с. и сила тока в индикаторе. По положению стрелки на шкале индикатора рабочий следит за размером обрабатываемой детали.
Такой прибор может работать автоматически и в момент достижения заданного размера через специальное устройство остановить станок.
Для измерения скорости вращения вала применяют электрические тахометры. Они состоят из индукционного датчика и индикатора. Датчик представляет собой маленький генератор электрической энергии. Напряжение, даваемое этим генератором, изменяется пропорционально скорости вращения его оси. К зажимам датчика присоединяется индикатор — вольтметр, шкала которого отградуирована в единицах скорости.
Чтобы определить скорость вращения вала машины, ось датчика соединяют с валом при помощи зубчатой или иной передачи. В обмотке датчика индуктируется э. д. с., пропорциональная скорости вращения вала. Ее величину показывает стрелка на шкале прибора.
Для измерения температуры используется зависимость величины э. д. с. термопары от температуры нагрева места ее спая.
На рис. 99 показан термоэлектрический измеритель температуры. Он состоит из датчика 1 в виде термопары и индикатора 2 — электроизмерительного прибора, шкала которого отградуирована в градусах температуры. Этим электротермометром можно измерять температуру, например, в пределах от 0 до 100° С.

На рис. 100 показана схема использования пьезоэлектрического датчика для измерения давления.

Через трубку 1 пьезоэлектрического манометра пар, давление которого необходимо измерить, воздействует на мембрану 2 и через шайбу 3 передается на две пластинки 4 пьезоэлектрика из кварца. При сжатии кварца на его концах, соединенных с электродом 6, появляется отрицательный электрический заряд, а на противоположных концах кварцевых пластинок, соединенных с корпусом 5, — положительный заряд.
Электрод 6 и корпус 5 манометра проводниками соединяются с индикатором — электроизмерительным прибором 7, шкала которого отградуирована в единицах измерения давления.
Этот прибор измеряет величину зарядов, возникающих на кварцевых пластинках, а следовательно, и давление.
Пьезоэлектрические манометры пригодны для измерения больших и очень малых давлений. Это связано с тем, что ничтожно малое количество электричества, появляющееся на концах пьезоэлектриков при весьма малых давлениях, можно подать на усилитель, а затем измерить электроизмерительным прибором.

1. Какими приборами измеряется сила тока, напряжение и сопротивление?
2. Назовите преимущества приборов электромагнитной системы.
3. На каком принципе основано действие приборов магнитоэлектрической системы?
4. Для чего к амперметру подключают шунт?
5. По какой формуле можно вычислить величину добавочного сопротивления, присоединяемого к вольтметру?
6. Какими приборами измеряют расход электрической энергии?
7. Для чего служат датчики?
8. Изобразите схему включения ваттметра.
9. По какой формуле вычисляется неизвестное сопротивление, измеренное мостом, при его электрическом равновесии?

Источник