КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы). 2 страницаИспользуя преобразователи, нужно стремиться к тому, чтобы все факторы как можно меньше влияли на изменение сопротивления преобразователя. Следовательно, требования к преобразователю, его погрешности и свойства будут определяться в зависимости от их использования. Рассмотрим принцип использования тепловых преобразователей для измерения различных неэлектрических величин. Термоанемометры. Если нагреваемый током тепловой преобразователь погружен в жидкую или газовую среду, то его температура определяется режимом теплового равновесия между количеством теплоты, подводимой к проволоке и отдаваемой в окружающую среду. Если среда движется, т.е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача теплоты путем конвекции превышает все другие охлаждающие факторы и зависит от скорости потока. Приборы, измеряющие скорость газового потока, называются термоанемометрами (рис. 7.19).
Термочувствительным элементом такого прибора служит платиновая проволочка 7, прикрепленная к манганиновым стерженькам 2, которые, в свою очередь, крепятся к ручке 3 из изолирующего материала. Для включе- ния преобразователя в измерительную цепь служат выводы 4. Работа прибора основана на изменении сопротивления проволоки 1 в зависимости от скорости газового потока. Потеря проволокой теплоты путем конвекции выражается формулой
I2R = EF(tnp-tcp),
где £ — коэффициент теплоотдачи; F — поверхность проволоки в среде; tnp и tcp — соответственно температура проволоки и среды. Здесь величина е зависит не только от скорости движения среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности среды, поэтому ее рассчитывают с помощью теории подобия. Преобразователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь (рис. 7.20). Измерение можно производить, поддерживая постоянным либо силу тока /в неразветвленной части моста, либо напряжение питания моста (при работе в неравновесном режиме), или непрерывно поддерживая соответствующее равновесию моста значение сопротивления преобразователя Rnp термоанемометра путем изменения силы тока / (тогда мост будет находиться в режиме равновесия для каждого значения скорости v). Градуировочная кривая R = f(v) при /= const показана на рис. 7.21. Как видно из рисунка, шкала прибора получается нелинейной.
Иногда для получения более линейной шкалы измеряют не силу тока I, а падение напряжения на платиновой проволоке R. Так как значение R вследствие нагревания проволоки током увеличивается при возрастании /, то зависимость IR = f(v) оказывается более линейной, чем зависимость 1=f(v), но при этом увеличивается инерционность.
Температуру проволоки термоанемометра можно также измерить с помощью термопары ТП (рис. 7.22). и Чги , "MnV (А -о {Jо- Рис. 7.22. Схема измерения температуры нагревателя Рабочий спай термопары приварен к середине нагреваемой проволоки R, и милливольтметр mV измеряет развиваемую термопарой термоЭДС, зависящую от температуры сопротивления /?т, а, следовательно, от скорости потока v, т.е. Е = М =Mv). Для того чтобы обеспечить достаточную чувствительность прибора, необходимо нагревать проволоку термоанемометра до температуры 600... 800 °С. Особенно это важно для термоанемометров с термопарой, так как термоЭДС растет с увеличением температуры рабочего спая. Так как не все материалы можно нагревать до такой температуры, то чаще всего в качестве термопреобразователя термоанемометра используют платину. Погрешности термоанемометра. Погрешностью от потерь, обусловленных теплопроводностью самого проводника, можно пренебречь, если взять отношение его длины к диаметру l/d > 500 (обычно берется проволока длиной 5...20 мм и диаметром 0,02...0,06 мм). Потерями на излучение можно также пренебречь, если термопреобразователь работает в открытом газовом потоке или если температура проволоки отличается от температуры окружающей среды или стенок камеры не больше, чем на 100 "С. Если потерями на теплопроводность и лучеиспускание пренебречь нельзя, их можно учесть градуировкой при условии, что эти потери сохраняют свое значение во время работы. Как известно, коэффициент теплоотдачи е зависит не только от скорости, но и от теплопроводности среды. Следовательно, если в процессе эксплуатации прибора состав и теплопроводность исследуемого газового потока будут меняться, то будут меняться коэффициент е и температура проволоки, что может внести заметную погрешность в измерения. Поэтому нужно следить за тем, чтобы состав среды во время градуировки и эксплуатации прибора был один и тот же. Проволока термоанемометра должна быть расположена по возможности перпендикулярно направлению потока. Отклонение от этого положения более чем на 10°С вызывает значительное изменение показаний. Газоанализаторы. Приборы, предназначенные для определения процентного содержания компонента газовой смеси, называются газоанализаторами. Принцип их действия основан на изменении сопротивления проводника в зависимости от теплопроводности смеси газов. Теплопроводность газовых смесей, состоящих из газов, не вступающих в реакцию друг с другом, примерно равна среднему арифметическому их составляющих. Для смеси из двух газов Л _ ^-CMlg + ^CMlb /7 Лсм12 ------ j^j j где Ясм]2, Асм1, Ясм2 — соответственно теплопроводности смеси и компонент; а и b — процентное содержание компонентов смеси.
Если необходимо определить процентное содержание газа, имеющего теплопроводность ЛСМ1, в смеси с другим газом, имеющим теплопроводность ЯСМ2, то формулу (7.4) можно записать иначе: Хсм1а + Хсм2(100-а) Ясм,2= loo ' (7"5) т.е., измерив Х.см]2 смеси и зная табличные значения Хсм1 в Х.см2 газов, образующих смесь, можно определить а (процентное содержание одного из газов). Выражение (7.4) дает лишь приближенную зависимость теплопроводности смеси от ее состава, поэтому на практике целесообразнее производить градуировку электрических газоанализаторов экспериментально, либо путем сравнения с образцовыми газоанализаторами, либо приготовляя в газгольдере смеси газов различных концентраций. Выражение (7.5) представляет собой зависимость теплопроводности от двухкомпонентной смеси. Измерение концентрации одного из компонентов более сложных смесей возможно лишь в том случае, когда все остальные компоненты газовой смеси имеют практически одинаковую теплопроводность, либо когда концентрация остальных компонентов постоянная. На рис. 7.23 показано принципиальное устройство газоанализатора. Проволока /, закрепленная в камере 2, обтекается исследуемым газом, теплопроводность которого изменяется в зависимости от состава. Материал проводника выбирается из тех же соображений, что и для термоанемометра. Измерительные цепи аналогичны цепям термоанемометра. Погрешности газоанализаторов. Для уменьшения погрешностей газоанализаторов нужно стремиться к тому, чтобы тепловое равновесие проволоки в камере определялось в основном теплопроводностью газовой смеси, остальные же виды теплообмена должны быть сведены к минимуму. Потери на лучеиспускание и теплопроводность самой проволоки исключаются _______ ^^ тем же путем, что и в термоанемометрах, ^ | | т. е. соответствующим выбором размеров про- у | водника (/= 50...60 мм; d= 0,03...0,05 мм) и градуировкой. Рис. 7.23. Устройство Потери на конвекцию, которые зави- газоанализатора: сят от скорости протекания газа, можно 1 — проволока; 2 — ка- учесть градуировкой, если скорость газа по- мера стоянна. Если же скорость газа не является постоянной величиной, то может возникнуть погрешность измерения, которую можно подсчитать, если известна зависимость коэффициента теплоотдачи е от скорости. В противном случае стремятся к уменьшению скорости газа. Погрешность, обусловленная потерями теплоты на конвекцию, может быть сведена к нулю, если газ в камеру попадает только в процессе диффузии. Однако инерция подобных преобразователей так велика, что время измерения достигает 15 мин, что неудобно в работе. Обычно, стремясь уменьшить зависимость показаний от скорости, допускают время измерения до 5... 8 мин. Потери на конвекцию, а следовательно, и погрешность прибора зависят от положения проволоки в камере. Если проволока во время эксплуатации сместится относительно того положения, которое она имела при градуировке, то изменятся условия теплового равновесия и температура самой проволоки. Поэтому преобразователь обычно изготовляют в виде прямой проволоки и механически обеспечивают постоянство ее расположения вдоль оси камеры. Термометры сопротивления. Эти приборы используют как датчики для измерения температуры. По материалу чувствительного элемента их подразделяют на термометры сопротивления платиновые (ТСП) и термометры сопротивления медные (ТСМ). Рассмотрим устройство термометров сопротивления на примере платинового проводникового преобразователя (рис. 7.24). Преобразователь представляет собой голую платиновую проволоку 2диаметром 0,05...0,07 мм, намотанную на каркас 1 размером 100 х 10 мм. Обмотка укладывается в зубчатую нарезку на краях каркаса. В качестве каркаса используют материалы, обладающие термостойкостью и высокими электроизоляционными свойствами: слюду, кварц, фарфор. К концам обмотки припаиваются выводы 3 из серебряной проволоки, которые изолируют фарфоровыми бусами. В термометрах сопротивления, предназначенных для измерения температуры до 100 "С, возможно применение выводов из меди. При более высокой температуре спай меди с платиной образует термопару и развиваемая ею термоЭДС будет служить источником погрешности.
Обмотку с каркасом заключают между двух слюдяных прокладок 4, затем всю конструкцию собирают в пакет серебряной лентой и заключают в тонкостенную алюминиевую трубку, а затем в чехол из нержавеющей стали. Выводы датчика подключают к зажимам Термометры сопротивления бывают одинарные и двойные. В двойных термометрах сопротивления встроены два изолированных друг от друга чувствительных элемента, применяемые для одновременного измерения температуры одной точки двумя приборами. Медные и платиновые термометры сопротивления выпускают со строго определенными значениями сопротивлений, соответственно своих типов и градуировок. Наиболее распространенными преобразователями температуры являются медные термометры сопротивления градуировок 50М и 100М, платиновые — градуировок 50П и 100П. Числа 50 и 100 обозначают сопротивление чувствительного элемента при 0 °С (50, 100 Ом), а буквы М и П — материал обмотки термометра сопротивления — соответственно медь и платина. При измерении температуры электрическое сопротивление термометров определяют градуировочными данными и приближенной формулой: R,= Rо (1 + at), где R, — сопротивление термометра при нагревании на t°С; Rq — сопротивление термометра при 0 °С; а — температурный коэффициент (для меди а = 4,3 ■ 10~3). Основные факторы, влияющие на погрешность измерения температуры технологических объектов, — это инерционность термодатчиков, неправильная их установка, нарушение условий монтажа и эксплуатации приборов. Инерционность термодатчиков проявляется с увеличением скорости изменения температуры объекта, так как возникает значительная разница в показаниях прибора и истинной температурой объекта. При использовании термодатчиков в агрессивной среде и высоких давлениях за счет использования соответствующих защитных гильз значительно увеличивается их инерционность. Для уменьшения инерционности зазор между датчиком и установочной гильзой по всей длине заполняют средой с большой теплопроводностью. При рабочей температуре 0...200 °С используют компрессионное масло, при температуре свыше 200 "С — чугунные или бронзовые опилки. Термометры сопротивления по точности подразделяют на три класса; по инерционности —на малоинерционные (до 9 с), сред- неинерционные (10...80 с), высокоинерционные (до 4 мин). В соответствии с требованиями производства датчики температур имеют различную монтажную (установочную) длину в интервале 60...3200 мм. Измерительные цепи. Во всех термометрах сопротивления используется принцип измерения сопротивления, изменяющего свою величину в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Поэтому в комплекте с термометрами сопротивления имеются приборы, измеряющие электрическое сопротивление (омметры). К таким приборам относятся логометры и мосты, шкалы которых отградуированы в градусах Цельсия. Широкое распространение получили неравновесные мостовые схемы измерения с логометром в качестве измерителя (рис. 7.25). Здесь Ru R2, R3 — сопротивления плеч моста, выполненные из манганина; R^ — сопротивления рамок логометра; R4 — сопротивление, компенсирующее температурную погрешность логометра; R0 — сопротивление для подгонки нулевой точки шкалы; /?д — сопротивление, дополняющее сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительной цепью до значения, принятого при градуировке термометра (обычно это значение равно 5 Ом); RT — преобразователь термометра сопротивления. Наиболее существенной погрешностью термометров сопротивления является погрешность, обусловленная изменением сопротивления линии вследствие колебания температуры окружающей среды. При больших расстояниях между объектом измерения и измерительной схемой сопротивление линии может быть 5 Ом, тогда как начальное сопротивление термосопротивлений обычно составляет 50 или 100 Ом. В связи с этим изменение сопротивления линии может внести существенную ошибку в измерения. Для уменьшения этой погрешности подключение термометра сопротивления RT к прибору выполняется по трехпроводной схеме (рис. 7.26).
Одна из вершин диагонали питания перенесена непосредственно к преобразователю. Благодаря этому сопротивление провода 2 суммируется с сопротивлением плеча Ru а сопротивление провода 1-е плечом преобразователя RT. Одинаковое изменение сопротивления в соседних плечах почти не отразится на равновесии моста в случае его работы в равновесном режиме. При работе в неравновесном режиме погрешность также будет значительно меньшей, чем в случае двухпроводной линии. Нагрев преобразователя термометра протекающим по нему током также создает погрешность. Для уменьшения этой погрешности следовало бы снижать ток до минимальной величины. Однако это приведет к потере чувствительности мостовой цепи и нужно будет применять высокочувствительный индикатор, поэтому допустимый ток через термопреобразователь составляет 10... 15 мА. Часто применяются также автоматически уравновешиваемые мосты, у которых при выходе из равновесия напряжение разбаланса AU, усиленное усилителем У, поступает на управляющую обмотку двигателя Д. Двигатель перемещает движок реохорда Rp до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие при новом значении измеряемой температуры. С реохордом связан указатель отсчетного устройства, отградуированного в t°С (рис. 7.27). Измерители плотности газа (вакуумметры). Измерение малых плотностей газа при помощи термосопротивлений основано на зависимости теплопроводности сильно разряженных газов от степени разрежения. При плотностях газа, соответствующих области атмосферного давления, теплопроводность газа практически не зависит от плотности. Молекула газа, ударившись о нагретое термосопротивление, получает добавочную кинетическую энергию, определяемую температурой нагретого тела. Затем, по мере перемещения от нагретой поверхности к холодной молекула сталкивается с рядом других молекул. Таким образом, в передаче теплоты от нагретой поверхности к холодной участвует много молекул, что статистически приводит к постоянству среднего по объему значения теплопроводности среды.
Однако при уменьшении концентрации, т. е. количества газа или воздуха в замкнутой камере, возрастает длина свободного пробега молекулы. Когда средняя длина свободного пробега молекулы становится величиной одного порядка с расстоянием между термосопротивлением и стенками камеры, теплопроводность газа определяется количеством оставшихся молекул, т. е. плотностью (концентрацией) молекул в камере, практически независимо от температуры и давления газа. Таким образом, естественной входной величиной таких преобразователей является концентрация, т.е. число молекул, находящихся в камере, выходной величиной — температура (или сопротивление) термосопротивления. Принципиальное устройство вакуумметра изображено на рис. 7.28. Термосопротивлением является лента 7, нагреваемая постоянным током. Амперметр А и реостат Rp предназначены для установки и поддержания постоянным значения нагревающего тока, которое было принято при градуировке прибора. Температуру термосопротивления измеряют термопарой ТП, рабочий спай которой приварен к середине термосопротивления, термоЭДС — милливольтметром mV. 7.4. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Ионизационными преобразователями называют такие преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током электронной и ионной проводимости газовой среды. Поток электронов и ионов получается в ионизационных преобразователях либо ионизацией газовой среды под воздействием того или иного ионизирующего агента, либо путем термоэлектронной эмиссии, либо путем бомбардировки молекул газовой среды электронами и т.д. Обязательные элементы любого ионизационного преобразователя — источник и приемник излучений. Ионизирующие агенты. В качестве ионизирующих агентов применяются а-, (3-частицы, у-лучи и рентгеновские лучи: • а-частицы представляют собой ядра гелия и несут положительный заряд. Это более тяжелые частицы, поэтому они обладают большей энергией и являются наиболее сильным ионизирующим агентом. Однако проникающая способность их очень мала. Наибольшая длина пробега а-частиц в воздухе равна 90 мм, а в твердых телах они поглощаются уже в слоях порядка единиц или десятков микрон (например, для алюминия длина пробега 0,05 мм). Поэтому при использовании а-частиц в качестве ионизирующего агента излучатель помещается внутри преобразователя;
• (3-частицы представляют собой поток отрицательно заряженных частиц (электронов). Они обладают меньшим запасом энер • у-лучи представляют собой электромагнитные колебания весьма малой длины волны. Электромагнитная энергия излучается не непрерывно, а квантами или фотонами, которые не несут электрического заряда и потому не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем; у-лучи распространяются со скоростью света и обладают наибольшей проникающей способностью (например, у алюминия — до 12 см); • рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные колебания, но большей длины волны. Они обладают теми же свойствами, что у-лучи и могут излучаться почти всеми веществами, если последние подвергаются бомбардировке электронами или другими частицами достаточной энергии. Использование этих лучей в измерительной технике основано на их способности проникать через светонепроницаемые тела. Ионизационная камера. Преобразователи, в которых применяется метод ионизации газовой среды лучами радиоактивных веществ или рентгеновскими лучами, называют ионизационными камерами и счетчиками (рис. 7.29). Газовая среда в камере / подвергается ионизации под воздействием ионизирующего агента 2. В камере расположены два электрода 4, к которым подводится напряжение U. При ионизации газа в камере возникает упорядоченное движение электронов и положительных ионов этого газа, т. е. ионизационный ток, который является функцией приложенного напряжения, свойств ионизирующего агента, ионизируемой среды, стенок камеры, а также других тел 3, находящихся на пути излучения, созданного ионизирующим агентом. Можно применять ионизационные преобразователи для измерения различных физических и геометрических величин, используя зависимость ионизационного тока от всех этих факторов. Газоразрядные счетчики. Газоразрядные счетчики служат для регистрации актов ионизации. Счетная трубка (рис. 7.30) выполняется в виде металлического или стеклянного цилиндра /, покрытого изнутри слоем токопроводящего металла и заполненного аргоном, азотом или другими инертными газами.
Внутри цилиндра, являющегося катодом, вдоль его оси натянута металлическая, изо-
Рис. 7.30. Схема устройства ионизационной счетной трубки: 1 — стеклянный цилиндр; 2 — нить; 3 — стеклянный баллон лированная от цилиндра нить 2, являющаяся анодом. Трубка герметизирована в стеклянном баллоне 3. Между нитью и цилиндром прикладывается напряжение (порядка 500 В), создающее в межэлектродном пространстве поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникший под действием ионизирующей частицы или излучения в области малой напряженности, дрейфует к аноду, при этом его скорость и энергия возрастают. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, его энергия возрастает настолько, что электрон становится способным сам ионизировать газ. Эта ионизация увеличивает число вторичных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 104раз и более. Это дает возможность регистрировать каждую пару ионов, образованную в трубке. По импульсу тока счетчика можно определить вид излучения (а или (3). Правда, такой счетчик может регистрировать отдельные акты ионизации только в том случае, если возникающий самостоятельный разряд будет гаситься до возникновения следующего акта ионизации, для чего существуют различные методы гашения разряда. Сцинтилляционные счетчики. Принцип действия сцинтилляци- онных счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах (люминофорах) под действием проникающей радиации слабых световых вспышек — сцинтилляций, которые, попадая на светочувствительный фотокатод, вызывают фототок. Комбинация люминофора, фотокатода и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в общем светонепроницаемом корпусе называется сцинтилляци- онным счетчиком. Люминофоры изготовляют из смеси кристаллов сульфида цинка и сульфида кадмия, активированных серебром. Сцинтилляционные счетчики применяют для измерения числа заряженных частиц, у-квантов, нейтронов, для исследования спектра у- и нейтронного излучения. Масс-спектрометры. Преобразователи масс-спектрометров предназначены для анализа газовой смеси методом получения спектра масс всех положительно заряженных ионов исследуемой газовой смеси. В основе разделения ионов по их массам лежит одновременное воздействие на ионы электрического и магнитного полей, благодаря которым ионы различных масс движутся по разным траекториям.
Связь между массами и параметрами электрического и магнитного полей описывается уравнением т _ В2г2 е ~ 2 U ' где т — масса иона; е — заряд иона; В — индукция магнитного поля; г — радиус траектории, описываемой ионом под действием электрического и магнитного полей; U — напряжение электрического поля. Испытуемый газ вводится под небольшим давлением в ионизационную камеру (рис. 7.31), где он подвергается бомбардировке пучком электронов. Образованные при бомбардировке положительные ионы под воздействием электрического поля, созданного разностью потенциалов Д U, получают ускорение. Вылетая через щель 3 ионизационной камеры, они попадают через щель 2 в камеру, где действует магнитное поле с индукцией В. Магнитное поле, в зависимости от величины т/е, отклоняет ионы, и они движутся по траекториям с радиусами гь г2, гг и т.д. Ионы, радиус траектории которых г3, пройдут через щель 1 и попадут на коллектор. Он соединен через сопротивление R с землей. Ток, значение которого определяется количеством ионов, отдающих свой заряд коллектору в единицу времени, создает на сопротивлении R падение напряжения, которое усиливается усилителем постоянного тока и регистрируется самопишущим прибором V. Изменяя индукцию магнитного поля В при U = const или, наоборот, изменяя напряжение электрического поля Uпри В = const, можно добиться того, что ионы различных масс будут попадать через щель 1 на коллектор и таким образом в достаточно широких пределах на диаграмме можно записать кривую, имеющую ряд пиков (рис. 7.32). Высота каждого пика является критерием концентрации ионов данной массы в газовой смеси.
В связи с тем, что значение ионизационных токов мало (10~9... 10~12 А), а входное сопротивление измерительной цепи должно быть достаточно высоким (1012... 10'5 Ом), чтобы токи утечек были меньше ионизационных хотя бы на 2 — 3 порядка. Этому основному и важному требованию удовлетворяют электронные измерительные цепи, входное сопротивление которых порядка 10,2...10'3 Ом.
Достоинства: дают возможность измерять без непосредственного
|