Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы). 5 страница

Погрешность от колебания напряжения. При из­менении намагничивающего тока меняется как начальное значе­ние магнитной проницаемости, так и величина магнитоупругого эффекта. Поэтому стабилизация напряжения питания необходима для всех типов датчиков. Иначе погрешность от колебания напря­жения источника питания будет недопустимо большой.

Температурная погрешность. Колебания температуры преобразователя вызывают изменения: сопротивления R катушки постоянному току, начальной магнитной проницаемости и маг­нитострикции, а следовательно, и магнитоупругого эффекта. Эти изменения создают температурную погрешность. Но изменение активного сопротивления R мало сказывается на работе преобра­зователя, так как активное сопротивление значительно меньше полного сопротивления преобразователя.

Изменение магнитной проницаемости может иметь положи­тельный и отрицательный знаки, в зависимости от материала пре­образователя и рабочего значения напряженности поля. Таким об­разом, в зависимости от выбранного материала сердечника и ра­бочего значения напряженности поля, отдельные факторы при колебаниях температуры могут компенсировать друг друга в изве­стных пределах. В случаях необходимости температурную погреш­ность можно скорректировать при помощи включения в соседнее плечо моста корректирующего преобразователя, идентичного с рабочим и находящегося в тех же температурных условиях, но не подвергающегося нагрузке.

Применение магнитоупругих преобразователей. Магнитоупругие преобразователи применяют:

• для измерения больших давлений (больше 10 Н/мм², или 100 кГ/см²), так как они непосредственно воспринимают давле­ние и не нуждаются в дополнительных преобразователях;

• для измерения силы. В этом случае предел измерения прибора определяется площадью магнитоупругого преобразователя. Дан­ные преобразователи деформируются под действием силы очень незначительно. Так, при /=50 мм, Д/< 10 мкм они имеют высо­кую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не дол­жны превышать 40 Н/мм².

Рассмотрим принцип использования магнитоупругих преобра­зователей для измерения различных неэлектрических величин.

Измерение крутящего момента. В ка­честве примера использования магнито­упругих преобразователей на рис. 7.60 приведена конструкция датчика магни­тоупругого торсиометра, применяемого для измерения крутящего момента на бу­ровом инструменте. Магнитоупругим эле­ментом является участок рабочего вала 2, выполненного из ферромагнитного ма­териала. Этот участок вала охвачен коль­цевым статором 1, Статор имеет внутрен­ние радиально расположенные выступы (полюсы) 4 из листовой трансформатор­ной стали, на которые намотаны намаг­ничивающие катушки 6, питаемые пере­менным током.

Катушки соединены последовательно так, чтобы полюса чередовались. При отсутствии крутящего момента направ­ление магнитного потока между полю­сами перпендикулярно образующей вала (линия 2—2на рис. 7.61).

Измерительные катушки 3 преобразователя (см. рис. 7.60) име­ют сердечник 5 П-образной формы из трансформаторной стали. Их оси расположены вдоль образующей вала. Катушки соединены последовательно. При отсутствии крутящего момента концы сер­дечника 5 расположены на одной и той же относительной маг­нитной эквипотенциальной линии 0,5 и, следовательно, разно­сти магнитного потенциала между ними нет. При действии крутя­щего момента изменится магнитная проницаемость р материала вала, причем в направлениях, в которых вал испытывает дефор­мацию сжатия, ц будет уменьшаться, а в направлениях деформа­ции растяжения — увеличиваться. Вследствие возникшей магнит­ной анизотропии изменится картина поля между полюсами на­магничивающих катушек, т.е. полю­са 2—2 сердечника измерительной катушки уже не будут находиться на одной эквипотенциальной ли­нии и через сердечник пойдет часть магнитного потока. При изменении знака момента картина поля изме­нится на обратную и на 180 ° изме­нится фаза потока, а следователь­но, и фаза выходного напряжения, индуцированного в катушке.

Рис. 7.60. Устройство дат­чика магнитоупругого тор- сиометра;

Рис. 7.61. Картина поля между полюсами 1—1, 2—2 намагни­чивающих катушек 1—1, 2—2

Магнитоупругий динамометр. Это прибор для измерения сосредото­
ченных сил. На рис. 7.62 представлена из­мерительная цепь магнитоупругого дина­мометра, где Z_x — сопротивление рабо­чего преобразователя, a Z_N— сопротивле­ние ненагруженного (нерабочего) преоб­разователя. В исходном состоянии (Z_x = Zv) измерительная цепь уравновешена и ток через указатель равен нулю. При Z_x* Z_N через указатель протекает ток. Шкала ука­зателя может быть проградуирована в еди­ницах измеряемой силы.

Частота собственных колебаний пре­образователя достигает нескольких десятков тысяч герц, что дает возможность при соответствующем выборе частоты источника питания измерять динамические силы до частот порядка 10 кГц.

7.9. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Электролитические преобразователи относятся к типу элек­трохимических преобразователей. В общем случае электрохимичес­кий преобразователь представляет собой электролитическую ячей­ку, заполненную раствором с помещенными в нее электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную цепь. Как элемент электрической цепи электролитическая ячейка мо­жет характеризоваться развиваемой ею ЭДС, падением напряже­ния от проходящего тока, сопротивлением, емкостью и индук­тивностью. Выделяя зависимость между этими электрическими па­раметрами и измеряемой неэлектрической величиной, а также подавляя действие других факторов, можно создать преобразова­тели для измерения состава и концентрации жидких и газообраз­ных сред, давлений, перемещений, скорости, ускорения и других величин. Электрические параметры ячейки зависят от состава ра­створа и электродов, химических превращений в ячейке, темпе­ратуры, скорости перемещения раствора и др. Связи между элек­трическими параметрами электрохимических преобразователей и неэлектрическими величинами определяются законами электро­химии.

цепь магнитоупругого ди­намометра

Растворы солей, кислот и оснований в воде и в ряде других ра­створителей обладают электропроводностью и называются провод­никами второго рода. При растворении происходит диссоциация — расщепление молекул на положительные и отрицательные ионы. Вещества, расщепляющиеся при растворении на ионы и образующие электропроводящие растворы, называются электролитами. Под воз­действием электрического поля положительные ионы движутся к
отрицательному электроду, а отрицательные ионы — к положитель­ному электроду и переносят электрические заряды.

Электропроводность чистой дистиллированной воды близка к нулю и возрастает по мере повышения концентрации растворен­ных веществ. Растворы характеризуются:

• молярной массой Р, г/моль;

• молярной концентрацией С, моль/м³;

• химической активностью а.

Активность а равна произведению эквивалентной концентра­ции С на коэффициент активности /, равный единице для раство­ров с небольшой концентрацией и уменьшающейся по мере по­вышения концентрации (из-за уменьшения степени диссоциации и подвижности ионов).

Удельная электропроводность раствора пропорциональна его эквивалентной химической активности:

у = XfC - Ха.

Коэффициент X называется эквивалентной электропроводностью. Удельная электропроводность зависит нелинейно от весовой кон­центрации Р или эквивалентной концентрации С. Зависимость проводимости электролитов от их концентрации дает возможность использовать электролитическую ячейку в качестве измеритель­ного преобразователя. Естественной входной величиной преобра­зователя является значение химической активности а раствора, выходной величиной — электрическая проводимость между элек­тродами.

Принцип действия и погрешности электролитического преобра­зователя сопротивления. Принцип действия электролитических пре­образователей основан на зависимости сопротивления электро­литической ячейки от состава и концентрации электролита, а также от геометрических размеров ячейки. Сопротивление столба жид­кости электролитического преобразователя

(7.17)

S Y

где у= 1/р — удельная проводимость электролита; к — постоянная преобразователя, зависящая от соотношения его геометрических размеров, определяемая обычно экспериментально.

Практически здесь можно применить любой из методов для из­мерения сопротивления. Измерение производится в основном на пе­ременном токе (для того чтобы не происходило электролиза во вре­мя измерения). При включении прибора в сеть постоянного тока напряжение питания цепи должно быть достаточно велико, чтобы ЭДС поляризации не вызвала большой погрешности измерения.

Градуировку приборов для измерения концентрации раство­ров производят двумя методами:

• с помощью образцовых растворов;

• с помощью образцовых магазинов сопротивления, предвари­тельно вычислив значения сопротивления для ряда заданных кон­центраций.

Второй способ является более простым и удобным, но сопро­тивление, подсчитанное по его постоянной, представляет его ак­тивное сопротивление, в то время как при работе на переменном токе показание прибора соответствует полному сопротивлению преобразователя. Различие между полным и активным сопротив­лением, характеризуемое сдвигом по фазе между током и напря­жением в преобразователе, может вызвать погрешность измере­ния прибора, доходящую в некоторых случаях до нескольких де­сятков процентов. Дело в том, что при прохождении через преоб­разователь переменного тока имеет место ряд явлений, эквива­лентных в электрическом отношении влиянию емкости конден­сатора, включенного последовательно или параллельно активно­му сопротивлению преобразователя. Это емкость двойного слоя зарядов на границе электрод — раствор, называемая статической емкостью, которую можно считать включенной последовательно с сопротивлением раствора. Следует также учитывать емкость, обусловленную перемещением зарядов относительно друг друга и относительно зарядов на электродах, называемую электролити­ческой емкостью, которую можно считать включенной параллель­но сопротивлению раствора электролита.

Для уменьшения влияния этих емкостей сопротивление преоб­разователей выбирается 500... 1000 Ом, чтобы падение напряже­ния на нем было в пять-шесть раз больше падения напряжения на емкости, что позволяет градуировать прибор при помощи образ­цовых сопротивлений.

Электропроводность раствора в значительной степени зависит от температуры. Температурный коэффициент проводимости при комнатной температуре (3 = 0,016°С^-1 для кислот, 3 = 0,024°С^-1 — для солей, Р= 0,019°С"' — для оснований. С увеличением температуры значение (3 умень­шается. Существует много различных методов компенсации температурной погрешности, однако все эти методы дают несовершенную температурную компенсацию, причем по­грешность от изменения температуры растет с увеличением диапазона изменения темпе­ратуры и концентрации электролита.

Рис. 7.63. Электроли­тический преобразо­ватель с температур­ной компенсацией

На рис. 7.63 приведена схема электроли­тического преобразователя с температурной компенсацией. Погрешность компенсируется здесь путем последовательного включения компенсирующего сопротивления.

Сопротивление R\, включенное параллельно электродам, вы­полнено из манганина, а компенсирующее R_K — из меди и нике­ля. В исходном состоянии сопротивление преобразователя

При повышении температуры на 6 градусов

R'ab =------------ И------------- + R, (1 + сс_ке),

где (Зд. — температурный коэффициент проводимости электроли­та; а_к — температурный коэффициент сопротивления R_K.

Компенсация будет иметь место при R_AB = R'_AB. Таким обра­зом, получаем квадратичное уравнение относительно R_x, на ос­новании которого заключаем, что при заданных значениях и R_K компенсация для заданной температуры 6 будет иметь место при двух значениях R_x.

Может быть решена и обратная задача, т. е. определение значе­ния Ri и R_K для заданного диапазона R_x (от R_xl до R_x2) и заданного повышения температуры 6.

Решая уравнение R_AB = R'_AB относительно R_t и R_K для двух зна­чений R_x (R_xX и R_xl) получим

[/?,,+ /?,(! + + Л,) а_к'

Следовательно, для любых двух значений концентрации мож­но подсчитать величины R_X и R_K для заданного диапазона измене­ния температуры. Погрешность от температуры будет тем больше, чем шире диапазон изменения концентрации и больше диапазон изменения температуры исследуемого раствора электролита. Не­достатком этого метода компенсации температурной погрешно­сти является то, что большая величина R_K затрудняет конструиро­вание преобразователя и отвод теплоты от него. При нагреве же R_K током его сопротивление увеличивается и компенсация наруша­ется.

Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они исполь­зуются для измерения перемещения, скорости, механических де­формаций, температуры и других физических величин. Рассмот­рим принцип использования электролитических преобразовате­лей для измерения различных неэлектрических величин.

Электромеханические преобразователи перемещения. При по­стоянной концентрации электролита изменение сопротивления преобразователя может быть вызвано изменением расстояния

-О-О- в Рис. 7.64. Электролитические преобразователи линейного (а, б) и угло­вого (в)перемещения:1 — каучуковая трубка;2 — электролит; 3 — электрод

между электродами или изменением сечения электролита. На этом и основано действие электролитических преобразователей перемещения. Ниже показаны два типа электролитических преоб­разователей линейного (рис. 7.64, а, б) и углового (рис. 7.64, в) перемещения и схема их включения в мостовую измерительную цепь.

Два плеча моста (см. рис. 7.64, а) образованы сопротивлениями R\ и R₂ дифференциального электролитического преобразовате­ля, имеющего один подвижный электрод (средний) и два непод­вижных. Основным достоинством электролитических преобразо­вателей перемещения является то, что для перемещения электро­да требуется незначительное усилие.

На рис. 7.65 приведена схема устройства электролитического тен- зопреобразователя, который состоит из каучуковой трубки 7 с внутренним диаметром порядка 1 мм, заполненной электролитом 2, и двух электродов 3, вставленных в концы трубки так, чтобы ее внутренний объем был полностью заполнен электролитом. При помощи зажимов 4 преобразователь крепится к исследуемому объекту.

В зависимости от состава электролита, длины и сечения канала трубки можно изготовить преобразователи с начальным сопро­тивлением от сотен до нескольких сотен килоом. Такие преобра­зователи позволяют измерять очень большие относительные де­формации (до А1/1 = 0,6), их коэффициент тензочувствительности

Рис. 7.65. Электролитический тензо- преобразователь:

1 — трубка; 2 — электролит; 3 — электро­ды; 4 — зажимы

Частотная характеристика равномерна до частот 500...700 Гц. Достоинством электролитических преобразователей является воз­можность использования больших напряжений питания (до 500 В). Резиновый электролитический преобразователь обладает высоки­ми изоляционными свойствами, поэтому его можно применять при измерении деформации деталей в воде и других жидких сре­дах, не разрушающих каучук.

Интегрирующий акселерометр. Электролитические преобразо­ватели используются в интегрирующих акселерометрах для изме­рения скорости ракет. На рис. 7.66 приведена принципиальная схема интегрирующего акселерометра с гидродинамическим подвесом инерционной массы.

Этот прибор представляет собой герметичную камеру 7, за­полненную электролитом, в которой плавает поплавок 2. Камера приводится во вращение с постоянной круговой скоростью при помощи вспомогательного двигателя Д. Под действием возника­ющих при вращении жидкости центробежных сил поплавок уста­навливается по оси симметрии камеры, вдоль которой он может перемещаться. При наличии составляющей X ускорения в направ­лении оси вращения Х'Х" на поплавок действует сила инерции

F_K={P_x~P_a)V_aX",

где Р_ж — плотность жидкости; Р_п — плотность поплавка; V_n — объем поплавка; X" — ускорение.

Эта сила, направленная в сторону, противоположную действию ускорения, вызывает движение поплавка и уравновешивается си­лой гидродинамического сопротивления жидкости, пропорцио­нальной скорости поплавка:

F_r = кХ\

где к — коэффициент пропорциональности; X' — скорость движе­ния поплавка.

Приравнивая правые части выражений, можно получить

X' =кХ",

Рис. 7.66. Интегрирующий акселерометр: 1 — герметичная камера; 2 — поплавок; 3—5 — электроды

где

к = (Р_х- Р_п) VJk.

Таким образом, перемещение поплавка X оказывается пропорциональным интегралу во времени от измеряемого ускорения

X

k\X"dt.

Внутри камеры размещаются три электро­да 3— 5, от которых сделаны выводы наружу с помощью скользящих контактов. Измеритель­ная цепь представляет собой мост, два плеча которого образованы сопротивлениями R\ и Я₂, а два других плеча — сопротивлениями электролита между средним электродом и дву­мя торцевыми. Погрешность такого прибора в основном определяется погрешностью от не­постоянства вязкости жидкости, определяемой ее температурой.

Электролитические концентратомеры. Это преобразователи, которые используются для измерения концентрации электролитов. На рис. 7.67 представлен универсальный преобразователь для измерения концентрации по электропроводности жидкости в лабораторных условиях.

Корпус преобразователя изготовлен из химически стойкого стекла с вплавленными платиновыми ступенчатыми электродами 3. Преобразователь имеет сменные измерительные сосуды 2, кото­рые надеваются на основание преобразователя 1.

Сменные измерительные сосуды обеспечивают возможность применения преобразователя для измерений в проточной жидко­сти, при погружении в исследуемый раствор и путем отбора проб. Минимальное, необхо­димое для измерения, количество жидкости составляет 6... 7 мл.

Градуировку приборов для измерения кон- о-/уЛ- центрации растворов можно осуществить с по-

' мощью образцовых растворов с известной кон­

центрацией или при помощи магазинов со­противлений, предварительно вычислив зна­чения сопротивлений для ряда заданных кон­центраций.

Рис. 7.67. Электролитический концентратомер: 1 — основание преоб­разователя; 2 — изме­рительные сосуды; 3 — электроды

Существуют бесконтактные электролити­ческие преобразователи, не имеющие контакта металлических электродов с электролитом, что исключает поляризацию и другие нежелатель­ные взаимодействия электрода и раствора. Они

разделяются на низкочас­тотные и высокочастот­ные.

На рис. 7.68 представле­на схема устройства низко­частотного трансформатор­ного преобразователя с ко- роткозамкнутым жидким витком, а на рис. 7.69 — схема дифференциального трансформаторного преоб­разователя с жидким вит­ком 2, который связывает питающий 3 и измерительный 7 трансформаторы.

При начальной проводимости раствора указатель Ук регули­ровкой реостата R устанавливается на нуль. При повышении про­водимости показания указателя соответствуют измеряемой кон­центрации раствора. Сигнал с измерительного трансформатора вместо указателя может быть подан в систему управления для ре­гулирования состава электролита. Такие преобразователи исполь­зуют для измерения концентрации кислот, щелочей и солей в водных растворах, электропроводность которых лежит в пределах 10⁴... 10² (Ом-м)^-1 при температурах до 100 "С. Недостатком низко­частотных преобразователей является сложность конструкции, обусловленная необходимостью создания жидких витков.

В последнее время для измерения весьма малых концентраций применяют высокочастотные бесконтактные преобразователи, пи­тающиеся переменным током с частотой до нескольких десятков мегагерц. Приборы с высокочастотными бесконтактными преоб­разователями градуируются по образцовым электролитам с изве­стной концентрацией.

Рис. 7.69. Дифференциальный трансфор­маторный преобразователь с короткозам- кнутым жидкостным витком: 1 и 3 — соответственно измерительный и пи­тающий трансформаторы; 2 — жидкий виток

7.10. ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Полярографические преобразователи относятся к типу элек­трохимических преобразователей. Прохождение электрического тока через электролиты сопровождается электролизом — хими­ческими превращениями и выделением вещества из раствора. Про­хождение через электролит любого сколь угодно малого количе­ства электричества всегда сопровождается выделением на одном электроде и растворением на другом электроде соответствующе­го, совершенно определенного количества вещества. В результате этого концентрация ионов вблизи электродов оказывается иной, чем в остальном растворе. Неравные концентрации стремятся к выравниванию, но скорость диффузии ограничена и поэтому чем

7 Раниеп

больше плотность тока на электроде, тем больше разница концентраций. Явление по­ляризации заключается в изменении элек­тродных потенциалов, вследствие измене­ния электродной концентрации в резуль­тате протекания через электролитическую ячейку электрического тока от внешнего источника. Потенциал, при котором в про­цессе электролиза выступает основная мас­са ионов данного вида, называется потен­циалом выделения данного иона. Потенциа­лы выделения различны для всех ионов. На этом явлении основан поляризационный или полярографический метод качественного и количественного химического анализа растворов.

Полярографический преобразователь (рис. 7.70) представляет собой электролитическую ячейку, заполненную анализируемым раствором с двумя электродами, к которым подводится напряже­ние от внешнего источника питания.

Сила тока, проходящего через ячейку (выбирается равной 10~⁶ А):

j _ ^и~(^еА ~е_к) R

где е_А — потенциал анода; е_к — потенциал катода; R — сопротив­ление ячейки (не более 1000 Ом).

Для того чтобы поляризация происходила только на одном элек­троде, площадь поляризующегося электрода выбирается в несколько сот раз меньше площади другого электрода. Полагая потенциал не- поляризующегося электрода е_А близким к нулю, а падение напря­жения IR исчезающе малым по сравнению с величиной приложен­ного напряжения U, можно опре­делить потенциалы е_к для разных токов как е_к ~ U.

На рис. 7.71, а показаны поля- рограммы восстановления одних и тех же ионов, полученные при раз­личной концентрации С в раство- Рис. 7.71. Полярограммы восста- Р^е-

новления ионов при различной Как видно из кривых, потенци- концентрации растворов ал выделения ионов при прочих

равных условиях зависит от их Концентрации. Поэтому для ка­чественного анализа используют не потенциал начала резкого воз­растания силы тока (так называ­емой «волны» тока), а потенци­ал, соответствующий середине участка повышения тока, — по­тенциал «полуволны», который не зависит от концентрации ионов И параметров преобразователя. Если графически продифферен­цировать полярографические кривые I-f(U), то максимумы кри­вых dI/dU= f(U) (рис. 7.71, б) будут при одном и том же потен­циале, соответствующем потенциалу полуволны исследуемых ионов, а высоты максимумов будут пропорциональны концентра­циям. Если в исследуемом растворе содержатся ионы нескольких видов (например, Pb"¹"¹", Cd"¹"¹", Zn^), каждый вид ионов дает свой прирост тока — свою «волну», в результате получается многосту­пенчатая полярограмма (рис. 7.72).

При подаче на преобразователь возрастающего напряжения в начале через него идет только остаточный ток /₀, обусловленный разрядом небольшого числа ионов всех видов. При достижении на­пряжением потенциала разряда ионов РЬ"¹"¹" (-0,45 В) сила тока че­рез преобразователь резко возрастает и достигает значения /_п1, оп­ределяемого концентрацией ионов РЬ"¹⁴" в растворе. При дальней­шем росте напряжения ток остается равным /_п1 до тех пор, пока не будет достигнут потенциал разряда ионов Cd⁺⁺ (-0,6 В), после чего ток резко возрастает до значения /_п2. При этом разность токов /_п2-/_П1 соответствует концентрации в растворе ионов Cd⁺⁺. При до­стижении напряжением потенциала разрядов ионов Zn⁺⁺ (-1,0 В) произойдет следующий скачок и т.д. Потенциалы полуволн раз­личных элементов, значения которых приводятся в специальных таблицах, образуют полярографический спектр.

Сравнивая потенциалы полуволн, полученные при исследова­нии неизвестного раствора, с табличными данными, можно уста­новить химический состав исследуемого раствора. Все значения потенциалов полуволн в таблицах даются относительно потенци­ала нормального каломельного полуэлемента.

Полярографический преобразователь с ртутным капающим элек­тродом. Преобразователь представляет собой электрическую ячей­ку (рис. 7.73), состоящую из сосуда, заполненного исследуемым раствором, и двух ртутных электродов.

Рис. 7.72. Многоступенчатая по­лярограмма

Анодом является ртуть, заполняющая дно сосуда, катодом — капля ртути, образующаяся на конце капиллярной трубки, напол­няемой ртутью из резервуара. Под влиянием собственной тяжести
капля ртути падает на дно сосу­да, после чего образуется следу­ющая капля и т. д. Таким образом, катодом является непрерывно во­зобновляющаяся капля ртути. На ртутном электроде создается все время одинаковая поверхность с обновляющимся приэлектрод- ным слоем электролита. Малая поверхность капли обусловлива­ет поляризацию электрода при небольших токах, что вызывает разложение незначительного ко­личества растворенного вещества.