§ 6. Термочувствительные преобразователи (терморезисторы).

Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.

Между терморезистором и исследуемой средой в процессе измерения происходит теплообмен. Так как терморезистор при этом включён в электрическую схему, с помощью которой производится измерение его сопротивления, то по нему протекает ток, в результате происходит выделение теплоты.

Интенсивность теплообмена, а следовательно, и температура терморезистора зависят от геометрических размеров и формы, от конструкции защитной арматуры, от состава, плотности, теплопроводности, вязкости и других физических свойств газовой или жидкой среды, окружающей терморезистор, а также от температуры и скорости перемещения среды.

Таким образом, зависимость температуры и сопротивления терморезистора от перечисленных выше факторов может быть использована для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду.

При конструировании преобразователя стремятся к тому, чтоб теплообмен терморезистора со средой в основном определялся измеряемой неэлектрической величиной.

Для измерения температуры наиболее распространены терморезисторы, выполненные из платиновой или медной проволоки.

Стандартные платиновые терморезисторы применяются для измерения температуры в диапазоне от –26 до +1100°С, медные - от -200 до +200°С (ГОСТ 6651-78).

В платиновых терморезисторах используется проволока без изоляции, наматываемая на каркас из слюдяных пластин. В медных терморезисторах применяется проволока, изолированная эмалью или шелком и наматываемая на пластмассовый каркас.

Допустимое значение тока, протекающего по терморезистору при включении его в измерительную схему должно быть таким, чтобы изменение сопротивления терморезистора за счет нагрева не превышало 0,1% начального сопротивления. Для стандартных терморезисторов имеются градуировочные таблицы (ГОСТ 6651-78).

Аналитически зависимость сопротивления от температуры для платиновых терморезисторов выражается следующими уравнениями:

R(t) = R₀[1 + At +Bt² + Ct³(t - 100)] при - 200°С  t  0°С;

R(t) = R₀(1 + At + Bt²) при 0°С  t  +650°С;

R₀ - сопротивление при t =0°С, A = 3,97*10^-3 К^-1, B = -5,85*10^-7 К^-2, C = 4,22*10^-12 К^-3.

Для медного преобразователя:

R(t) = R₀(1 + t) при - 50° t  +180°С;

 = 4,26*10^-3 К^-1

Для измерения температуры применяются также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов. Термисторы характеризуются большей чувствительностью (ТКС термисторов отрицательный и в 10 - 15 раз превышает ТКС меди и платины) и имеют более высокие номиналы сопротивлений (до1 МОм) при весьма малых размерах.

Недостатком термисторов является плохая воспроизводимость характеристик и нелинейность функции преобразования, которая имеет вид:

R(t) = R₀e^{B(1/T – 1/To)}

где B – коэффициент температурной чувствительности термистора.

Термисторы работают в диапазоне температур от -60 до +120°С (Г0СТ 10688-75).

Терморезисторы применяются в приборах для анализа газовых смесей. Многие газовые смеси отличаются друг от друга и от воздуха по теплопроводности. Теплопроводность смеси, состоящей из двух газов, не вступающих в реакцию друг с другом,

λ₁₂ = a(λ₁ – λ₂)/100 + λ₂

где a - процентное содержание первого (искомого) компонента; λ₁ и λ₂ - теплопроводность соответственно первого и второго компонентов.

Таким образом, измеряя теплопроводность газовой смеси λ₁₂, можно судить о процентном содержании искомого компонента.

В приборах для газового анализа – газоанализаторах - для измерения теплопроводности используют перегревный платиновый терморезистор 1, помещенный в камеру 2 с анализируемым газом.

Конструкция терморезистора, его арматура и камера, а также значение нагревающего тока I выбираются таким образом, чтобы теплообмен со средой осуществлялся в основном за счет теплопроводности газовой среды.

Для исключения влияния внешней температуры, кроме рабочей, используется компенсационная камера с терморезистором, заполненная постоянным по составу газом.

Терморезисторы используются в приборах для измерения скорости газового потока - термоанемометрах. Установившаяся температур, перегревного терморезистора, помещенного на пути газового потока, зависит от скорости потока. В этом случае основным путем теплообмена терморезистора со средой будет конвективный. Изменение сопротивления терморезистора за счет уноса теплоты движущейся средой функционально связано со скоростью среды.

Достоинствами термоанемометров являются высокая чувствительность и быстродействие. Эти приборы позволяют измерять скорости менее 1 м/с и могут быть применены в диапазоне частот от 0 до 50 кГц (при использовании схемы, с помощью которой температура терморезистора автоматически поддерживается почти неизменной).

§ 7. Электролитические преобразователи - основаны на зависимости электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации. В основном они применяются для измерения концентраций растворов.

На рисунке показаны графики зависимостей удельной электрической проводимости некоторых растворов электролитов от концентрации растворенного вещества. В определенном диапазоне изменения концентрации зависимость электрической проводимости (сопротивления) от концентрации однозначна и может быть использована для определения последней.

Преобразователь, применяемый в лабораторных условиях для измерения концентрации, представляет собой сосуд с двумя электродами (электролитическая ячейка).

Д ля промышленных непрерывных измерений преобразователи выполняются проточными, причем часто используются конструкции, в которых роль второго электрода играют стенки сосуда (металлического).

Размеры, форма сосуда и электродов выбираются с учетом желаемого диапазона изменения сопротивления ячейки при изменении концентрации раствора и с учетом расхода раствора. Выбор материала сосуда и электродов зависит от природы электролита.

Электрическая проводимость растворов сильно зависит от температуры.

В первом приближении эта зависимость выражается уравнением:

g =g₀(1 + t),

где g₀ - электрическая проводимость при начальной температуре (18°С),  - температурный коэффициент электрической проводимости (для растворов кислот, оснований и солей  = 0,016 ÷ 0,024 1/К).

Таким образом, при использовании электролитических преобразователей возникает задача по устранению влияния температуры. Эта задача решается путем стабилизации температуры раствора с помощью холодильника (нагревателя) или применения схем температурной компенсации. Для температурной компенсации обычно используются медные терморезисторы, так как температурные коэффициенты меди и растворов электролитов имеют противоположные знаки.

При прохождении постоянного тока через преобразователь происходит электролиз раствора, что приводит к искажению результатов измерения. Поэтому измерения сопротивления раствора обычно проводятся на переменном токе (700 - 1000 Гц) чаще всего с помощью мостовых схем.

§ 8. Индуктивные преобразователи - основаны на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

Индуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе:

L_i = ω_i²/ Z_M

где Z_M - магнитное сопротивление магнитопровода; ω_i- число витков обмотки.

Взаимная индуктивность двух обмоток, расположенных на том же магнитопроводе;

M = ω₁ω₂/ Z_M

где ω₁₂ - число витков первой и второй обмоток, Z_M - магнитное сопротивление, определяемое выражением Z_M = (R_M² + X_M²)^1/2

где R_M = Σl_i /μμ₀ s_i + δ/μ₀ s - активная составляющая магнитного сопротивления (рассеиванием магнитного потока пренебрегаем); l_i, s_i, μ_i - соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i-го участка магнитопровода; μ₀ - магнитная постоянная; δ - длина воздушного зазора; s - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода; Х_М = Р/(ωФ²) - реактивная составляющая магнитного сопротивления; Р - потери в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; ω - угловая частота; Ф - магнитный поток в магнитопроводе.

П риведенные соотношения показывают, что индуктивность и взаимную индуктивность можно изменять, например, воздействуя на длину δ, сечение воздушного участка магнитопровода s, на потери в магнитопроводе и т. д.

Этого можно достичь, например, перемещением подвижного сердечника (якоря) 1 относительно непод-вижного введением немагнитной металлической пластины 3 в воздушный зазор и т.д.

На рис. схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей.

Индуктивный преобразователь (рис. а) с переменной длиной воздушного зазора δ характеризуется нелинейной зависимостью L = f(δ). Такой преобразователь обычно применяется при перемещениях якоря на расстояние 0,01 - 5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f(s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рис. б). Эти преобразователи используются при перемещениях якоря до 10 - 15 мм.

Якорь в индуктивном преобразователе испытывает усилие притяжения со стороны электромагнита, которое определяется производной от энергии магнитного поля по перемещению якоря: F = dW_M/dδ = d(LI²/2)/dδ , где W_M - энергия магнитного поля; L -индуктивность преобразователя; I - ток, проходящий через обмотку преобразователя.

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рис. в), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей схемой (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, чем обычные преобразователи, дают возможность уменьшить нелинейность функции преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов. В этих преобразователях результирующее усилие на якорь со стороны электромагнитов меньше, чем в недифференциальных.

Применяются также индуктивные дифференциальные преобразователи трансформаторного типа (рис. г), в которых две секции первичной обмотки включены согласно, а две секции вторичной обмотки - встречно. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов э.д.с. на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря возникает сигнал на выходных зажимах.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50-100 мм) применяются индуктивные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью. На рис. д схематически показано устройство дифференциального трансформаторного индуктивного преобразователя с незамкнутой магнитной цепью, используемого. для передачи показаний различных неэлектрических приборов (манометров, дифференциальных манометров).

Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействию F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника μ изменится магнитное сопротивление цепи, что повлечет за собой изменение индуктивности L и взаимной индуктивности M обмоток. На этом принципе основаны магнитоупругие преобразователи (рис. е).

Конструкция преобразователя определяется главным образом значением измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают, исходя из необходимой мощности выходного сигнала и других технических требований.

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Недостатком их является наличие обратного воздействия преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.