Электрические измерения неэлектрических величин

Электрические измерения обладают рядом существенных достоинств, таких, как простота автоматизации процесса измерения, возможность передачи показаний приборов на дальние расстояния, возможность математической обработки результатов измерений с помощью электронных вычислительных машин и др. Поэтому так быстро развивается техника электрических измерений различных неэлектрических величин: линейных и угловых перемещений, температуры, давления, концентрации растворов и т. д.

Чтобы измерить неэлектрическую величину с помощью электрического измерительного прибора, необходимо установить однозначную зависимость между измеряемой неэлектрической величиной и некоторой электрической величиной. Устройство, предназначенное для реализации такой зависимости, называется датчиком. В этом случае измерительный прибор может быть отградуирован непосредственно в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Рассмотрим некоторые типы датчиков, получивших широкое применение в измерительной технике.

На рис. 11.29 изображено устройство потенциометрического датчика, который может служить для измерения линейных и угловых перемещений. Связав движок потенциометра с поплавком, можно измерять высоту уровня, а следовательно, и количество топлива в баке.

Напряжение U на входе поддерживается постоянным (U = const). При этом условии напряжение на выходе зависит только от высоты уровня h U_h = /(/?).

Магнитоэлектрический вольтметр, измеряющий напряжение U_h, может быть отградуирован непосредственно в единицах высоты уровня или объема бака.

На рис. 11.30 изображено устройство тензометрического датчика, применяемого для измерения деформации различных деталей (в частности, на самолетах). Константановая проволочка диаметром 20—30 мкм наклеивается на тонкую бумагу, которая в свою очередь приклеивается к исследуемой детали. Деформации детали передаются проволочке. Сопротивление проволочки изменяется. Измеряя изменение сопротивления проволочки, можно судить о величине деформации детали.

Рис. 11.29.

Рис. 11.30.

В цепях переменного тока широко используются индуктивные и емкостные датчики.

Устройство индуктивного датчика показано на рис. 11.31. На магнитопровод с переменным воздушным зазором намотана катушка. Такое устройство обеспечивает функциональную зависимость индуктивности L от воздушного зазора б: L =/(б), т. е. связывает изменения электрической величины L с изменением неэлектрической величины б.

На рис. 11.32 изображено устройство емкостного датчика. В бак с топливом помещен цилиндрический конденсатор, между пластинами которого свободно проникает топливо. Емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости вещества, изолирующего одну пластину от другой. Диэлектрическая проницаемость воздуха е₀ и топлива е_т значительно отличаются друг от друга, поэтому при изменениях уровня h изменяется емкость С: С = / (Л).

Измеритель электрической емкости может быть отградуирован непосредственно в единицах количества топлива.

Преимущества системы, изображенной на рис. 11.32, перед системой, изображенной на рис. 11.29, очевидны. Емкостный датчик не имеет подвижных деталей, конструктивно прост и надежен в эксплуатации.

Рис. 11.31.

Рис. 11.32.

Для измерения температуры широко применяются резисторы, изготовленные из материалов (обычно полупроводников), сопротивление которых сильно зависит от температуры.

Для измерения давления часто используют столбики, набранные из угольных шайб, или угольный порошок. Например, в угольном микрофоне изменение давления воздуха, вызванное звуковыми колебаниями, преобразуется в изменение электрического сопротивления угольного порошка, расположенного под мембраной: при сжатии порошка его сопротивление уменьшается, при расширении — увеличивается.

Широкое применение находят ионизационные датчики, основанные на принципе изменения электрических свойств газовой среды под воздействием радиоактивного излучения.

Рассмотренные приборы относятся к типу параметрических датчиков. В них под действием неэлектрической величины изменяется какой-либо из электрических параметров датчика.

Кроме того, в измерительной технике и автоматике широко применяются так называемые генераторные датчики, в которых изменение неэлектрической величины вызывает появление ЭДС. К генераторным датчикам относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические преобразователи и другие приборы.

Карточка № 11.17 (202).

Электрические измерения неэлектрических величин.