что такое генераторные преобразователи

Генераторные преобразователи

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС, возникающая в результате действия входной величины. К числу генераторных относятся пьезоэлектрические и индукционные преобразователи.

Пьезоэлектрические преобразователи

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на явлении пьезоэффекта, который возникает в результате взаимодействия между электрическими и механическими свойствами некоторых диэлектрических материалов, называемых пьезоэлектриками. Различают прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.

Прямой пьезоэффект проявляется в возникновении электрических зарядов на гранях пьезоэлектриков под влиянием механических напряжений и исчезновении зарядов после снятия внешней нагрузки.

Обратный пьезоэффект заключается в изменении формы и геометрических размеров пьезоэлектриков, помещенных в электрическое поле.

Способность различных материалов к пьезоэффекту характеризуется пьезоэлектрической постоянной К_ПЭ, численно равной величине заряда (в кулонах), возникающего при действии внешней силы в 1 Н. Наиболее сильно пьезоэлектрический эффект выражен у сегнетоэлектриков – кристаллических веществ с аномально высокой диэлектрической проницаемостью и аномально большими значениями К_ПЭ (сегнетова соль, кварц, турмалин и др.).

В промысловой геофизике пьезоэлектрические преобразователи используют для изучения особенностей распространения упругих колебаний в околоскважинном пространстве.

Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются простотой конструкции и малыми размерами, однако их применение в условиях скважины невозможно без жесткой оболочки, защищающей чувствительный элемент от механических повреждений, проникновения промывочной жидкости, контакт с которой приводит к замыканию электродов преобразователя, уменьшения гидростатического давления и т.п.

В аппаратуре акустического каротажа пьезоэлектрические преобразователи используют преимущественно в качестве приемников упругих волн. В скважинном акустическом телевизоре, а также акустических каверномерах и профилемерах они служат приемоизлучателями.

Индукционные преобразователи

Принцип действия индукционных преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции, которая возникает при движении катушки в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом. При применении магнитного потока Ф, сцепленного с витками катушки, в ней индуцируется ЭДС

,

где w – число витков катушки.

Таким образом, входной величиной х индукционного преобразователя является скорость линейных или угловых перемещений.

По принципу действия индукционные преобразователи подразделяются на две группы. В преобразователях первой группы (рис а) сопротивление на пути магнитного потока остается постоянным, а изменение индуцированной ЭДС определяется перемещениями катушки 2 и магнита 1 относительно друг друга.

В преобразователях второй группы катушка 2 и магнит 1 неподвижны, а величина индуцированной эдс определяется изменением магнитного потока в результате изменения сопротивления магнитной цепи. Это изменение обычно осуществляет кольцо 3 (рис. б) или якорь 4 (рис. в) из ферромагнитного материала, связанные с изучаемым объектом.

Рис. Индукционные преобразователи первой (а) и второй (б, в) групп

К индукционным преобразователям относятся сельсины и тахогенераторы, применяющиеся в геофизической практике соответственно для дистанционной передачи вращения мерного ролика блок-баланса и контроля скорости перемещения приборов (зондов) по стволу скважины. Тахогенераторы используют также в некоторых типах автоматических потенциометров.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Генераторные измерительные преобразователи

ЛЕКЦИЯ 15.

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Термоэлектрические преобразователи (термопары).

Основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары. Эти преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия термопары поясняется рис. 15.1,а, где изображена термоэлектрическая цепь, составленная из двух разнородных проводников А и В. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. Если температуры t спаев 1 и 2 одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутствует. Если же температура одного из спаев (например, спая 1) выше, чем температура спая 2, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) Е, зависящая от разности температур спаев

Если поддерживать температуру спая 2 постоянной, то

Эту зависимость используют для измерения температуры с помощью термопар. Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор включают в разрыв спая 2 (рис. 15.1, б). Спай 1 называют горячим (рабочим) спаем, а спай 2 – холодным (концы 2 и 2’ называют свободными концами).

Чтобы ТЭДС термопары однозначно определялась температурой горячего спая, необходимо температуру холодного спая поддерживать всегда одинаковой.

Для изготовления электродов термопар используют как чистые металлы, так и специальные сплавы стандартизованного состава. Градуировочные таблицы для стандартных термопар составлены при условии равенства температуры свободных концов 0 о С. На практике не всегда удается поддерживать эту температуру. В таких случаях в показания термопары вводят поправку на температуру свободных концов. Существуют схемы для автоматического введения поправок.

Конструктивно термопары выполняются в виде двух изолированных термоэлектродов с рабочим спаем, получаемым способом сварки, помещенных в защитную арматуру, предохраняющую термопару от внешних воздействий и повреждений. Рабочие концы термопары выведены в головку термопары, снабженную зажимами для включения термопары в электрическую цепь.

В табл. 15.1 приведены характеристики термопар, выпускаемых промышленностью. Для измерения высоких температур применяют термопары ПП, ПР и ВР. Термопары из благородных металлов используют при измерении с повышенной точностью.

В зависимости от конструкции, термопары могут иметь тепловую инерцию, характеризуемую постоянной времени от секунд до нескольких минут, что ограничивает возможность их применения для измерения быстроменяющихся температур.

Кроме включения измерительного прибора в спай термопары возможно включение прибора в «электрод», т.е. в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 15.1, в). Такое включение, в соответствии с (15.1), позволяет измерять разность температур t₁ – t₂. Например, может быть измерен перегрев обмоток трансформатора над температурой окружающей среды при его испытаниях. Для этого рабочий спай термопары заделывают в обмотку, а свободный спай оставляют при температуре окружающей среды.

Т а б л и ц а 15.1. Характеристики термопар

Требование постоянства температуры свободных концов термопары вынуждает по возможности удалять их от места измерения. Для этой цели применяют так называемые удлиняющие или компенсационные провода КП, подключаемые к свободным концам термопары с соблюдением полярности (рис. 15.1,г). Компенсационные провода составляются из разнородных проводников, которые в интервале возможных колебаний температуры свободных концов развивают в паре между собой такую же ТЭДС, как и термопара. Поэтому, если места подключения компенсационных проводов находятся при температуре t₂, а температура в месте подключения термопары к прибору t₀, то ТЭДС термопары будет соответствовать ее градуировке при температуре свободных концов t₀.

Максимальная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС составляет от единиц до десятков милливольт.

Для измерения ТЭДС могут применяться магнитоэлектрические, электронные (аналоговые и цифровые) милливольтметры и потенциометры постоянного тока. При использовании милливольтметров магнитоэлектрической системы следует иметь в виду, что измеряемое милливольтметром напряжение на его зажимах

где I – ток в цепи термопары, а R_V – сопротивление милливольтметра.

Так как источником тока в цепи является термопара, то

где R_ВН – сопротивление участка цепи внешнего по отношению к милливольтметру (т.е. электродов термопары и компенсационных проводов). Поэтому измеряемое милливольтметром напряжение будет равно

Таким образом, показания милливольтметра тем больше отличаются от ТЭДС термопары, чем больше отношение R_BH/R_V. Для уменьшения погрешности от влияния внешнего сопротивления милливольтметры, предназначенные для работы с термопарами (так называемые пирометрические милливольтметры) градуируются для конкретного типа термопар и при определенном номинальном значении R_BH, указываемом на шкале прибора. Пирометрические милливольтметры серийно выпускаются классов точности от 0.5 до 2.0.

Входное сопротивление электронных милливольтметров очень велико, и влияние сопротивления R_BH на показания пренебрежимо мало.

Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическим эффектом обладают также некоторые поляризованные керамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца).

Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями, расположенными перпендикулярно оптической 0z, механической 0y и электрической 0х осям кристалла (рис. 15.2), то при воздействии на пластинку усилия F_х, направленного вдоль электрической оси, на гранях х появляются заряды

где К_п – пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия F_у вдоль механической оси, на тех же гранях х возникают заряды

где а и b – размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси появления зарядов не вызывает.

Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным; при изменении направления прилагаемого усилия знаки зарядов на поверхности граней меняются на противоположные. Материалы сохраняют свои пьезоэлектрические свойства только при температурах ниже точки Кюри.

Величина пьезоэлектрического коэффициента (модуля) К_п и температура точки Кюри для кварца и распространенных керамических пьезоэлектриков приведены в табл. 15.2.

Изотовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические датчики производят по технологии, обычной для радиокерамических изделий – путем прессования или литья под давлением; на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводы. Для поляризации керамические изделия помещают в сильное электрическое поле, после чего они приобретают свойства пьезоэлектриков.

Электродвижущая сила, возникающая на электродах пьезоэлектрического преобразователя, довольно значительна – единицы вольт. Однако, если сила, приложенная к преобразователю, постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна и при этом период изменения силы много меньше постоянной времени разряда, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки, то процесс утечки почти не влияет на выходное напряжение преобразователя. При изменении силы F по закону F = F_msin wt ЭДС также изменяется синусоидально.

Таким образом, измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в переменную силу, действующую на пьезоэлектрический преобразователь, сводится к измерению переменного напряжения или ЭДС.

Т а б л и ц а 15.2. Параметры кварца и керамических пьезоэлектриков

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи находят широкое применение для измерения параметров движения: линейного и вибрационного ускорения, удара, акустических сигналов.

Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя представлена на рис. 15.3,а) в виде генератора с внутренней емкостью С. Поскольку мощность такого пьезоэлемента чрезвычайно мала, то для измерения выходного напряжения необходимо применять приборы с большим входным сопротивлением (10 11 …10 15 Ом).

Для увеличения полезного сигнала пьезодатчики выполняются из нескольких, последовательно соединенных элементов.

Устройство пьезоэлектрического датчика для измерения вибрационного ускорения показано на рис. 15.3,б). Пьезоэлемент (обычно из пьезокерамики), нагруженный известной массой m, помещен в корпус 1 и через выводы 2 включен в цепь электронного милливольтметра V. Подставив в формулу для возникающего на гранях заряда выражение F = ma, где а – ускорение, и учтя (15.2), получим

где K_u – коэффициент преобразования датчика по напряжению.

Источник

Что такое генераторные преобразователи

В генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Термоэлектрические преобразователи.

Эти преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.

При разности температур точек 1 и 2 соединения двух разнородных проводников А и В (рис. 11-20, а), образующих термопару, в цепи термопары возникает термо-ЭДС. При неизменной температуре, например, точки соединения где — температура точки соединения Эту зависимость используют в термоэлектрических преобразователях для измерения температуры.

Для измерения термо-ЭДС электроизмерительный прибор (милливольтметр, компенсатор) включают в цепь термопары (рис. 11-20, б). Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2 — свободными концами.

Чтобы термо-ЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной.

Градуировку термоэлектрических термометров — приборов, использующих термопары для измерения температуры, производят обычно при температуре свободных концов Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры

Рис. 11-20. Термопара (а) и способ включения прибора в цепь термопары (б)

Таблица 11-1 (см. скан)

свободных концов 0 °С. При практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары обычно не равна 0 °С и поэтому необходимо вводить поправку.

Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используют в основном специальные сплавы.

В табл. 11-1 приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616-74. Для измерения высоких температур используют термопары типов ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют при измерениях с повышенной точностью. В остальных случаях применяют термопары из неблагородных металлов (ТХА, ТХК).

Статические характеристики преобразования в виде таблиц (градуировочных) и допустимые отклонения этих характеристик для стандартных термопар приведены в ГОСТ 3044-84.

Для защиты от внешних воздействий (давления, агрессивных газов и т. д.) электроды термопар помещают в защитную арматуру, конструктивно похожую на арматуру терморезисторов (рис. 11-7, б).

Для удобства стабилизации температуры свободных концов иногда термопару удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем электродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных температур свободных концов (обычно от 0 до 100 °С). Иначе говоря, удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термо-ЭДС от температуры, как и у основной термопары.

Инерционность термопар характеризуют показателем тепловой инерции (см. стр. 295). Известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет 5—20 с. Термопары в обычной арматуре имеют показатель тепловой инерции, равный нескольким минутам.

Индукционные преобразователи.

Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке, имеющеи витков, где — скорость изменения магнитного потока, сцепленного с катушкой.

Индукционные преобразователи применяют для измерения скорости линейных и угловых перемещений. Выходной сигнал этих преобразователей может быть проинтегрирован или продифференцирован во времени с помощью электрических интегрирующих или дифференцирующих устройств. После этих преобразований информативный параметр сигнала становится пропорциональным, соответственно, перемещению или ускорению. Поэтому индукционные преобразователи используют также для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений.

Наибольшее применение индукционные преобразователи получили в приборах для измерения угловой скорости (тахометрах) и в приборах для измерения параметров вибраций.

Индукционные преобразователи для тахометров представляют собой небольшие генераторы постоянного или переменного тока обычно с независимым возбуждением от постоянного магнита, ротор которых механически связан с испытуемым валом. При использовании генератора постоянного тока об

Рис. 11-21. Индукционный преобразователь

угловой скорости судят по ЭДС генератора, а в случае применения генератора переменного тока угловую скорость можно определить по значению ЭДС или ее частоте.

На рис. 11-21 показан индукционный преобразователь для измерения амплитуды, скорости и ускорения возвратно-поступательного движения. Преобразователь представляет собой цилиндрическую катушку У, перемещающуюся в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней возникает ЭДС, пропорциональная скорости перемещения.

Погрешности индукционных преобразователей определяются главным образом изменением магнитного поля во времени и при изменении температуры, а также температурными изменениями сопротивления обмотки.

Основные достоинства индукционных преобразователй заключаются в сравнительной простоте конструкции, надежности работы и высокой чувствительности. Недостаток — ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

Пьезоэлектрические преобразователи.

Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений.

Из кристалла кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси механической оси и электрической оси кристалла (рис. 11-22, а и б).

При воздействии на пластину усилия вдоль электрической оси на гранях х появляются заряды где — пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия вдоль механической оси на тех же гранях х возникают заряды где — размеры граней пластины.

Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси не вызывает появления зарядов.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения переменного давления газа показано на рис. 11-23. Давление через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3.

Рис. 11-22. Кристалл кварца (а) и пластинка (б), вырезанная из него

Шарик 4 способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала. При воздействии давления между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов где — заряд, возникающий на пластинке кварца; — емкость преобразователя; С — емкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов; — пьезоэлектрический модуль кварца; — площадь поверхности мембраны, подверженная давлению. По разности потенциалов судят о значении давления

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Используют также поляризованную керамику из титаната бария, титаната и цирконата свинца.

Рис. 11-23. Пьезоэлектрический преобразователь для измерения давления

Размеры пластин и их число выбирают исходя из конструктивных соображений и требуемого значения заряда.

Заряд, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, «стекает» по изоляции и входной цепи измерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность потенциалов на пьезоэлектрических преобразователях, должны иметь высокое входное сопротивление Ом), что практически обеспечивается применением электронных усилителей с высоким входным сопротивлением.

Из-за «стекания» заряда эти преобразователи используют для измерения только быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т. д.).

Находят применение пьезоэлектрические преобразователи — пьезорезонаторы, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты. Последний заключается в том, что если на электроды преобразователя подать переменное напряжение, то в пьезочувствительиой пластине возникнут механические колебания, частота которых (резонансная частота) зависит от толщины пластины, модуля упругости Е и плотности ее материала. При включении такого преобразователя в резонансный контур генератора частота генерируемых электрических колебаний определяется частотой При изменении значений или под влиянием механических или температурных воздействий частота изменится и, соответственно, изменится частота генерируемых колебаний. Этот принцип используют для преобразования давления, усилия, температуры и других величин в частоту.

Гальванические преобразователи.

Преобразователи основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от химической активности ионов электролита, т. е. от концентрации ионов и окислительно-восстановительных процессов в электролите. Эти преобразователи применяют для определения реакции раствора (кислая, нейтральная, щелочная), которая зависит от активности водородных ионов раствора.

Дистиллированная вода имеет слабую, но вполне определенную электрическую проводимость, что объясняется ионизацией воды по схеме При этом остается постоянной константа диссоциации где

Оно — активности ионов и воды. Химическая активность а равна произведению эквивалентной концентрации на коэффициент активности (стремящийся к единице при бесконечном разбавлении раствора).

В разбавленных растворах активность воды можно считать постоянной и тогда постоянно ионное произведение

Для чистой воды или нейтрального раствора

Если в воде растворить кислоту, образующую при диссоциации ионы то концентрация ионов в растворе станет больше, чем в чистой воде, а концентрация ионов меньше за счет воссоединения части ионов с ионами т. е. для кислого раствора а для щелочного раствора при постоянстве

Таким образом, химическая активность водородных ионов раствора является характеристикой реакции раствора. Реакцию раствора численно характеризуют отрицательным логарифмом активности ионов водорода — водородным показателем — Для дистиллированной воды активность , следовательно, водородный показатель равен 7 единицам pH.

Диапазон изменения водородного показателя водных растворов при составляет единиц pH.

Для измерения pH применяют метод, основанный на измерении электродного (пограничного) потенциала.

Если металлический электрод погрузить в раствор, содержащий его одноименные ионы, то электрод приобретает потенциал где — потенциал электрода при активности ионов металла, равной единице; — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; — валентность ионов металла; — число Фарадея; а — активность ионов металла в растворе. Аналогично ведет себя и водородный электрод.

Для получения электродного потенциала между водородом и раствором, содержащим ионы необходимо иметь так называемый водородный электрод. Водородный электрод можно создать, воспользовавшись свойством водорода адсорбироваться на поверхности платины, иридия и палладия. Обычно водородным электродом служит покрытый платиновой чернью платиновый электрод, к которому непрерывно подводится газообразный водород. Потенциал такого электрода зависит от концентрации водородных ионов в растворе.

Пр актически измерить абсолютное значение пограничного потенциала нельзя. Поэтому гальванический преобразователь всегда состоит из двух полуэлементов, электрически соединенных друг с другом: рабочего (измерительного) полуэлемента, представляющего собой исследуемый раствор с электродом, и сравнительного (вспомогательного) полуэлемента с неизменным пограничным потенциалом, состоящего из электрода и раствора с постоянной концентрацией. В качестве сравнительного полуэлемента используют водородный электрод с нормальной

Рис. 11-24. Гальванический преобразователь

постоянной концентрацией водородных ионов. При промышленных измерениях применяют более удобный сравнительный каломельный электрод.

На рис. 11-24 показан преобразователь для измерения концентрации водородных ионов. Сравнительным полуэлементом служит каломельный электрод. Он представляет собой стеклянный сосуд 4, на дно которого помещено небольшое количество ртути, а поверх нее — паста из каломели Сверху пасты налит раствор хлористого калия Потенциал возникает на границе каломель — ртуть. Для контакта со ртутью в дно сосуда впаян платиновый электрод 5. Потенциал каломельного электрода зависит от концентрации ртути в каломели, а концентрация ионов ртути, в свою очередь, зависит от концентрации ионов хлора в растворе хлористого калия.

В исследуемый раствор погружен водородный электрод Оба полуэлемента соединены электролитическим ключом, представляющим собой трубку 2, обычно заполненную насыщенным раствором и закрытую полупроницаемыми пробками такого преобразователя является функцией pH.

В приборах промышленного типа вместо рабочих водородных электродов используются более удобные сурьмяные или хингидронные электроды. Широко применяют также так называемые стеклянные электроды.

Для измерения ЭДС гальванических преобразователей в основном используют компенсационные приборы. Для стеклянных электродов измерительная цепь должна иметь высокое входное сопротивление, так как внутреннее сопротивление стеклянных электродов достигает 100—200 МОм. При измерении pH с помощью гальванических преобразователей необходимо вносить поправки на влияние температуры.

Источник