Б) Генераторные преобразователи неэлектрических величин.

Как отмечалось выше, в генераторных преобразователях (ГП) выходной величиной является ЭДС, ток или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под действием механических напряжений. Выходная их мощность мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с возможно большим входным сопротивлением (не менее 10 ¹¹ Ом).

Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, сцепленного с катушкой. Они применяются для измерения скорости линейных и угловых перемещений (в виброметрах и акселерометрах), являются простыми по конструкции, надежными в работе, но имеют ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников ( или полупроводников), течет ток. если места спаев проводников имеют различные температуры. Электроизмерительный прибор обычно подключается в свободный конец термопары .

Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от - 200 ^о С до

+ 2200 ^о С. Наибольшее распространение для изготовления термопар получили материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель, копель (ГОСТ 6616-74).

9.2. БЕСКОНТАКТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ (ПИРОМЕТРЫ).

Рассмотренные выше измерители температуры (термисторы, термопары и др.) относятся к контактным методам. Общим их недостатком является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких температурах и агрессивных средах.

От этих недостатков свободны бесконтактные методы измерения температуры, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел.

Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени и приходящееся на единичный диапазон длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность излучения и называется спектральной светимостью или интенсивностью монохроматического излучения. Интеграл от спектральной светимости по всем длинам волн от нуля до бесконечности дает интегральную интенсивность излучения.

Законы теплового излучения определены совершенно точно лишь для так называемого абсолютно черного тела (АЧТ), т.е. тела, полностью поглощающего весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения АЧТ равен единице и не зависит от длины волны излучения.

Интенсивность излучения АЧТ выше, чем всех остальных («нечерных» тел при той же температуре. Его свойства не зависят от природы вещества АЧТ и определяются лишь температурой стенок согласно закону Стефана-Больцмана :

S ^* » s Т ⁴ , (9.1)

где S ^* - интегральная интенсивность излучения,

s - постоянный коэффициент.

Приборы для измерения температуры, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел, называются пирометрами. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 ⁰ С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность S излучения реального объекта. На рис. 9.1-а схематически показано устройство такого пирометра.

Рис. 9.1. П и р о м е т р ы .

Излучение исследуемого тела 1 через диафрагмы направляется в объектив 2 телескопа , внутри которого расположена термобатарея из последовательно включенных термопар 3 . Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытой платиновой чернью (ее свойства приближаются к свойствам АЧТ). Для защиты глаза при наводке телескопа предусмотрен светофильтр 4, расположенный перед окуляром 5.

Яркостные (оптические) пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя. (Яркость есть плотность потока излучения, исходящего от поверхности в направлении, перпендикулярном к этой поверхности).

В яркостном пирометре, схема которого приведена на рис. 9.1-б, яркость исследуемого тела сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы 4, встроенной в телескоп с объективом 2 и окуляром 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело 1 и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости.

Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или иным способом), добиваются одинаковой яркости изображений нити и исследуемого объекта : при равенстве яркостей нить не видна. Тогда напряжение накала нити характеризует температуру нагретого тела.

Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные.

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей областях спектра. Расчет температуры проводится с использованием формулы Планка для зависимости спектральной плотности излучения АЧТ от длины волны:

r (l, Т) = с ₁ l ^-5 ехр (- с ₂ / l T) (9.2)

Формула (9.2) приближенная, но ее погрешность для области видимых лучей и температур до 2600 ⁰ С не превышает 1 %.

Приложение 1

СТАРИННЫЕ ВНЕСИСТЕМНЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ