Устройство преобразователя показано на рис. 4.6. Он состоит из каркаса 1, на который намотан провод 2 , изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка 3 , укрепленного на оси 4. Движок касается провода 2 . Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции. В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществляется с помощью неподвижного токосъемного кольца 5.

Обмотка делается обычно из провода, изготовленного из манганина, константана, фехраля. Для повышения точности и надежности она выполняется из платино-иридиевого сплава.

Для обеспечения хорошего контакта движок должен прижиматься к обмотке силой 10^{-3 – 10-4} Н. Сила создается благодаря упругости движка. При измерении переменных величин, при переходе движка с одного витка на другой он "подскакивает", возникает пульсирующая сила, которая может нарушить контакт. По этой причине, если преобразователь служит для измерения переменных величин или работает при вибрации сила прижатия должна быть увеличена. Большая сила нежелательна, поскольку при ее увеличении возрастает сила трения, препятствующая перемещению движка и увеличивающая износ обмотки и контактирующей поверхности движка.

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R = f(x) (рис. 4.7, a ) является использование каркаса с переменной высотой (рис. 4.7, б). При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки D х = l сопротивление изменяется на

(4.51)

где dR/d х – производная требуемой функции преобразования R = f(x) по перемещению движка х. При перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на величину

(4.52)

где r _{1 –} сопротивление единицы длины провода; l _пр – длина одного витка провода; h – высота каркаса; b – его толщина. Из (4.51) и (4.52) можно определить зависимость высоты каркаса h от заданной функции преобразования

(4.53)

Если требуется линейная функция преобразования, то dR/dx = const и высота каркаса должна быть постоянной.

Изготовление каркаса с непрерывно изменяющейся высотой более сложно, чем изготовление каркаса с постоянной высотой. Для упрощения технологии прибегают к кусочно-линейной аппроксимации заданной нелинейной функции преобразования (рис. 4.8, а), Для каждого интервала перемещения движка х, на котором аппроксимирующая функция линейна, высота каркаса постоянна. Каркас преобразователя получается ступенчатым, как показано на рис. 4.8, б Число ступеней равно числу интервалов кусочно-линейной аппроксимации.

Потенциометрическая схема включения реостатного преобразователя. Преобразователь может включаться в электрическую цепь по потенциометрической схеме (рис. 4.9, а). Напряжение с его движка подается на нагрузку R _{н. Рассмотрим зависимость напряжения на нагрузке от изменения сопротивления} R преобразователя. Если сопротивление R _{н столь велико} (R _н > > R_p ), что током в этом сопротивлении можно пренебречь по сравнению с током в сопротивлении R _{р, то реостатный преобразователь работает в режиме холостого хода и напряжение на нагрузке}

(4.54)

пропорционально сопротивлению R.

Если реостатный преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования R = (R_p/l)x , то напряжение U _н пропорционально перемещению движка

(4.55)

Для анализа цепи, в которой сопротивление нагрузки R _{н соизмеримо с номинальным сопротивлением преобразователя} R_p , используем теорему об активном двухполюснике. Для определения тока в некотором сопротивлении R _{н исследуемую цепь можно представить в качестве активного двухполюсника, имеющего внутреннее сопротивление} R_i и напряжение холостого хода U_x (рис. 4.9, б). К зажимам двухполюсника подключено сопротивление R _{н. Напряжение на нагрузке}

(4.56)

При этом напряжение U_x определяется выражением (4.54), а напряжение на нагрузке

(4.57)

Из рис. 4.9, a следует

(4.58)

Подставив (4.58) в (4.57), получим

(4.59)

где b = R/R_p – относительное изменение сопротивления преобразователя; a = R_p/R _{н – коэффициент нагрузки.}

_{Зависимость} U _{н от b для различных a} приведена на рис. 4.10. Если a столь мало, что a b <<1 (режим холостого хода), то U _н изменяется пропорционально b . При увеличении коэффициента нагрузки a зависимость становится нелинейной, причем нелинейность возрастает с увеличением a . Если в качестве номинальной функции преобразования принять зависимость (4.54), представленную прямой 1 на рис. 4.11, а, то абсолютная погрешность вследствие нелинейности

(4.60)

Поскольку U_x = b U и максимальное напряжение на нагрузке равно U, то приведенная погрешность

(4.61)

При a < 0,1 погрешность максимальна при b = 2/3. В этом случае

(4.62)

Для уменьшения погрешности следует уменьшать a , т.е. увеличивать R _{н. Однако практически значения сопротивления нагрузки часто невелики. В этом случае для уменьшения погрешности можно более рационально выбрать номинальную функцию преобразования. Пусть действительной функцией преобразования является кривая} 2 . В качестве номинальной функции преобразования более целесообразно принять прямую 3 . При этом, как видно из графика, на интервалах 0 – а, а – b, b – с погрешность значительно уменьшена. Уменьшена она и на интервале с – d, хотя остается довольно большой. Для того чтобы погрешность всюду была малой, диапазон изменения сопротивления преобразователя следует ограничить значением R? _{р, а добавочное сопротивление} R _д = R _р – R? _{р выполнить на отдельном резисторе и включить его последовательно с преобразователем (рис. 4.11, б}) .

Погрешность реостатного преобразователя. С изменением температуры изменяется сопротивление преобразователя. В основном это обусловливается температурным изменением удельного сопротивления провода. Сопротивление преобразователя определяется известной формулой

(4.63)

Погрешность (изменение напряжения на нагрузке) можно рассчитать, исходя из схемы включения, номинальных значений входящих в нее сопротивлений и их температурных коэффициентов. При включении преобразователя по потенциометрической схеме в режиме холостого хода изменение температуры не меняет распределение напряжений и температурная погрешность отсутствует.

Реостатному преобразователю присуща также погрешность дискретности. Она обусловлена скачкообразным изменением сопротивления преобразователя D R при переходе движка с одного витка на другой. Если в качестве номинальной функции преобразования принять функцию, проходящую посредине "ступенек", то максимальное значение приведенной погрешности, обусловленное дискретностью

(4.64)

где R_p – полное сопротивление преобразователя.

Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования, то "скачки" сопротивления будут одинаковы по всему диапазону перемещения движка. В этом случае R_p = nD R и

(4.65)

где n – число витков в обмотке.

Трение в реостатном преобразователе вызывает случайные гистерезисные изменения силы и момента, необходимых для перемещения движка по обмотке. Это может привести к возникновению погрешности преобразователя, предшествующего реостатному.

Погрешность, обусловленная нелинейностью потенциометрической схемы включения, и методы ее уменьшения рассмотрены выше.

(4.66)

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 ° С, является константант. Зависимость сопротивления R от относительной деформации е с достаточной точностью описывается линейным двучленом

(4.67)

где R₀ – сопротивление тензорезистора без деформации; S_T – тензочувствительность материала.

Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0 – 2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4 – 12мкм (рис. 4.12). Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20 – 50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5 – 20 мм, ширину 3 – 10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-76.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5 – 10 мм, шириной 0,2 – 0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Номинальное сопротивление лежит в пределах 50 – 800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах S_T = 55 ? 130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс параметров и характеристик.

Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации.

Схемы включения. Наиболее часто тензорезисторные преобразователи включаются в схему неравновесного моста (рис. 4.13, а).

Если сопротивление нагрузки R _{н достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста}

(4.68)

где U – напряжение питания. В качестве R₁ и R₂ включаются одинаковые тензорезисторы.

При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны: R₁₀ = R₂₀ = R₀ . Кроме того, обычно выбирают R₃ = R₄ . В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (e = 0), U_x = 0.

При деформации тензорезисторов, когда е ? 0 и R₁ ? R₂ , выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезисторов:

(4.69)

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи тензорезисторные приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при R₁ = R₀ + D R и R₂ = R₀ , выходное напряжение цепи и чувствительность в режиме холостого хода

(4.70)

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда R₁ = R₀ + D R и R₂ = R₀ - D R , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:

(4.71)

При R _н ? ? выходное напряжение и чувствительность меньше полученных значений.

Выходное напряжение тензорезисторного моста обычно не превышает 10 – 20мВ. Для дальнейшего преобразования такое напряжение без усиления использовать трудно. Поэтому в тензорезисторных приборах обычно используются усилители.

Если напряжение питания моста U не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Для ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного напряжения моста. Принципиальная схема тензорезисторного прибора типа КСТЗ, в котором реализован этот метод и который предназначен для использования в силоизмерительных и весоизмерительных системах, приведена на рис. 4.13, б.

Мост М₁ включает в себя два или четыре тензорезистора. Вследствие технологического разброса значений их сопротивлений мост не уравновешен и имеет некоторое выходное напряжение. При нулевом значении измеряемой величины это напряжение компенсируется с помощью моста М₂ подстроечными резисторами R₁ и R₂ . Результирующее напряжение U пропорционально измеряемой величине. Мост М₃ служит для компенсации этого напряжения. Его выходное напряжение U _к включено встречно напряжению U. Разность напряжений U – U _к усиливается усилителем А и подается на реверсивный двигатель РД. При этом ротор двигателя, вращаясь, через редуктор Р перемещает движок реохорда R₃ и указатель прибора относительно шкалы. Перемещение движка реохорда производится так, чтобы уменьшалась разность U – U _к . Ротор останавливается, когда U – U _к = 0, при этом движок реохорда занимает положение, соответствующее значению напряжения U а указатель прибора – положение, соответствующее значению измеряемой величины.

Мосты М₁ ,М_2,M3 питаются от одного источника переменного напряжения, от различных обмоток трансформатора. При нестабильности источника питания напряжения U₁, U₂, U₃ изменяются пропорционально и равенство U= U _{к не нарушается. Не изменяется и показание прибора. Основная погрешность измерения составляет ± 0,5% от нормирующего значения, равного} 2D R_max, где D R_max – максимальное значение приращения сопротивления плеча моста.

Погрешность тензорезисторных преобразователей. Тензорезисторы могут использоваться либо для измерения механических напряжений и деформаций, либо для измерения других механических величин: сил, давлений, ускорений и проч., когда деформация является промежуточной величиной преобразования. В первом случае для градуировки тензорезисторов из партии отбирают несколько штук и они наклеиваются на образцовую балку. С помощью гирь в балке создают определенные деформации е. По значениям деформаций и соответствующим им сопротивлениям рассчитывается чувствительность наклеенных тензорезисторов

(4.72)

Это значение принимается в качестве номинального для всей партии. Чувствительность других тензорезисторов той же партии может отличаться от номинальной на 2 – 10%.

Во втором случае тензорезисторы являются постоянными преобразователями датчика. Отклонение их чувствительности от номинального значения учитывается при градуировке прибора, и результирующая погрешность прибора значительно меньше, чем в первом случае, и находится в пределах 0,2 – 0,5%.

Погрешность может возникнуть вследствие температурных изменений сопротивления преобразователя. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления материала, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора b _т и детали b _д, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления

(4.73)

где R₀ – сопротивление тензорезистора при нормальной температуре; S – его чувствительность; a – температурный коэффициент сопротивления; D t – изменение температуры.

Температурный коэффициент сопротивления константана можно изменять, изменяя его термообработку. Благодаря этому тензорезисторы можно изготавливать так, чтобы при наклейке на определенный материал его сопротивление не зависело от температуры. Такие тензорезисторы называются термокомпенсированными.

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциальные схемы. При измерении механических напряжений применяют схему первого типа с двумя или четырьмя тензорезисторами. Рабочие тензорезисторы наклеивают на исследуемую деталь вдоль ожидаемой деформации, а компенсационные – поперек нее. При измерении других величин, например силы, используется дифференциальная схема второго типа. При этом на силоизмерительную пружину с разных сторон наклеивают два тензорезистора, так что при изгибе пружины под действием силы один из них растягивается, другой – сжимается. В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопротивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность. Для увеличения чувствительности на силоизмерительную пружину можно наклеить четыре тензорезистора, причем преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.

В тензорезисторных приборах высокой точности и для получения датчиков с унифицированными характеристиками, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость, применяются мостовые схемы с нормирующими резисторами (рис. 4.14, a ) . На приведенной схеме R1 – R4 – тензорезисторы; Rd и R? d – резисторы, служащие для балансировки моста; R _{т1 и} R? _{т1 – термозависимые резисторы для компенсации аддитивной температурной погрешности;} R _{ч и} R? _{ч – резисторы, изменяя сопротивления которых, можно регулировать чувствительность датчика}

R _т2 и R? _т2 – термозависимые резисторы, с помощью которых компенсируется температурное изменение чувствительности; R _{ш и} R _{вых – резисторы, служащие для регулирования входного и выходного сопротивлений моста.}

_{Фольговые нормирующие резисторы показаны на рис. 4.14, б. Они сделаны так, что, обрывая ту или иную перемычку на фольговой решетке, можно изменять значение сопротивления и тем самым регулировать параметры и характеристики тензорезисторного моста и прибора в целом. Резисторы} R _{б и} R _{ч изготовлены из константановой фольги,} R _{т1 – из медной,} R _{т2 – из никелевой. При использовании мостовых схем с нормирующими резисторами погрешность датчиков с фольговыми тензорезисторами снижается до 0,03 – 0,05%, а у датчиков с полупроводниковыми тензорезисторами – до 0},1%.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением

(4.74)

где d – расстояние между электродами; Q – их площадь; е₀ – электрическая постоянная; е_r – относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 4.15, a) Q = b х и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х ( рис. 4.15, б). Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя

(4.75)

постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами d .

Если изменяется расстояние d между электродами, функция преобразования С = f(d ) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность преобразователя

(4.76)

сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пластинами d . Для увеличения чувствительности S целесообразно уменьшить d . Предельное его значение определяется технологическими соображениями и приложенным напряжением. Надо учитывать, что при малых d возможен электрический пробой между электродами* .

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 4.16, а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них С_e образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой С₀ – оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью е_r имеет толщину d , равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением

(4.77)

где Q – площадь электродов; Q_e – часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами.

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме. Схема дифференциального преобразователя углового перемещения a с переменной площадью электродов приведена на рис. 4.16, б. В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соединяется с экраном.

Схемы включения. Емкостный преобразователь включается в измерительную цепь; при этом изменение его емкости преобразуется в изменение напряжения или тока либо в частоту синусоидального или импульсного тока. Существует довольно много различных измерительных цепей включения емкостных преобразователей. Рассмотрим некоторые из них.

Для включения недифференциального преобразователя может использоваться резонансная цепь (рис.4.17,а). Генератор через разделительный трансформатор Т питает резонансный LС - контур. Емкость контура состоит из емкости преобразователя C _{пр и подстроечного конденсатора емкостью С}^* , частота и значение напряжения генератора постоянны. При изменении емкости напряжение на контуре изменяется по резонансной кривой, как показано на рис. 4.17, б. При изменении емкости преобразователя на D С напряжение на контуре изменяется на D U . Подстроечный конденсатор служит для настройки контура так, чтобы чувствительность измерительной цепи

(4.78)

была максимальной.

Чувствительность резонансной цепи довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура.

Для включения дифференциального емкостного преобразователя может быть использована мостовая цепь (рис. 4.18), работающая в неравновесном режиме. В этой цепи емкости С₁ и С₂ – дифференциальный преобразователь. На схеме показано также экранирование соединительных проводов и диагоналей мостовой цепи. С_э1, С_э2, С_э3, С_э4 - емкости соответствующих экранов. Эти емкости включены параллельно активным сопротивлениям и входят в полные сопротивления плеч моста. Эквивалентные емкости экранов могут несколько изменяться при работе прибора. Для того чтобы их изменения мало влияли на выходное напряжение моста, сопротивления резисторов R должны быть малыми. Емкость С_э5 не входит в уравнение равновесия моста, и ее изменение значительно меньше влияет на его выходное напряжение.

Другой схемой включения дифференциальных емкостных преобразователей является емкостно-диодная цепь (рис. 4.19, а). Дифференциальный преобразователь С₁ и С₂ подключается к источнику переменного напряжения через диоды VD₁ – VD₄ и конденсаторы С_{3 –} С₄ . При положительной полярности напряжения U конденсатор С₁ заряжается через С₃ и VD₁ , а при отрицательной разряжается через С₄ и VD₂. Конденсаторы С₃ и С₄ имеют равные емкости, а диоды VD₁ и VD₂ – равные прямые сопротивления. При этом, если питающее напряжение синусоидально, то же синусоидальное напряжение будет и на конденсаторе С₁ (в точке с), причем значение этого напряжения определяется значением С₁ . Аналогичным образом напряжение на конденсаторе С₂ (в точке d ) изменяется синусоидально и его значение зависит от емкости С₂ . Если все диоды имеют одинаковые прямые сопротивления, то при С_{1 =} С₂ напряжения на этих конденсаторах одинаковы и напряжение между точками с и d отсутствует. Если же С_{1 ?} С₂ , то между точками с и d появится переменное напряжение, пропорциональное разности С_{1 –} С₂ . Это напряжение выпрямляется в течение одной половины периода диодами VD₁ и VD₃, а в течение второй – диодами VD₂ и VD₄ . Выходное напряжение снимается с диодов VD₃ и VD₄ . Его изменение во времени показано на рис. 4.19, б. Среднее выпрямленное значение напряжения U _{вых определяется разностью С1 –} С₂ и приближенно равно

(4.79)

Для того чтобы упростить экранирование, вся емкостно-диодная схема помещается в экранированный корпус датчика.

Погрешность емкостного преобразователя. Электроды емкостного преобразователя монтируются на изоляционных деталях или разделяются ими. Разнородные конструктивные детали датчика имеют различные коэффициенты линейного расширения. При изменении температуры это приводит к изменению расстояния между электродами, Хотя это изменение мало, оно может быть соизмеримо с расстоянием между электродами и приводит к температурной погрешности, имеющей аддитивную и мультипликативную составляющие. Первая может быть уменьшена применением дифференциальных преобразователей.

Номинальная емкость емкостных преобразователей обычно лежит в пределах от единиц до сотен пикофарад. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление преобразователя достигает значений более 10⁷ Ом. При столь высоком сопротивлении возможны погрешности, обусловленные паразитными токами утечки, причем на результат измерения влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления преобразователя частота напряжения питания увеличивается до нескольких килогерц и выше, вплоть до нескольких мегагерц.

Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присутствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а также идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необходимо экранировать. Однако емкость экрана может изменяться под влиянием изменения влажности воздуха, вибрации и по другим причинам. Экранированные провода могут изменять свою емкость при их изгибах, когда токоведущий провод меняет свое положение относительно экрана. Эти изменения приводят к погрешности.

Особенности применения емкостных преобразователей. Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяющих область их применения. Конструкция емкостного датчика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования, Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов, Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов.

Основным недостатком емкостных преобразователей является малая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты, Однако это обусловливает другой недостаток – сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля.

Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

Емкостные преобразователи широко применяются в научно-исследовательской работе, где имеется высококвалифицированный персонал для разработки, эксплуатации и ремонта датчиков и вторичных приборов, В условиях научного эксперимента ценным свойством датчиков является простота их конструкции и технологии.

(4.80)

пропорциональный силе F_x. Коэффициент d₁₁ зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется.

Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изготовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы – пьезокерамики.

Кварц (SiO2 ). Призматическая часть кристалла кварца и расположение кристаллических осей показаны на рис. 4.21. Ось Х – электрическая, ось Y – механическая, ось Z – оптическая. Для использования в измерительных преобразователях из кристалла вырезается пластинка. При действии на пластинку сил вдоль осей Х или Y происходит поляризация кристалла. На гранях, перпендикулярных оси Х, появляются заряды

(4.81)

где F_x и F_y – соответствующие силы; Q_x и Q _{у площади граней, перпендикулярных осям Х и У; d11 = d12 = 2,31 ? 10^-12} К/Н – пьезоэлектрические модули.

Возникновение заряда под действием силы F_x называется продольным пьезоэффектом, возникновение заряда под действием F_y – поперечным пьезоэффектом. Действие силы F_z вдоль оси Z не вызывает никаких электрических зарядов.

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напряжения могут доходить до (0,7 – 1) ? 10⁸ Н/м² , что позволяет прикладывать к ней большие измеряемые силы. Она имеет большой модуль упругости, что обусловливает ее высокую жесткость и очень малое собственное внутреннее трение. Последнее обстоятельство обусловливает высокую добротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.

Кварц – материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться для изготовления пластинок лишь простой формы.

Пьезоэлектрический модуль d практически постоянен до температуры 200° С, а затем с увеличением температуры немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 500° С. При температуре 573° С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Относительная диэлектрическая проницаемость равна 4,5 и несколько увеличивается с увеличением температуры. Удельное объемное сопротивление кварца превышает 10¹² Ом.

Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0,05%.

Пьезоэлектрическая керамика. Пьезокерамика имеет доменное строение, причем доменное поляризованы. При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление и на поверхности изготовленного из пьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении этого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляются заряды. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но поверхностный заряд с течением времени стекает,. Если к телу, изготовленному из пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризованной керамики, при воздействии механической силы электризуется так же, как и естественные пьезоэлектрические монокристаллы.

Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаTiO₃ . Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах d₃₁= (4,35 ? 8,35) ? 10^-11 К/Н; диэлектрическая проницаемость – в пределах е_{r = 1100 ?} 1800; тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующий внутреннее удельное сопротивление, – в пределах tgd = 0,3 ? 3%. Зависимость возникающего заряда от приложенной силы имеет некоторую нелинейность и гистерезис. Свойства пьезокерамик зависят также от их технологии и поляризующего напряжения.

Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария она равна 115° С.

С течением времени параметры пьезокерамики самопроизвольно изменяются. Старение обусловливается изменением ориентации доменов.

Изготовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические изделия делаются по технологии, обычной для радиокерамических изделий (путем прессования или литья под давлением), на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводные провода. Отличие заключается в электрической обработке. Для поляризации изделие помещается в электрическое поле напряженностью 10^{5 – 106} В/м.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия – растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.

Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах

(4.82)

где q – пьезоэлектрический заряд; С – емкость, образованная электродами.

Подставляя (4.80) в (4.82), получим функцию преобразования пьезоэлектрического преобразователя

(4.83)

Если преобразователь имеет форму плоской пластины, то емкость между его электродами

(4.84)

где е_r – относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; Q – площадь электродов; d – расстояние между электродами.

Подставляя (4.84) в (4.83), получим функцию преобразования преобразователя

(4.85)

ЭДС, возникающая на электродах преобразователя, довольно значительна – единицы вольт. Однако если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна, то образуется переменная ЭДС, измерить которую значительно проще. Если при этом период изменения силы много меньше постоянной времени, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение преобразователя. При синусоидальном законе изменения силы

(4.86)

ЭДС изменяется также синусоидально:

(4.87)

Измерение переменной силы сводится к измерению переменной

ЭДС или напряжения.

Схема включения. Пьезоэлектрический преобразователь является

генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС. Для преобразования ее в приборе имеется вторичный преобразователь, в качестве которого может служить вольтметр переменного тока, проградуированный в единицах измеряемой величины. Поскольку вольтметр должен иметь большое входное сопротивление, используются электронные вольтметры.

Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рис.4.22, a . На этой схеме С – собственная емкость преобразователя; С₁ – суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезоэлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления R. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении R . Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение (4.83) можно переписать в виде

(4.88)

где

(4.89)

Из схемы 4.22, а следует

(4.90)

Выражение (4.90) представляет собой комплексную функцию преобразования эквивалентной схемы пьезоэлектрического преобразователя, подключенного к усилителю. Из него можно определить комплексную чувствительность или комплексный коэффициент передачи

(4.91)

где t = R( С + С₁ ) – постоянная времени.

Модуль чувствительности, или просто чувствительность, схемы

(4.92)

Это выражение показывает зависимость чувствительности от частоты и является частной характеристикой преобразователя, подключенного к усилителю. График частотной характеристики показан на рис. 4.22, б. Частотная характеристика может быть представлена в виде двух сомножителей

(4.93)

Первый из них представляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит от частоты, так как при w ® ?

(4.94)

Второй сомножитель  определяет нормированную характеристику. Он показывает относительное изменение чувствительности при изменении частоты.

Из (4.92) видно, что S = 0, при w = 0, т.е. пьезоэлектрические преобразователи неприменимы для измерения статических напряжений.

Полученные выражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когда внутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью.

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Погрешность пьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность остается постоянной. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени t . Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать t = R( С + С₁ ). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 10¹¹ Ом). Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении С_1; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах S(? ) и требует увеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной выше, постоянная времени t = R( С + С₁ ) обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная времени достигает значений 10 – 100 с.

Верхняя частота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствие механического резонанса. Она довольно высока. Имеются преобразователи с верхней частотой рабочего диапазона 80кГц.

В измерительной цепи внешними электромагнитными полями может наводиться паразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильность параметров кабеля, например изменение его емкости, обусловленное изгибом, вызывает изменение чувствительности в соответствии с формулой (4.94) и вносит погрешность.

При изгибах кабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие трения образуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей под действием вибрации кабеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС. Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, может быть значительно уменьшена применением специальных антивибрационных кабелей.

Нестабильность измерительной цепи может быть вызвана повышением влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме рис. 4.22, а. Изменение R вызывает изменение чувствительности и дополнительную частотную погрешность.

Изменение температуры пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрического модуля и чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Погрешность преобразователя может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью.

Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.

Схема преобразователя второй группы приведена на рис. 4.23, в. В зазор магнитной цепи 1 вводится пластинка 2 с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки 3 . Это эквивалентно увеличению ее активного сопротивления.

Функция преобразования преобразователя рис. 4.23, а с некоторыми допущениями может быть получена следующим образом. Как известно, индуктивность катушки

(4.95)

где w – число витков; F – пронизывающий ее магнитный поток; I - проходящий по катушке ток.

Ток связан с МДС Нl соотношением

(4.96)

Подставляя (4.96) в (4.95), получим

(4.97)

где R _м = Нl /Ф – магнитное сопротивление преобразователя.

Если пренебречь рассеянием магнитного потока и нелинейностью кривой намагничивания стали, то для преобразователя по схеме рис. 4.23, а магнитное сопротивление

(4.98)

где R _{ст – магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода;} l _ст – длина средней силовой линии по стальным участкам; Q _{ст – их поперечное сечение; m r –} магнитная проницаемость стали; m _{0 = 4p ?} 10Гн/м – магнитная постоянная; R _{з – магнитное сопротивление воздушных зазоров, имеющих длину d и сечение} Q.

Будем считать Q _ст = Q. При этом индуктивность преобразователя

(4.99)

Если пренебречь активным сопротивлением дросселя, то функция преобразователя, т. е. зависимость электрического сопротивления Z от размера воздушного зазора d , выражается зависимостью

(4.100)

В последнем равенстве имеется в виду, что 2d ” l _ст/m _r вследствие большого значения магнитной проницаемости магнитопровода. График функции преобразования индуктивного преобразователя, приведенного на рис. 4.23,а, показан на рис. 4.24.

Под чувствительностью индуктивного преобразователя часто понимают отношение

(4.101)

Таким образом,

(4.102)

Индуктивный преобразователь является электромагнитом, его сила притяжения, возрастающая с увеличением чувствительности, нелинейно зависит от перемещения якоря и может явиться причиной погрешности преобразователя, предшествующего индуктивному.

Описанные одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков: их функции преобразования нелинейны; аддитивные погрешности, в частности погрешность реального преобразователя, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велики; сила притяжения якоря значительна.

Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинаковых одинарных преобразователей, которые имеют общий подвижный элемент. Примеры схем таких преобразователей приведены на рис. 4.25. При перемещении якоря одна индуктивность L₁ возрастает, другая L₂ – уменьшается. Дифференциальные индуктивные преобразователи включаются в дифференциальные цепи второго типа. Благодаря использованию этих цепей уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции преобразования, в 2 раза возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря.

Схемы включения. Основными дифференциальными схемами включения индуктивных преобразователей являются мостовые схемы (рис. 4.26), где в общем случае  и  – полные сопротивления секций дифференциальных индуктивных преобразователей. Сопротивления других плеч могут быть как активными, так и реактивными. В качестве этих плеч могут служить секции двухобмоточного дросселя (рис. 4.26, в) или трансформатора с двухсекционной первичной обмоткой (рис. 4.26, г).

Источник питания U и нагрузка R _н могут меняться местами (рис. 4.26, а и б), при этом чувствительность моста также изменяется.

Мосты обычно проектируют так, что напряжение на измерительной диагонали отсутствует, если на дифференциальный преобразователь не воздействует входная величина и его якорь находится в среднем положении. При этом сопротивления плеч Z₁ и Z₂ равны между собой, их значения принимаем за Z₀ . При перемещении якоря сопротивление одной секции становится равным Z₁ = Z₀ + D Z₁, сопротивление другой Z₂ = Z₀ - D Z₂ . Изменения сопротивлений D Z₁ = jw D L₁, и D Z₂ = Z₂ = Z₀ - D Z₂, соответствующие некоторому перемещению якоря относительно его среднего положения, в общем случае не равны между собой в силу нелинейности функции преобразования. Однако если перемещение мало, то их различия незначительны. Положим, что при малых перемещениях якоря относительно его среднего положения изменение сопротивлений линейно зависит от перемещения якоря х. При этом

(4.103)

Изменения сопротивлений преобразователей обычно невелики, и можно считать, что напряжение на измерительной диагонали моста изменяется пропорционально D Z/Z. В этом случае функция преобразования мостовой схемы характеризуется только чувствительностью

(4.104)

где U _вых – напряжение на измерительной диагонали при изменении сопротивления преобразователя, равном D Z.

Чувствительность схемы S _{сх как и выходное напряжение} U _вых является комплексной величиной. Ее аргумент определяет фазовый сдвиг напряжения на измерительной диагонали моста относительно напряжения питания. Определим чувствительность для схемы, приведенной на рис. 4.26, а. В режиме холостого хода, когда R _н = ? ,

(4.105)

поскольку ? D Z^2? “ ? (Z₀+R)^2? .

Подставив значение (U _вых,x ) в (4.104), получим выражение для чувствительности схемы в режиме холостого хода:

(4.106) Когда сопротивление нагрузки R _{н соизмеримо с другими сопротивлениями цепи, для определения чувствительности} S _{сх нужно определить напряжение на} R _{н Согласно теореме об активном двухполюснике это напряжение (рис. 4.27, а})

(4.107)

где Z_i – сопротивление мостовой цепи со стороны нагрузки между точками а – b при закороченном источнике напряжения (точки с – d на рис. 4.26, б).

Подставив (4.107) в (4.104), получим

(4.108)

Преобразовав схему моста (рис. 4.26, а), как показано на рис. 4.27, б, получим

(4.109)

Подставив значения Z₁ = Z₀ + D Z₁, и Z₂ = Z₀ - D Z₂ и проведя алгебраические преобразования, в ходе которых считаем ? D Z^2? “ ? (Z₀+R)^2? и поэтому пренебрегаем значением D Z² , получим

(4.110)

Следовательно, чувствительность схемы при включенном сопротивлении нагрузки R _н

(4.111)

Аналогично можно определить выражения для чувствительности других схем. Например, чувствительность схемы рис. 4.26, б в режиме холостого хода

(4.112)

не зависит от параметров цепи.

Из (4.105) следует, что напряжение на выходе моста U _вых пропорционально D Z . При изменении знака D Z с плюса на минус также изменяет знак напряжение U _вых Для переменного напряжения это соответствует изменению его фазы на 180° .

Можно показать, что чувствительность схем, приведенных на рис. 4.26, в, может быть выше, чем чувствительность рассмотренных схем. В схеме рис. 4.26, г имеется возможность согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением моста; цепи питания моста и нагрузки гальванически не соединены.

Погрешность индуктивных преобразователей. Температурная погрешность индуктивных преобразователей в основном обусловлена изменением активной составляющей их сопротивления. Эта погрешность аддитивна и уменьшается в случае применения мостовых схем. Кроме того, при изменении температуры изменяется магнитная проницаемость стали, что приводит к некоторому дополнительному изменению аддитивной и мультипликативной погрешностей.

При изменении напряжения питания меняется магнитная проницаемость магнитопровода преобразователя, а следовательно, его сопротивление и чувствительность. Изменяется также чувствительность мостовой измерительной цепи. Изменение сопротивления приводит к аддитивной погрешности и компенсируется мостовой цепью. Изменение чувствительности создает мультипликативную погрешность. Для ее уменьшения либо стабилизируют напряжение источника питания моста, либо применяют компенсационные схемы измерения.

Изменение частоты питающего напряжения приводит к изменению сопротивления резисторов, включенных в мост, и меняет чувствительность. Малую погрешность имеют мостовые схемы (рис. 4,26, б), у которых чувствительность в режиме холостого хода S _{сх, х не зависит от параметров цепи. У других схем для уменьшения погрешности нужно стабилизировать частоту питающего напряжения.}

_{При перемещении якоря преобразователя изменяется выходное напряжение моста. При среднем положении якоря должно быть} U _вых = 0. Однако практически имеется небольшое напряжение, что приводит к аддитивной погрешности измерительного моста. Для балансировки мостов переменного тока необходима раздельная регулировка действительной и мнимой составляющих его выходного напряжения. В мостах с индуктивными преобразователями одна составляющая регулируется перемешением якоря преобразователя, другая – путем регулировки других сопротивлений (например, сопротивлений R в схеме рис. 4.26,а). Если регулировка сделана недостаточно тщательно, то изменением положения якоря нельзя полностью сбалансировать схему.

Другая причина погрешности моста заключается в том, что в питающем напряжении помимо напряжения с основной частотой имеются составляющие с кратными частотами и с частотой промышленной сети. Реальный мост переменного тока, питающийся таким напряжением, полностью сбалансировать трудно вследствие наличия несбалансированных составляющих с частотами, отличными от основной.

Для уменьшения погрешности, обусловленной остаточным разбалансом моста, используется фазочувствительный выпрямитель. Его средний выходной ток

(4.113)

где U – подаваемое на вход напряжение; j – фазовый угол между измеряемым и управляющим напряжением; k – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров выпрямителя.

Прибор проектируется так, чтобы напряжение разбаланса моста, вызванное перемещением якоря преобразователя, было в фазе с управляющим напряжением, а напряжение, вызванное плохим подбором сопротивлений, было сдвинуто на угол j = p /2. При этом выходной ток выпрямителя будет определяться только перемещением якоря индуктивного преобразователя.

Фазочувствительный выпрямитель выпрямляет напряжение, имеющее ту же частоту, что и управляющее напряжение, и частоту его нечетных гармоник. Это значительно уменьшает аддитивную погрешность, вызванную наличием высших гармоник в напряжении питания моста.

Различают два вида трансформаторных преобразователей: с изменяющимся магнитным сопротивлением и с постоянным магнитным сопротивлением и подвижной обмоткой.

Преобразователи первого вида конструктивно аналогичны индуктивным преобразователям и отличаются тем, что вместо одной имеют две обмотки. Так, например, преобразователь (рис. 4.28, а) состоит из П-образного магнитопровода 1, подвижного якоря 2 и двух обмоток w₁ и w₂ . При изменении воздушного зазора d изменяются магнитное сопротивление R _{м и взаимная индуктивность} M . При этом изменяется вторичная ЭДС

(4.114)

Как известно, коэффициент взаимоиндуктивности представляет собой коэффициент пропорциональности между потокосцеплением вторичной обмотки w₂ Ф₂ , и током первичной обмотки I₁.

(4.115)

Ток катушки возбуждения I₁ связан с ее МДС F₁ законом полного тока

(4.116)

где w₁ – число витков первичной обмотки.

Из последних равенств следует

(4.117)

где R _м^{* = F₁/F ₁} – взаимное магнитное сопротивление.

Если рассеяние магнитного потока мало и можно считать, что F _{1 = F 2} , то R^* _м = R _{м. Из (4.114) – (4.117) следует}

(4.118)

Магнитная цепь трансформаторного преобразователя аналогична магнитной цепи индуктивного преобразователя (рис. 4,28, а). Поэтому, подставив выражение (4.98) в (4.118), можно получить его функцию преобразования

(4.119)

Пренебрегая магнитным сопротивлением стали (l _ст/m _r “ 2d ), получим

(4.120)

По выражениям (4.119) и (4.120) можно определить Е_2, если ток возбуждения I₁, не зависит от перемещения якоря. Однако если преобразователь подключить к источнику с постоянным напряжением U₁ то при уменьшении, например, воздушного зазора d возрастают индуктивность первичной обмотки L₁ и сопротивление, первичной цепи jw L₁, что ведет к уменьшению тока I₁, и вторичной ЭДС Е_2. Она будет меньше, чем рассчитанная по выражениям (4.119), (4.120) .

Большей стабильностью первичного тока обладает дифференциальный преобразователь (рис. 4,28 б). У этого преобразователя первичные обмотки соединены последовательно и подключены к источнику переменного напряжения с постоянным значением U₁ а вторичные включены встречно. Для упрощения анализа можно считать, что дифференциальный преобразователь состоит из двух простых. При перемещении якоря сопротивление первичной обмотки Z₁ одного простого преобразователя возрастает, а другого Z₂ – примерно на столько же уменьшается. В целом сопротивление первичной цепи остается почти без изменений, а ток I₁ – постоянным и равным

(4.121)

Индуктивность первичной обмотки L₀ определяется согласно (4.99). Если пренебречь магнитным сопротивлением стали (l _ст/m _r “ 2d ), то

(4.122)

где w₁ – число витков первичной обмотки; d ₀ – воздушный зазор при среднем положении якоря.

ЭДС дифференциального преобразователя равна разности ЭДС одинарных:

(4.123)

Подставив (4.120) в (4.123) и учтя (4.122), получим функцию преобразования дифференциального трансформаторного датчика (рис. 4.28, б):

(4.124)

где d _{1 = d 0 – D d} и d _{2 = d 0 + D d , D d} – смешение якоря относительно его среднего положения.

Функция преобразователя дифференциального трансформаторного преобразователя линейна при d _{0² ” D d ²}

Чувствительность преобразователя

(4.125)

пропорциональна питающему напряжению U₁.

Свойства дифференциальных трансформаторных преобразователей аналогичны свойствам соответствующих индуктивных преобразователей.

К преобразователям с постоянным магнитным сопротивлением и подвижной обмоткой относятся ферродинамические трансформаторные преобразователи и вращающиеся трансформаторы.

Схема ферродинамического преобразователя угла поворота приведена на рис. 4.28, в. Он состоит из П-образного магнитопровода 1 с полюсными наконечниками 2 . На магнитопроводе помещена обмотка возбуждения w₁ . Вторичная подвижная обмотка w₂ помещена между полюсными наконечниками. Внутри обмотки w₂ для уменьшения магнитного сопротивления вставляется цилиндрический ферромагнитный сердечник 3 . Воздушный зазор между сердечником и полюсными наконечниками одинаков, также одинакова в воздушном зазоре и магнитная индукция.

Обмотка w₁ включается в цепь переменного напряжения, имеющего частоту w , и создает магнитный поток. Часть его проходит через обмотку и наводит в ней ЭДС Е_2. При повороте обмотки наведенная ЭДС изменяется.

Согласно закону Кирхгофа напряжение U₁, приложенное к первичной обмотке w₁ , равно

(4.126)

где Е_{1 –} ЭДС самоиндукции; Ф₁ – магнитный поток, создаваемый обмоткой w₁, R₁ – ее активное сопротивление.

Если это сопротивление пренебрежимо мало и напряжение уравновешивается ЭДС Е_1, то

(4.127)

Часть этого потока проходит через вторичную обмотку

(4.128)

где a – угол поворота рамки (рис.4.28, в) и наводит в ней ЭДС

(4.129)

Отсюда видно, что ЭДС вторичной обмотки пропорциональна углу a .

Схемы включения трансформаторных преобразователей. Вторичное напряжение трансформаторного преобразователя может быть измерено любым вольтметром переменного тока с соответствующим переделом измерения (рис. 4.29, а). Эта схема отличается простотой, но применяется редко, поскольку напряжение U₂ и, следовательно, показам прибора зависят от первичного напряжения U₁. Кроме того, напряжение U₂ зависит от выходного сопротивления преобразователя Z _{вых. Входное напряжение}

(4.130)

где Е_{2 –} выходная ЭДС преобразователя; I₂ – ток, потребляемый вольтметром.

С изменением температуры, частоты питающего напряжения и по другим причинам выходное сопротивление может изменяться. Это приводит к погрешности. Погрешность может возникнуть также и вследствие изменения параметров линии связи между преобразователем и вольтметром. Очевидно, что погрешность уменьшается с уменьшением тока, потребляемого вольтметром.

Лучшими метрологическими характеристиками обладает схема, показанная на рис. 4.29, б. Здесь вторичным преобразователем служит ферродинамический измерительный механизм, отличающийся от обычных механизмов этой системы тем, что у него нет пружины, создающей противодействующий момент. Обмотка возбуждения w₁ питается тем же напряжением, что и обмотка первичного трансформаторного преобразователя. Обычно это напряжение промышленной сети. Измеряемое напряжение подводится к подвижной рамке w₂.

Вращающий момент ферродинамического механизма пропорционален току I₂, протекающему в рамке w₂ и направлен так, чтобы его уменьшать. Вращающий момент стремится повернуть рамку w₂ . Она поворачивается и устанавливается в таком положении, когда ее ЭДС Е_2к, определяемая выражением (4.129), уравновесит выходную ЭДС Е₂ первичного преобразователя. Показания прибора, построенного по этой схеме, мало зависят от питающего напряжения и его частоты, поскольку при их изменении одинаково изменяются как выходная ЭДС Е₂ первичного преобразователя, так и ЭДС ферродинамического механизма Е_2к.

В рассуждениях, приведенных выше, пренебрегают моментом трения ферродинамического механизма. Вследствие трения показание прибора может установиться, когда вращающий момент сравняется с моментом трения. При этом по рамке будет течь некоторый остаточный ток и показания прибора будут содержать погрешность. Поскольку остаточный ток I₂ зависит от сопротивлений выходной цепи преобразователя, то показания прибора в некоторой степени также зависят от этого сопротивления, однако эта зависимость меньше, чем для предыдущей схемы.

Еще меньшую погрешность имеют автоматические компенсаторы. Принципиальная схема одного из них приведена на рис. 4.29, в. Он включает в себя усилитель переменного тока, ферродинамический преобразователь угла ФП и реверсивный двигатель РД. Вал последнего через редуктор связан с подвижной обмоткой ферродинамического преобразователя и с устройствами отсчета, регистрации и регулирования измеряемой величины.

На вход усилителя подается разность ЭДС первичного преобразователя Е₂ и компенсирующей ЭДС Е_2к, которая создается ферродинамическим преобразователем. Усиленное напряжение приводит во вращение ротор реверсивного двигателя, и E _2к изменяется. Разность Е_{2 – Е2к может быть либо в фазе, либо в противофазе с напряжением сети} U. В зависимости от фазы ротор вращается в ту или иную сторону таким образом, чтобы при изменении Е_2к разность Е_{2- Е2к} уменьшалась. Ротор, а вместе с ним и указатель прибора останавливаются, когда Е_{2 к} = Е_2.

Автоматический компенсатор (рис. 4.29, в) имеет погрешность значительно меньшую, чем приборы, описанные выше. Класс точности приборов этого типа обычно не хуже 0,5.

В Государственной системе приборов (ГСП) нормируется изменение коэффициента взаимоиндуктивности трансформаторных преобразователей. При изменении измеряемой величины в номинальном диапазоне он должен изменяться в пределах 0 – 10, 0 – 20 или 10 – 0 – 10мГн. Последние значения получаются при изменении фазы напряжения, что происходит, например, при изменении воздушного зазора от d _{1 = d 0+D d ном до d 2 =d 0 – D d ном}.

Погрешность трансформаторных преобразователей. Причины погрешностей трансформаторных преобразователей с изменяющимся магнитным сопротивлением аналогичны причинам погрешностей индуктивных преобразователей. Аналогичны также методы их уменьшения. Аддитивные погрешности значительно уменьшаются при использовании дифференциальных преобразователей.

Все трансформаторные преобразователи имеют также специфические причины погрешности, обусловленные протеканием тока во вторичных обмотках и изменением их сопротивления. Это мультипликативные погрешности, уменьшающиеся с уменьшением тока, потребляемого вторичным преобразователем. Погрешность отсутствует при измерении ЭДС первичного преобразователя компенсационным методом с помощью автоматического компенсатора.

Изменение температуры преобразователя вызывает изменение ЭДС Е_2. При увеличении температуры возрастает активное сопротивление первичных обмоток и полное их сопротивление. Это уменьшает первичный ток I₁ и ЭДС Е_2.

(4.131)

Потокосцепление

(4.132)

где w – число витков катушки; Ф – проходящий через нее поток; Q – площадь через которую проходит этот поток; B индукция магнитного поля.

ЭДС в катушке может наводится при изменении во времени любой из перечисленных величин w, B, Q.

В качестве примера рассмотрим преобразователь, который представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка (рис. 4.30). При движении катушки с изменением х изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, Q = bx . Это приводит к изменению потокосцепления Ф = wBb х, и в катушке наводится ЭДС

(4.133)

Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной dx/dt или угловой da /dt скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

Различают ряд типов преобразователей. Рассмотрим их.

Преобразователи скорости вибрации. Индукционные преобразователи генерируют ЭДС только при перемещении катушки в магнитном поле. По этой причине преобразователи этого типа могут служить для преобразования линейной скорости в ЭДС на небольших длинах пути. Обычно они применяются для измерения скорости вибрации, когда ее амплитуда не превышает нескольких сантиметров. Одна из конструктивных схем преобразователя вибрационной скорости показана на рис. 4.31, a . Преобразователь имеет кольцевой магнит 1, вставленный в стальное ярмо 2 . Магнитный поток от постоянного магнита проходит по центральному цилиндрическому сердечнику через воздушный зазор и кольцевой полюсной наконечник 3 . В цилиндрическом воздушном зазоре находится намотанная на каркас катушка 4. Она может перемещаться в воздушном зазоре вдоль оси преобразователя.

Катушку условно можно разделить на три части I – III (рис. 4.31, а): I – находится вне магнитопровода, и магнитный поток в нее не заходит, II – находится в воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и цилиндрическим сердечником. Магнитный поток, пронизывающий витки этой части катушки, не меняется во времени, число витков также остается постоянным. В этой части катушки ЭДС не наводится. Часть III катушки находится вне воздушного зазора, но внутри магнитной системы. Магнитный поток, проходящий через витки этой катушки, также постоянен, но при вибрации катушки изменяется число витков. Изменение числа витков приводит к изменению потокосцепления и наводит ЭДС. Витки катушки обычно наматываются равномерно. При этом ЭДС преобразователя пропорциональна скорости вибрации.

Индукционные преобразователи могут применяться и для измерения угловой виброскорости. Схема такого преобразователя показана на рис. 4.31, б. Он состоит из постоянного магнита 1, полюсных наконечников 2 , цилиндрического стального сердечника 3 и катушки 4. Устройство преобразователя аналогично устройству магнитоэлектрического измерительного механизма. При повороте катушки вокруг оси сердечника ее потокосцепление изменяется и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная угловой скорости.

Тахомегрические преобразователи. Преобразователи этого типа представляют собой электромашинные генераторы. В качестве примера рассмотрим синхронный* преобразователь с вращающимся постоянным магнитом (рис. 4.32, a ): он состоит из статора 1, на котором помещена обмотка, и ротора 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом. При вращении магнита изменяется поток, проходящий через обмотку, и в ней индуцируется переменная ЭДС. Амплитуда и частота ЭДС пропорциональны частоте вращения ротора. Частота ЭДС определяется соотношением f = nр/60, где n – частота вращения, об/мин; р – число пар полюсов.

На рис. 4.32, б приведена схема тахометрического преобразователя постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита, расположенного на статоре 1. Измерительная обмотка расположена на роторе 2 , и при его вращении в ней образуется переменная ЭДС, которая снимается с вращающегося ротора и подается на статор с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток. При этом переменная ЭДС выпрямляется.

Если в нагрузке преобразователя течет ток, то преобразователь отдает в измерительную цепь некоторую электрическую мощность. Эта энергия образована из механической. Механическая мощность

(4.134)

где w – угловая частота вращения ротора; М – необходимый для этого момент, он связан с электрической мощностью соотношением

(4.135)

где h – КПД.

Из приведенных соотношений видно, что с увеличением тока, генерируемого преобразователем, увеличивается момент на его валу.

Импульсные преобразователи. Преобразователь этого типа (рис. 4.33) представляет собой катушку 1 с разомкнутым ферромагнитным сердечником, установленную возле вала 2, частота вращения которого измеряется; на валу монтируется один или несколько ферромагнитных зубцов 3 . Сердечник катушки предварительно намагничивается. При вращении вала зуб проходит вблизи катушки и уменьшает магнитное сопротивление R _{м сердечника, как показано на графике. В соответствии с этим изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, и в ней индуцируется ЭДС е. С выводом катушки снимается последовательность двуполярных импульсов, частота которых равна частоте прохождения зубцов вблизи катушки, т.е. пропорциональна частоте вращения вала.}

_{Вторичным преобразователем импульсного индукционного преобразователя является частотомер, проградуированный в единицах частоты вращения.}

_{Погрешность индукционных преобразователей. ЭДС индукционных преобразователей пропорциональна скорости перемещения катушки лишь при условии, что индукция В постоянна на протяжении всего пути ее перемещения. Непостоянство индукции вызывает возникновение погрешности.}

_{Погрешность индукционных преобразователей также во многом зависит от тока, который потребляет вторичный преобразователь. Проходя по измерительной обмотке индукционного преобразователя, этот ток создает магнитное поле, которое согласно правилу Ленца направлено встречно направлению основного поля и производит размагничивающее действие. Вследствие этого суммарная индукция уменьшается, уменьшается и ЭДС преобразователя. Это явление, имеющее место в электрических машинах и, в частности, в тахометрических преобразователях называется реакцией якоря. Вследствие реакции якоря уменьшается чувствительность тахометрического преобразователя и его функция преобразования становится нелинейной, что приводит к погрешности. Для уменьшения погрешности следует уменьшить ток преобразователя. Имеются также конструктивные методы уменьшения этой погрешности.}

_{Описанный вид погрешности присущ тахометрическим преобразователям, поскольку их вторичными приборами служат электромеханические приборы с большим потреблением мощности.}

_{Влияние тока нагрузки на функцию преобразования преобразователей вибрации меньше, чем на функцию преобразования тахометрических преобразователей. Нагрузкой преобразователей вибрации обычно являются электронные усилители. Они имеют большое входное сопротивление, которое ограничивает ток преобразователя и тем самым уменьшает погрешность.}

_{Если нагрузка индукционного преобразователя потребляет значительный ток, то может возникнуть погрешность вследствие изменения внутреннего сопротивления преобразователя, поскольку изменяется падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Изменение внутреннего сопротивления может быть обусловлено температурными изменениями сопротивления измерительной обмотки и сопротивления линии связи со вторичным прибором. Внутреннее сопротивление тахометрического преобразователя постоянного тока нестабильно также вследствие изменения сопротивления коллектора.}

_{При изменении частоты вращения синхронного тахометрического преобразователя изменяется как ЭДС, так и ее частота. При изменении частоты меняются его входное сопротивление и входное сопротивление его нагрузки. Изменения сопротивлений могут привести к нелинейной функции преобразования прибора в целом, даже если ЭДС тахометрического преобразователя линейно зависит от измеряемой скорости.}

_{Выходной величиной синхронных тахометрических преобразователей является либо значение генерируемой ЭДС, либо ее частота. В последнем случае в качестве вторичного преобразователя используется частотомер. Применяемые стрелочные частотомеры не должны изменять свои показания при изменении напряжения.}

_{Таким образом, погрешность индукционных преобразователей в значительной степени зависит от режима, в котором они работают. Наибольшая погрешность возникает в режиме, при котором через нагрузку течет значительный ток. Однако для работы в таком режиме используют наиболее простой вторичный преобразователь. Меньшие погрешности имеют место в режиме холостого хода, когда ток в измерительной катушке практически отсутствует. При работе в таком режиме требуется более сложная и дорогая аппаратура, должны использоваться измерительные механизмы повышенной чувствительности или усилительные устройства.}

_{При измерении частоты вращения вала наименьшую погрешность можно получить, если в качестве выходной величины тахометрического преобразователя используется частота изменения ЭДС, а в качестве вторичного преобразователя – цифровой частотомер. При этом исключается влияние нестабильности величины выходного напряжения преобразователя и используется высокая точность цифрового частотомера. Однако в этом случае требуется наиболее сложная и дорогая аппаратура.}

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменят свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Явление имеет упругий характер. Если силу снять, то индукция примет прежнее значение. Поскольку абсолютная магнитная проницаемость вещества

(4.136)

то при заданной напряженности поля Н изменение индукции В эквивалентно изменению магнитной проницаемости.

Изменение индукции или магнитной проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Рассмотренное явление используется для преобразования механической силы в электрическую величину.

Один из возможных типов магнитоупругого преобразователя представлен на рис. 4.34, а. Он представляет собой ферромагнитный сердечник с намотанной на нем катушкой. При действии силы F в материале сердечника возникает механическое напряжение s , изменяется m _r, следовательно, и магнитное сопротивление сердечника R _{м, а также индуктивность катушки} L. Формула преобразований имеет вид

(4.137)

Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки (рис. 4.34, б). Такие преобразователи являются трансформаторными. При действии силы вследствие изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и ЭДС вторичной обмотки Е. Формула преобразования имеет вид

(4.138)

При расчете преобразователя и его чувствительности нужно в соответствии с законами и правилами механики рассчитать механические напряжения о в элементах конструкции и их зависимость от измеряемой силы s = s (F).

Зависимость m _{r = m r(s )} в ферромагнитных веществах в общем случае нелинейна. Однако при небольших механических напряжениях можно считать, что относительное изменение магнитной проницаемости пропорционально s :

(4.139)

где D m = m _r – m _r ном – значение магнитной проницаемости при воздействии s ; m _r ном – номинальная магнитная проницаемость при s = 0; Sm – чувствительность материала.

Магнитная проницаемость m _{r ном зависит от напряженности поля} Н. Для увеличения D m целесообразно работать при таких Н, при котором m _{r ном} максимальна. Наибольшую чувствительность Sm имеют железоникелевые сплавы, меньшую – железокобальтовые сплавы и кремниевые стали. Так, электротехнические стали имеют чувствительность порядка 11 ? 10^-9 м /Н, сталь марки СтЗ – 8 ? 10^-9 м /Н. Имеются сплавы с чувствительностью 25 ? 10^-9 м /Н.

Зная конфигурацию и размеры преобразователя и зависимость магнитной проницаемости m _r, от измеряемой силы F, можно определить зависимость сопротивления магнитной цепи, а также индуктивности L или коэффициента взаимоиндукции М преобразователя:

(4.140)

Магнитопровод преобразователя следует делать без воздушных зазоров. Даже пришлифованные друг к другу стыки магнитопровода имеют большое магнитное сопротивление и уменьшают чувствительность преобразователя. При действии измеряемой силы воздушные зазоры изменяются, что приводит к возникновению погрешности.

При низких частотах питающего напряжения или в случае, когда сердечник собран из достаточно тонких пластин, магнитное поле равномерно заполняет все сечение преобразователя и поверхностный эффект выражен слабо. При сильно выраженном поверхностном эффекте магнитное сопротивление увеличивается, а чувствительность уменьшается.

Лучшими метрологическими характеристиками обладает магнитоанизотропный трансформаторный преобразователь, схема которого показана на рис. 4.34, в. Пока измеряемая сила не действует, магнитопровод такого преобразователя магнитоизотропен: его магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях. Под действием механических напряжений магнитная проницаемость изменяется в направлении напряжения. Это изменяет магнитное сопротивление материала в том же направлении. Под действием механических напряжений материал становится магнитоанизотропным.

Преобразователь собран из пакета пластин, имеющих четыре отверстия. В отверстии уложены две обмотки: питания w₁ и измерительная w₂ . Они расположены под углом 45° к направлению действия силы и под углом 90° друг к другу. При отсутствии измеряемой силы F магнитное поле, создаваемое обмоткой питания w₁ , направлено параллельно виткам измерительной обмотки w₂ и не заходит в нее (рис. 4.35, а). В измерительной обмотке ЭДС не индуцируется. Под действием измеряемой силы магнитная проницаемость в направлении ее действия изменяется и изменяется магнитное сопротивление в том же направлении. Это деформирует магнитное поле (рис. 4.35, б). Магнитный поток пронизывает измерительную обмотку и индуцирует в чей ЭДС Е_2, пропорциональную действующей силе.

Схемы включения. Магнитоупругие индукционные преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи. В плечо, смежное с измерительным преобразователем, включается такой же преобразователь для компенсации аддитивных погрешностей. Он обычно не нагружается – прибор строится по дифференциальной схеме первого типа. Питание моста производится от феррорезонансного стабилизатора.

Схема включения трансформаторного магнитоанизотропного преобразователя приведена на рис. 4.36. Первичная обмотка 1 питается от феррорезонансного стабилизатора 2 . На выходе у ненагруженного преобразователя имеется некоторое остаточное напряжение. Для его компенсации в цепь включен резистор R, на который подается напряжение через фазосдвигающую цепочку 3 . Напряжение питания преобразователя выбирается так, чтобы режим его работы был близок к режиму насыщения магнитной цепи. При этом на выходе преобразователя имеется напряжение верхних гармоник значительной величины. Для защиты от гармоник схема содержит фильтр верхних частот 4. Напряжение выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 5 и подается на магнитоэлектрический измерительный механизм 6 . Фильтр нижних частот 7 служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. При измерении быстропеременных процессов в качестве измерительного механизма включается гальванометр светолучевого осциллографа.

Магнитоупругие трансформаторные преобразователи могут работать также с автоматическими потенциометрами переменного тока.

Погрешность магнитоупругих преобразователей. Функция преобразования магнитоупругих преобразователей, как правило, нелинейна. Имеется ряд методов уменьшения нелинейности. Нелинейность уменьшается при сокращении диапазона измерения измеряемой силы; если наряду с измеряемой силой преобразователь нагружается некоторой дополнительной постоянной силой; при соответствующем выборе магнитного режима преобразователя; при применении магнитоанизотропных материалов, имеющих различную магнитную проницаемость в различных направлениях. Такие материалы получают в результате определенной технологической обработки – ковки, протяжки, прокатки и т. д. Применение этих мер позволяет уменьшить погрешность, происходящую вследствие налинейности, до 1,5 – 2 %.

Функция преобразования при увеличении нагрузки магнитоупругих преобразователей отличается от функции преобразования при уменьшении нагрузки. Это отличие имеет гистерезисный характер и обусловлено магнитным и механическим гистерезисом. При статических измерениях гистерезис преобразователя больше, чем при динамических. Для уменьшения погрешности, вызванной гистерезисом, рекомендуется изготавливать преобразователи из материалов, имеющих возможно больший предел упругости и возможно меньшую петлю магнитного гистерезиса. Максимальные механические напряжения в магнитоупругом материале должны быть в 6 – 7 раз меньше его предела упругости. Погрешность, обусловленная гистерезисом, уменьшается после тренировки преобразователя. Тренировка производится 5 – 10 кратным нагружением силой, соответствующей пределу изменения преобразователя. Гистерезис может возникнуть также в результате сил трения, если, например, магнитопровод не сплошной, а составной. Приведенную погрешность, вызванную гистерезисом, можно снизить до 0,5 – 1%.

Магнитоупругому преобразователю свойственно старение. При этом изменяется как магнитная проницаемость, так и внутреннее напряжение в материале преобразователя. Старение приводит к изменению электрических параметров (L, M ) и к изменению чувствительности. Изменение характеристик уменьшается после естественного (в течение нескольких месяцев) или ускоренного искусственного старения. Характеристики стабилизируются путем термообработки магнитопровода. Погрешность, вызванную изменением параметров, можно уменьшить применением дифференциальных преобразователей и дифференциальных схем включения. Таким образом, погрешность, обусловленную старением, можно уменьшить до 0,5 %.

При изменении температуры изменяются магнитная проницаемость магнитопровода и электрическое сопротивление обмоток. При резко выраженном поверхностном эффекте изменение температуры оказывает меньшее влияние, чем при слабо выраженном. Для уменьшения температурной погрешности используются дифференциальные схемы и специальные схемы температурной компенсации.

(4.141)

называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места контактов называются спаями термопары.

Из (4.141) следуют следующие свойства термопары.

1. Если в цепи термопары включен третий проводник (проводник R на рис. 4.37, б) и его концы находятся при одинаковых температурах (t? ₂ = t? ? ₂ ), то включение этого третьего проводника не изменяет ЭДС цепи. Третьим проводником могут быть провода прибора, измеряющего ЭДС термопары, и провода, соединяющие его с термопарой. Если концы термопары, подключенные к соединительным проводам, находятся при одинаковых температурах, то подключение измерительного прибора не изменяет термоЭДС.

2. ЭДС термопары является функцией двух независимых температур – температур ее спаев Е = Е(t₁, t₂) – и не зависит от температур других точек термопары. ЭДС термопары (4.141) есть сумма функций одной переменной.

3. Если термопара имеет температуры спаев t и t₀ , то термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется при температуре спаев t и t? ₀ , другая – при температурах t? ₀ и t₀ (рис. 4.38):

(4.142)

Это свойство используется при измерении температуры спая t, если температура второго спая t? ₀ отличается от температуры t₀ , при которой была произведена градуировка термопары.

При t₀ = 0 функция Е(t, 0) представляет собой градуировочную функцию преобразования данной термопары. Значение Е(t, t? ₀) определяется экспериментально, а значение Е(t? ₀, 0) – по значению температуры t? ₀ и градуировочной функции преобразования. По значениям Е(t, t? ₀) и Е(t? ₀, 0) вычисляется Е(t₀, 0), по которой определяется измеряемая температура.

Таблица 4.1.
 

Тип термопары	Материал термоэлектродов	Обозначение градуировки	Диапазон измерения при длительном измерении, ° С
ТХК	Хромель – копель	ХК (L)	– 200 ... + 600
ТХА	Хромель – алюмель	ХА (К)	– 200 ... + 1000
ТПП	Платинородий (10%) – платина	ПП (S)	0... +1300
ТВР	Вольфрамрений (5%) – вольфрамрений (20%)	ВР (А) – 1	0 ... 2200

Термоэлектрические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС. В табл. 4.1 приведены наиболее широко используемые термопары (ГОСТ 6616-84) и их основные характеристики (ГОСТ 3044-84).

Градуировочные характеристики и допустимые погрешности этих термопар также приведены в ГОСТ 3044-84.

Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Устройство промышленной термопары показано на рис. 4.39. Термоэлектроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим – подсоединяются к зажимам в головке 3 , служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца.

Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем. Противоположные концы называются холодными или свободными. Обычно в месте свободного спая термопара разомкнута. ЭДС термопары обычно не превосходит 50мВ.

Схемы включения. Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами, В качестве последних используются два провода различных материалов. Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.

В качестве вторичных преобразователей используются либо магнитоэлектрические милливольтметры, либо потенциометры постоянного тока.

В лабораторной практике используются потенциометры с ручной компенсацией, а в производственной – автоматические потенциометры. Упрощенная схема автоматического потенциометра приведена на рис. 4.40. Термопара Т включается таким образом, что ее ЭДС Е направлена встречно компенсирующему напряжению Е_к, создаваемому с помощью мостовой цепи. Это напряжение изменяется пропорционально перемещению движка по реохорду R_p . Разность ЭДС термопары и компенсирующего напряжения Е – Е_к усиливается усилителем и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя, вращаясь, через редуктор. перемещает движок реохорда так, чтобы разность Е – Е_к уменьшалась. Когда она становится равной нулю, вал останавливается. С движком реохорда связаны стрелка прибора, перемещающаяся по шкале, записывающее устройство, регистрирующее текущее значение температуры, контакты для ее регулирования, а также устройство для дистанционной передачи показаний.

Для увеличения стабильности напряжения Е_к и точности измерения температуры мост питается от стабилизированного источника напряжения ИПС, а сопротивления плеч моста изготавливаются из манганинового провода.

Современные автоматические потенциометры имеют основную приведенную погрешность измерения ± (0,25 – 1) %, погрешность регистрации ± (0,5 – 1) %.

Погрешность термоэлектрического термометра. Одним из источников погрешности термоэлектрического термометра является несоответствие температуры свободных концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка.

Номинальная функция преобразования термопар со стандартной градуировкой задается градуировочной таблицей. Она определяет зависимость ЭДС Е(t, t₀₎ термопары от измеряемой температуры t при температуре свободных спаев t₀ = 0 ° С. Если в условиях измерения температура свободных спаев t? ₀ не равна температуре t₀ , то ЭДС термопары Е(t, t? ₀₎ отличается от ЭДС Е(t, t₀₎ , которая нужна для определения температуры по стандартной градуировке. Введение поправки основано на третьем свойстве термопары.

Второй член Е(t? _{0, t0)} правой части равенства (4.142) определяет поправку. Е(t? _{0, t0)} представляет собой ЭДС термопары при условии, что ее свободные концы находятся при температуре градуировки t₀ , а рабочие – при температуре t? ₀ . Значение Е(t? _{0, t0)} определяется по таблице стандартной функции преобразования.

Вследствие неравенства температур t₀ ? t? ₀ показание пирометрического милливольтметра не равно действительной температуре. Поправка к его показаниям приближенно может быть определена соотношением

(4.143)

где k – коэффициент, зависящий от измеряемой температуры и от вида термопары.

Для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8 – 1; для хромель-алюминиевой – в пределах 0,98 – 1,11; для платинородий-платиновой – в пределах 0,82 – 1,11. При малом значении D t = t? ₀ - t₀ в ряде случаев можно принять k = 1. Это позволяет вводить поправку в показания пирометрического милливольтметра с помощью корректора нуля. При отключенной термопаре стрелку прибора с по мощью корректора ставят на отметку, соответствующую t? ₀ . При включении термопары и измерении температуры показания пирометра будут больше некорректированных на значение D t . Такое введение поправки целесообразно, когда значение t? ₀ сохраняется постоянным.

В показания автоматического потенциометра поправка вводится автоматически. Для этого в одном из плеч моста включена катушка, намотанная медной проволокой, сопротивление которой R _м = R₀(1 + a t? ₀) зависит от ее температуры. Катушка помещена возле зажимов потенциометра, к которым подводятся удлинительные провода, и имеет температуру свободных концов “ составной” термопары. Температурное изменение сопротивления катушки создает дополнительный разбаланс моста, равный ЭДС поправки Е(t? _{0, t0)} . Поправка пропорциональна отклонению температуры свободных концов t? ₀ от их номинальной температуры t₀ = 0° С.

Другим источником погрешности термоэлектрического термометра является изменение сопротивления измерительной цепи термоэлектрического преобразователя.

В качестве пирометрического милливольтметра применяются приборы магнитоэлектрической системы. Для повышения чувствительности они выполняются с относительно малым внутренним сопротивлением. При этом измеряемое напряжение зависит от сопротивления внешней цепи. Внешняя цепь милливольтметра состоит из термопары, удлинительных и соединительных проводов и специальных манганиновых уравнительных (подгоночных) катушек. Изменение сопротивления этих элементов приводит к погрешности термоэлектрического термометра. Для иллюстрации заметим, что при помещении платинородий-ллатиновсй термопары с электродами толщиной 0,5 мм в печь с температурой 1000° С на глубину одного метра ее сопротивление изменяется на 3,86 Ом. Погрешность может происходить также вследствие плохой подгонки сопротивлений уравнительных катушек.

Можно показать, что приведенная погрешность, вызванная изменением сопротивления внешней цепи на D R _{ц, равна}

(4.144)

где R _{в – внутреннее сопротивление милливольтметра;} R _{ц – номинальное сопротивление его внешней цепи.}

_{Сопротивление пирометрического милливольтметра} R _{в и номинальное сопротивление внешней цепи} R _вн, ном_{, при котором он градуировался, указываются на его шкале.}

_{Термоэлектрический термометр с потенциометром свободен от рассматриваемой погрешности. В момент компенсации по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напряжения. Потенциометр измеряет термоЭДС.}

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

(4.145)

где R₀ – сопротивление при 0° С; a = 4,28 ? 10^-3K^-1 – температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен a = 3,91 ? 10^-3K^-1.

Чувствительный элемент медного термсрезистора (рис. 4.41, а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0 – 1,5мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис. 4.41, б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2 . Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.

При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.

Основные параметры наиболее распространенных терморезисторов и обозначения их градуировок по ГОСТ 6651-8 4 приведены в табл. 4.2.

Номинальные функции преобразования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651-84.

Схемы включения металлических терморезисторов. Термометр сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором, включены последовательно.

Таблица 4.2.
 

Термометры сопротивления платиновые				Термометры сопротивления медные
Сопротивление при ° С (R0)	Градуировка	Диапазон измерения, ° С	Сопротивление при ° С (R0)		Градуировка	Диапазон измерения, ° С
10	10П	От -200 до +750	10		10М	От -50 до 200
50	50П	От –260 до + 1000	50		50М	От -50 до 200
100	100П	От 260 до +1000	100		100М	От -200 до 200

Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.

Вторичные преобразователи термометров сопротивления выполняются такими, чтобы максимально уменьшить эту погрешность. Если требуется наибольшая точность измерения температуры, например при метрологических работах, используется компенсационная схема, приведенная на рис. 4.42. По этой схеме применяют четырехзажимные платиновые терморезисторы. Провода 1 – 1 используются для подвода тока, а два других 2 – 2 служат для измерения падения напряжения U_t на термочувствительной обмотке. Падение напряжения U_t измеряется с помощью потенциометра. Измеряется также падение напряжения U₀ на образцовой катушке R₀ . Сопротивление терморезистора при этом равно

(4.146)

Благодаря компенсационному методу измерения отсутствует падение напряжения на проводах, соединяющих термометр с потенциометром, и их сопротивление не влияет на результат измерения.

В менее ответственных случаях для измерения сопротивлений терморезисторов используются мосты: в лабораторной практике – с ручным уравновешиванием, в производственных условиях – автоматические. Упрощенная схема автоматического моста показана на рис. 4.43. Измерительная цепь представляет собой мост, состоящий из манганиновых резисторов R1 – R3 и терморезистора R_t . Напряжение питания моста Е. Перемещением движка реохорда R_p добиваются уравновешивания моста. Если мост не уравновешен, напряжение измерительной диагонали усиливается и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя через редуктор соединен с движком реохорда и перемещает его так, чтобы напряжение разбаланса уменьшалось. Перемещение продолжается до тех пор, пока мост не будет уравновешен. В автоматических мостах движок реохорда связан с отсчетным устройством, с записывающим устройством, регистрирующим текущие значения температуры на диаграммной бумаге, с устройством регулирования температуры а также с устройством дистанционной передачи показаний. Погрешность автоматических мостов аналогична погрешности автоматических потенциометров.

Термометр сопротивления может подключиться к мосту с помощью двух– или трехпроводного кабеля. Двухпроводный кабель дешевле, однако при его использовании сопротивления обоих проводов включаются последовательно с термометром в одно плечо. Токоведущие жилы кабеля выполнены из медного провода: при изменении температуры их сопротивление изменяется, что вносит погрешность в измерение. Двухпроводный кабель используется в тех случаях, когда его температура постоянна и погрешность, обусловленная ее изменением, незначительна.

При включении термометра по трехпроводной схеме (рис. 4.43) по одной жиле кабеля к термометру подводится напряжение питания. К плечам моста термометр подсоединяется с помощью двух других жил, включенных в смежные плечи моста. Одинаковые изменения их сопротивлений практически не разбалансируют мост. Таким образом, исключается погрешность, которая могла бы быть при изменении температуры кабеля.

В качестве вторичных приборов для термометров сопротивления в промышленности применяются также логометрические приборы.

Сопротивление терморезистора определяется его температурой. Последняя зависит не только от температуры окружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4 ° С, а платинового – 0,2° С. Для этого ток не должен превосходить 10 – 15мА.

Полупроводниковые терморезисторы. Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора – термистора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Их функцию преобразования (рис. 4.44) обычно аппроксимируют выражением

(4.147)

где R_t – сопротивление термистора при температуре Т в кельвинах; А и В – постоянные, зависящие от материала и технологии, причем А зависит, кроме того, от размеров термистора и его формы.

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20 ° С) от 1 до 200кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от -1 00 до 120 – 600 ° С. Их чувствительность в 6 – 10 раз больше, чем чувствительность металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Имеются термисторы, выполненные в виде шариков диаметром от 0,006 до 2,5мм. Теплоемкость таких термисторов на несколько порядков меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоемкость обусловливает малую инерционность термисторов. Имеются термисторы с постоянной тепловой инерцией несколько миллисекунд. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик. В течение первой недели их сопротивление может измениться на1 – 1,5%, а за несколько месяцев еще на 1%. В дальнейшем изменение сопротивления термистора происходит медленнее, не превышая 0,2% в год.

Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей. Ко вторичному прибору термисторы подсоединяются с помощью двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствительность термистора много больше сопротивления линии связи и ее чувствительности к изменению температуры.

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонтированного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы находят в различных приборах для температурной коррекции характеристик приборов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е = vh, где v – частота света; h – постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота v _{гр = Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны} l _{гр = с/vгр , где с – скорость света, – длинноволновым порогом фотоэффекта. Если} l >l _{гр , то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.}

_{Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое заполнение. Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполненных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных.}

_{Фотоэлектронный умножитель (ФЗУ) – это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 4.45. Свет падает на фотокатод ФК, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется диафрагмой Д и направляется на ускоряющий электрод}- динод Э₁ . Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Э₁ , направляется на следующие диноды Э_{2 –} Э₅ , усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЗУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления R _{н. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения} R₁ – R₈ . Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10^-5 лк).

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых l _гр = 2,7мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

(4.148)

где I _{ф? -} фототок; U – напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис. 4.46, а. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

(4.149)

где R _т – темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R₂₀₀ – сопротивление при Е = 200лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис. 4.46, б), т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Инерционность характеризуется постоянной времени t . У сернисто-кадмиевых преобразователей t лежит в пределах 1 – 140мс, у селенисто-кадмиевых – 0,5 – 20мс.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Фотогальванические преобразователи представляют собой фотоэлектронные приборы с p-n -переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в n -слое. Это приводит к усилению их диффузии к р-n-переходу и в самом переходе. У диода, подключенного к запирающему напряжению (рис. 4.47, а), под действием света возрастает обратный ток. Вольтамперная характеристика германиевого фотодиода приведена на рис. 4.47, б. При отсутствии освещения она не отличается от характеристики обычного диода, а при освещении смещается вверх пропорционально величине светового потока.

Наиболее распространены германиевый и кремниевые фотодиоды.

Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых фотодиодов до l _гр = 2мкм, для кремниевых до l _гр = 1,2мкм).

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь подключают к запирающему напряжению (рис. 4.47, а). При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения U _н на сопротивлении R _{н. Напряжение} U _н и чувствительность можно определить по ВАХ и нагрузочной прямой (рис. 4.47, б). Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линейна. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обычно они работают в режиме, близком к короткому замыканию.

Полный ток фотодиода I можно рассматривать как сумму

(4.150)

где I _{ф – фототок, определяемый световым потоком Ф;} S – чувствительность.

Значение темнового тока I _т сильно зависит от температуры. Фотодиоды – малоинерционные преобразователи. Их постоянная времени имеет порядок 10^{-7 – 10-8} с.

В генераторном режиме фотодиод включают по схеме, приведенной на рис. 4.48, а, и он сам является источником тока. Фототок, напряжение на нагрузке U _н и чувствительность можно определить по ВАХ, приведенной на рис. 4.48, б.

Особенности применения фотоэлектрических преобразователей для измерения несветовых величин. Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях.

1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов.

2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах.

3. При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.

Меньшую погрешность имеют дифференциальные схемы с одним фотоэлектрическим преобразователем (рис. 4.50, а). По этой схеме лучи света с одного и другого каналов попеременно освещают фотоэлектрический преобразователь 1. Коммутация осуществляется с помощью диска 2 , имеющего отверстия и вращающегося с постоянной скоростью при помощи синхронного двигателя СД Световой поток, падающий на фотоэлектрический преобразователь, модулирован и изменяется во времени, как показано на рис. 4.50, б. Переменная составляющая светового потока

(4.151)

где Ф_п – световой поток, прошедший через объект измерения 3 ; Ф_о – образцовый световой поток, прошедший через оптический клин 4.

Переменная составляющая светового потока преобразуется в переменное напряжение и усиливается. В рассматриваемом приборе оба канала дифференциальной измерительной цепи различаются меньше, чем в предыдущем, и лучше компенсируются аддитивные погрешности.

Вследствие модуляции светового луча уменьшается частотный диапазон прибора, увеличивается его инерционность. При таком способе измерения измеряемый частотный диапазон ограничивается частотой модуляции, причем верхняя частота диапазона должна быть на порядок меньше частоты модуляции. В качестве оптического модулятора обычно применяется электромеханическое устройство. Его использование усложняет прибор и уменьшает надежность.

Дифференциальные оптические приборы могут использоваться как приборы с ручной компенсацией. В этом случае оптический клин соединяется со стрелкой, перемещающейся по шкале прибора. При измерении оптический клин перемещается до тех пор, пока выходное напряжение (U _вых на рис. 4.49) и переменная составляющая напряжения (U _{вых на рис 450, а) не будут равны нулю. При этом измерительный и образцовый световые потоки равны между собой, и по положению оптического клина можно судить о значении измеряемой величины.}

_{В приборах с автоматической компенсацией напряжение, пропорциональное разности световых потоков D Ф, подается на реверсивный двигатель, который автоматически перемещает оптический клин в нужную сторону.}

На рис. 4.51, а схематически показана ионизационная камера. Она состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, заполненного газом, и металлического электрода 2 , расположенного по оси корпуса и изолированного от него изолятором 3 . Корпус служит катодом и заземлен, электрод служит анодом. При помещении камеры в пространство с ионизирующим излучением находящийся в ней газ ионизируется. Если к электродам приложить напряжение U, то ионы газа образуют ток. ВАХ камеры при некоторой постоянной интенсивности излучения приведена на рис. 4.51, б. Пока напряжение и ток малы, а количество ионов значительно больше, чем необходимо для обеспечения этого тока, ток возрастает пропорционально напряжению. С увеличением напряжения пропорциональность нарушается и при изменении напряжения от U_A до U_B ток не меняется. В этом диапазоне напряжений все ионы доходят до электродов и участвуют в создании тока.

Повышение напряжения не увеличивает числа носителей. При дальнейшем увеличении напряжения возрастает скорость ионов, и если оно превышает U_B , то энергия ионов становится достаточной для вторичной ионизации газа. При этом возрастает число носителей, а также и ток камеры. Ионизационные камеры работают на участке АВ ВАХ. С увеличением излучения ток камеры возрастает.

Конструкция камеры, состав и давление газа зависят от ее назначения, а также от вида и энергии ионизирующих частиц. При работе с a -частицами, имеющими малую длину пробега, источник излучения помещают внутри камеры.

Газоразрядные счетчики представляют собой ионизационную камеру, работающую при напряжении большем, чем U_B на рис. 4.51, б. Они бывают двух типов: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера. Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный балахон, по оси которого натянута тонкая металлическая проволока – анод. На цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытия – катод. Прикладываемое к электродам напряжение создает в межэлектродном пространстве поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникший под действием ионизирующей частицы или излучения в области малой напряженности, дрейфует к аноду, при этом его скорость и энергия возрастают. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, энергия возрастает настолько, что электрон становится способным сам ионизировать газ. Эта ионизация увеличивает число вторичных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 10^{3 -104} , а иногда более чем в 10⁶ раз. Газовый разряд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным газовым разрядом, он возникает при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее прекращении. Как и в ионизационных камерах, импульс тока пропорционален энергии ионизирующего излучения.

К электродам счетчика Гейгера–Мюллера подается еще большее напряжение. Под действием излучения происходят процессы, аналогичные процессам в пропорциональном счетчике. Однако в прианодной области под действием увеличенной напряженности поля энергия электронов настолько возрастает, что возникает самостоятельный коронный разряд. Возникшее ультрафиолетовое излучение выбивает из катода электроны, они ионизируют газ и поддерживают возникший разряд. Для того чтобы можно было зарегистрировать приход новой ионизирующей частицы или кванта излучения, разряд должен быть погашен. Гашение производится либо специальной схемой, которая уменьшает напряжение на счетчике, либо вследствие процессов, происходящих внутри его. Счетчики первого типа называются несамогасящимися, второго – самогасящимися. Самогасящиеся счетчики наполняются газовой смесью специального состава, которая поглощает ультрафиолетовое излучение и способствует прекращению разряда.

Импульсы тока в счетчике Гейгера-Мюллера возникают при попадании в него ионизирующих квантов или частиц. Амплитуда импульсов постоянна и от энергии ионизирующих агентов не зависит; от интенсивности излучения зависит лишь средняя частота импульсов.

Ионизационные камеры и газоразрядные счетчики могут работать в токовом или импульсном режиме. В первом измеряются средний ток преобразователя, численно равный общему заряду всех ионов, образованных за одну секунду. У ионизационной камеры ток составляет 10^{-10 – 10-15} А. Для его измерения последовательно с преобразователем включают нагрузочное сопротивление порядка 10^{9 – 1010} Ом и напряжение на нем измеряют с помощью усилителя постоянного тока. У пропорциональных счетчиков выходное напряжение имеет порядок 10В.

В импульсном режиме измеряются амплитуды импульсов тока, соответствующих каждому акту ионизации, и их частота. Амплитуда импульсов тока ионизационной камеры и пропорционального счетчика пропорциональна числу ионов и характеризует энергию, потерянную ионизирующим излучением или частицей в камере. Ионизационные камеры часто используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, имеющих малую длину пробега. При их торможении в камере амплитуда импульсов пропорциональна полной энергии частицы, частота импульсов пропорциональна интенсивности излучения.

Полупроводниковый детектор (рис. 452) – это ионизационный преобразователь, представляющий собой монокристалл полупроводника (германия) с р-i-n - переходом. Проводящий слой с собственной проводимостью (i -проводимостью) выполнен путем диффузии лития в монокристалл германия. Измеряемое излучение ионизирует слой с собственной проводимостью и увеличивает в нем число электронов и дырок, что приводит к увеличению проводимости. Под действием напряжения, приложенного к р– и n- слоям, возникает импульс тока. Число носителей, а следовательно, и амплитуда импульса тока пропорциональны энергии излучения, средняя их частота пропорциональна интенсивности. Характеристики полупроводникового детектора подобны характеристикам пропорционального счетчика.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора – твердого тела, которое под действием излучения дает вспышку света, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Яркость вспышки, а следовательно, и импульс фототока ФЭУ определяются энергией частицы или излучения, поглощенной сцинтиллятором, их средняя частота – интенсивностью излучения.

Особенности применения ионизационных преобразователей. Измерительные приборы с ионизационными преобразователями могут использовать в своей работе либо меченые атомы, либо источники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для изучения поведения веществ и тел в различных физических, химических и физиологических процессах. Их применение основано на том, что радиоактивные изотопы элементов идентичны стабильным изотопам. Радиоактивные изотопы добавляются к стабильным и участвуют в процессе наряду со стабильными. Местонахождение и количество радиоактивных изотопов определяются с помощью ионизационных преобразователей.

Приборы с источниками излучения служат для измерения неэлектрических величин, таких, как толщина материала, уровень жидкости, расход жидкости и пр. В этих приборах используется зависимость интенсивности излучения от измеряемой величины.

Приборы с ионизационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые обеспечили их распространение. Эти приборы используют радиоактивные источники, излучение которых стабильно. На излучение не влияет изменение внешних условий: температуры, давления, напряжения питания, наличие агрессивных сред и т. п. Интенсивность изменяется только вследствие естественного распада ядер радиоактивного изотопа.

Благодаря большой проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится в тяжелых эксплуатационных условиях (высокие температуры и давление, агрессивная среда и т.п.).

Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако разработка и использование высокочувствительных детекторов (сцинтилляционных и полупроводниковых) и снижение интенсивности рабочего излучения делают ионизационные приборы практически безопасными.

Приборы, использующие радиоактивные изотопы, имеют специфические источники погрешностей. С течением времени в результате естественного радиоактивного распада интенсивность излучения уменьшается, так что

(4.152)

где J₀ – начальная интенсивность; Т_{0,5 –} период полураспада источника излучения.

Снижение интенсивности создает возрастающую погрешность

(4.153)

Для ее уменьшения следует периодически увеличивать чувствительность прибора.

Другая погрешность обусловливается случайным характером ядерного распада. Случайны как время распада, так и направление траектории радиоактивной частицы или кванта излучения. Случайный характер носят также захват и торможение излучения веществом ионизационного преобразователя. Вследствие этого последовательность импульсов преобразователя имеет непериодический, случайный характер. Если время подсчета импульсов мало, то количество импульсов может сильно различаться при повторении измерений даже при неизменных условиях. При увеличении времени подсчета происходит усреднение, и относительная вариация показаний прибора и погрешность уменьшается.

Электролитический преобразователь (рис. 4.54) представляет собой два электрода 1, погруженные в раствор 2 . Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователя R обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита g :

(4.154)

Коэффициент k называется постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением g .

Электрические преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи и часто работают с автоматическими мостами. Сопротивление преобразователей сильно зависит от температуры. Для компенсации этой зависимости последовательно с электролитическим преобразователем включаются терморезисторы.

Питание моста с электролитическими преобразователями производится напряжением переменного тока с промышленной частотой или частотой в несколько килогерц. Если электролитические преобразователи питать напряжением постоянного тока, то будет происходить электролиз раствора и изменится его концентрация в приэлектродных областях. Постоянный ток производит также поляризацию электродов. То и другое явления создают погрешность.

Для повышения стабильности преобразователя его электроды должны быть химически инертны по отношения к исследуемому раствору. Они выполняются из платины, нержавеющей стали или графита. Загрязнение электродов, изменение их активной площади вызывают погрешность.

Более надежны бесконтактные электролитические преобразователи, токоведущие элементы которых изолированы от электролита. На рис. 4.55, а показан высокочастотный бесконтактный преобразователь. Он представляет собой стеклянную трубку с тремя цилиндрическими камерами, через которую протекает исследуемый раствор. На внешнюю цилиндрическую поверхность камер наносится металлическое покрытие, служащее электродом. Два крайних электрода 1, 2 соединены вместе и заземлены, средний электрод 3 подключается к измерительной цепи. Эквивалентная схема приведена на рис. 4.55, б. На этой схеме R₁ и R₂ – сопротивления раствора в левой и правой трубках; С_р1 и С_р2 – емкости раствора в соответствующей трубке; С₁ , С₂ , С₃ – емкости между соответствующим электродом и раствором. В конденсаторах С_р1 и С_р2 - диэлектриком служит раствор, в конденсаторах С₁ , С₂ , С₃ – стекло. Преобразователь питается напряжением с частотой несколько мегагерц.

Гальванические преобразователи. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может служить для определения их концентрации.

Конструктивно гальванический преобразователь (рис. 456) состоит из двух полуэлементов 1 и 2, которые гальванически соединены между собой электрическим ключом 3 . Полуэлемент представляет собой сосуд с раствором электролита, в который погружен металлический электрод. В одном полуэлементе находится раствор, концентрация которого измеряется, в другом – раствор с известной концентрацией. Электролитический ключ – это трубка, заполненная раствором КС1 и закрытая с двух сторон полупроницаемыми пробками из ваты или асбеста. ЭДС преобразователя Е, измеряемая между двумя электродами, определяется неизвестной концентрацией.

Большое значение имеет определение концентрации ионов водорода Н⁺ в растворах. Чистая дистиллированная вода, хотя и немного, но диссоциирована на ионы. Согласно закону действующих масс и вследствие малой диссоциации воды ионное произведение воды

(4.155)

где а_H⁺ и а_{OH^– –} концентрация ионов Н⁺ и ОН^- , выраженные в моль/л.

Ионное произведение воды – величина постоянная, при 22° С равная 10^-14 . Если в воде растворить кислоту, то при диссоциации ее молекул концентрация ионов Н⁺ возрастает и, следовательно, уменьшается концентрация ионов ОН^- . Растворение оснований изменяет концентрации Н⁺ и ОН^- противоположным образом. Концентрация ионов водорода характеризует кислотность раствора. Кислотность влияет на протекание многих химических реакций и биохимических процессов. Единицей ее измерения служит водородный показатель

(4.156)

В качестве примера в табл. 4.3 приведены величины рН для различных концентраций соляной кислоты и едкого натра.

Приборы, служащие для измерения водородного показателя, называются рН-метрами. Их первичными преобразователями служат гальванические преобразователи, в которых роль металла играет водород, роль металлических ионов – ионы Н^+.

Типичным полуэлементом рН-метра является водородный электрод 1 на рис. 4.57. Он представляет собой стеклянный сосуд с электролитом, в который погружена пластинка, покрытая мелкодисперсной платиной (платиновой чернью). Снизу на пластинку подается газообразный водород. Он адсорбируется платиной и частично в виде ионов Н⁺ переходит в раствор. Вследствие оставшихся на пластинке электронов она имеет отрицательный потенциал относительно раствора.

Таблица 4.3. Таблица зависимости значений рН от концентрации растворов
 

Раствор электролита	Концентрация раствора, моль/л	Содержание ионов Н+ , г/л	pH
Концентрированная соляная кислота НС1	0,1	1	0
Концентрированная соляная кислота НС1	0,1	10-1	1
Разбавленная соляная кислота НС1	0,0001	10-4	4
Чистая вода (нейтральный раствор)	-	10-7	7
Разбавленная щелочь  NaOH	0,0001	10-10	10
Разбавленная щелочь	0,01	10-12	12

Для измерения кислотности используют два полуэлемента. Один полуэлемент 1 заполняется электролитом с известной концентрацией, другой 2 – электролитом, значение рН которого нужно измерить. Развиваемая между электродами разность потенциалов Е определяется выражением

(4.157)

где С – постоянная; Т – температура, К, (a_H⁺)_x – измеряемая концентрация ионов Н^{+, (a_H+)₀ –} концентрация ионов Н⁺ образцового раствора.

Если в качестве образцового используется раствор с нормальной концентрацией ионов Н⁺ (1 г/л) и измерение производится при 18° С, то разность потенциалов

(4.158)

Водородный электрод позволяет измерять рН в пределах от 0 до 14 с высокой точностью. Однако через преобразователь необходимо непрерывно пропускать газообразный водород. В настоящее время имеются стеклянный, хлорсеребряный и другие рН-метры, лишенные этого недостатка.

Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно производиться при минимальном токе, поскольку при протекании тока происходит электролиз и изменяется концентрация раствора в приэлектродной области, что создает погрешность. Кроме того, при протекании тока происходит падение напряжения на довольно большом внутреннем сопротивлении преобразователя, что также вносит погрешность в измерение ЭДС. ЭДС рН-метров измеряется либо электронными вольтметрами с большим входным сопротивлением, либо с помощью потенциометров с ручным или автоматическим уравновешиванием.

ЭДС гальванического преобразователя зависит от температуры. Для уменьшения погрешности автоматические рН-метры имеют термокорректирующие цепи.

Модуль, преобразующий измеряемую величину, может быть агрегатно соединен с модулем, преобразующим силу или перемещение в унифицированный электрический сигнал. Первичный и вторичный модули образуют датчик.

Для преобразования промежуточной величины в унифицированный электрический сигнал наибольшее применение нашли электросиловой (с силовой компенсацией), дифференциально-трансформаторный и магнитомодуляционный датчики.

Датчики ГСП с электросиловым преобразователем (с силовой компенсацией). Схема датчика приведена на рис. 4.58. Сила F, развиваемая первичным преобразователем (модулем), через рычажную систему, состоящую из рычагов 1, 2, передается на рычаг 3 . На этом рычаге смонтирован сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5 и катушка 6 магнитоэлектрического обратного преобразователя 7 . Рычажная система преобразует силу F в силу F₁ = kF, приведенную в катушке 6 . Коэффициент k равен передаточному отношению рычажного механизма. Сила F₁ вызывает перемещение якоря дифференциально-трансформаторного преобразователя x . При этом на его выходе появляется напряжение U = k₁x . Напряжение усиливается усилителем 8 и преобразуется в ток I = k₁k₂ х =S_1x , где S₁ – чувствительность прямого преобразователя, k₂ коэффициент усиления усилителя. Ток проходит через сопротивление нагрузки R _н и обмотку преобразователя обратной связи 6 . Под действием тока обратный преобразователь развивает силу, пропорциональную току I и стремящуюся уменьшить перемещение х:

(4.159)

где S₂ – чувствительность обратного преобразователя.

Обратный преобразователь развивает силу, аналогичную силе упругости обычной пружины, коэффициент W характеризует ее жесткость.

Сила F₁ перемещает сердечник до тех пор, пока она не уравновесится силой обратного преобразователя F _ос. Выходной ток преобразователя

(4.160)

при равновесии пропорционален силе F₁.

Структурная схема преобразователя может быть представлена, как показано на рис. 4.5. В § 4.1.4 было показано, что если W = S₁S₂ ” 1, то характеристика преобразователя полностью определяется преобразователем обратной связи. Изменение характеристик прямого преобразователя 1 мало влияет на характеристики сложного преобразователя с обратной связью. Погрешность сложного преобразователя (4.49) в основном определяется погрешностью преобразователя 2 обратной связи. Когда требуется линейная функция преобразования сложного преобразователя силы в унифицированный электрический сигнал, в качестве преобразователя 2 применяется магнитоэлектрический преобразователь. Известно, что он является наиболее точным электромеханическим обратным преобразователем с линейной функцией преобразования.

В некоторых случаях, например для построения расходомеров с сужающими устройствами, требуется функция преобразования . В этом случае в качестве обратного применяется электромагнитный преобразователь. При фиксированном перемещении якоря его функция преобразования имеет вид

(4.161)

Поскольку при равновесии подвижной части F₁ = F _ос, то

(4.162)

где .

Чувствительность преобразователя силы (см. рис. 4.58) может в случае необходимости изменяться при настройке в некоторых пределах. Это изменение производится путем изменения передаточного отношения рычажного механизма посредством перемещения подвижной опоры 9 вдоль Глазного рычага 2 . Предел изменения входной силы F можно изменять от 5 до 50Н. Для коррекции нулевого положения подвижной системы и для балансировки веса деталей и узлов, присоединенных к преобразователю, имеется регулировочная пружина 10.

Диапазон изменения выходного тока составляет 0 – 5 или 0 – 20мА. Основная приведенная погрешность не превышает ± 0,4 или ± 0,6%. Погрешность не выходит за пределы основной, если сопротивление линии связи между преобразователем и нагрузкой не превышает 1кОм. Включив в качестве сопротивления нагрузки резистор с номинальным значением 2кОм или 500Ом, можно получить унифицированное значение выходного сигнала с предельным значением 10В.

На основе электросилового датчика, агрегатно подсоединяя к нему различные первичные модули, образуют датчики большого числа различных физических величин. Наиболее широкий ряд образован различными датчиками давления или разрежения: датчиками абсолютного (барометрического) и избыточного давления, разности давлений. Датчики разности давлений могут использоваться для измерения напора жидкости или газа в трубах или тяги в дымоходах. В этом случае они называются датчиками напорометров или тягомеров.

Перечисленные датчики имеют линейную функцию преобразования. Датчики разности давления могут использоваться в расходомерах с сужающим устройством. В этом случае датчик разности давлений называется датчиком расходомера. Он имеет функцию преобразования (см. § 4.3.3)

(4.163)

где k – коэффициент пропорциональности; p₁ и p₂ – давление до и после сужающего устройства.

Первичными измерительными преобразователями в перечисленной группе датчиков служат сильфоны или упругие манометрические трубки. Когда в них подается давление, они деформируются и развивают силу, воздействующую на рычаг 1. Эта сила компенсируется силой, развиваемой электросиловым преобразователем. Диапазоны измерения датчиков давления лежат в пределах от 400Па до 10кПа, классы точности 0,6 и 1,0.

На основе электросилового преобразователя разработан ряд буйковых уровнемеров. Принципиальная схема уровнемера типа УБ-Э приведена на рис. 4.59, где применены те же цифровые обозначения, что и на рис. 4.58. Буек 11 представляет собой цилиндр, погруженный в резервуар, уровень жидкости в котором нужно измерить. Эффективный вес буйка зависит от уровня его погружения, поскольку на него действует выталкивающая сила жидкости. Эффективный вес буйка с помощью рычажной системы приводится к Т-образному рычагу 1 электросилового преобразователя и уравновешивается им. Начальный вес подвижной системы уровнемера уравновешивается противовесом 12. Коррекция нуля прибора осуществляется изменением натяга пружины 10. Диаметр буйка может изменяться от 140 до 6мм, длина – от 0,04 до 16м.

В уровнемерах этого типа верхний предел измерения уровня жидкости может изменяться от 0,02 до 16м. Класс точности прибора с диапазоном измерения до 1 м составляет 1,0 или 1,5 . При большем пределе измерения он составляет 1,5.

Датчики с электросиловыми преобразователями используются и для измерения температуры (подобно манометрическим термометрам). В зоне, где необходимо измерить температуру, помещается баллон с определенным газом или жидкостью. Баллон с помощью капилляра соединяется с манометрическим элементом датчика давления. При изменении температуры изменяется давление в баллоне, капилляре и в манометрическом элементе. Изменение давления вызывает изменение выходного тока электросилового преобразователя. Диапазон измерения таких манометрических приборов лежит в пределах от 0 – 25 до 0 – 300° С. Имеются приборы с диапазоном от –50 до +150° С. Класс точности термометра может быть 1,0; 1,5; 2,5. Длина капилляра не превышает 2,5м.

Дифференциально-трансформаторные датчики. В датчиках рассматриваемого типа модуль, образующий унифицированный электрический сигнал, состоит из дифференциально-трансформаторного преобразователя и электронного блока. Структурная схема модуля приведена рис. 4.60. Входной величиной модуля является перемещение ферромагнитного якоря.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь 1 питается напряжением прямоугольной формы от электронного генератора 2.

При достаточно большой индуктивности обмоток преобразователя 1 и достаточно большой частоте питающего напряжения токи в обмотках изменяются линейно, а выходное напряжение дифференциально-трансформаторного датчика имеет форму, близкую к прямоугольной. Амплитудное значение напряжения пропорционально смещению х якоря относительно нулевого положения. В зависимости от знака смещения это напряжение может быть в фазе или в противофазе с питающим напряжением.

Выходное напряжение преобразователя 1 подается на фазочувствительный выпрямитель 3 . Это управляемый выпрямитель, причем полярность выпрямленного напряжения зависит от совпадения или несовпадения фаз входного напряжения U _вх и управляющего U _у. Управляющее напряжение подается от генератора 2 и имеет постоянную фазу. Фаза входного напряжения изменяется на 180° при изменении знака смешения якоря. Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя пропорционально смешению якоря и имеет полярность, зависящую от его направления. Это напряжение усиливается усилителем 4 и преобразуется в унифицированный токовый сигнал 0 – 5мА. Для увеличения стабильности усилитель имеет отрицательную обратную связь. Изменением глубины обратной связи регулируется максимальное значение выходного тока. Все элементы схемы питаются от сети переменного тока через источник стабилизированного напряжения 5.

На основе описанного датчика выпускается семейство датчиков давления и перепада давления, аналогичное семейству датчиков давления и перепада давления с силовой компенсацией. Зависимость тока от измеряемой величины линейная. Класс точности может быть от 0,6 до 1,5. Сопротивление линии связи может быть любым в пределах 2,5кОм. Достоинством датчиков является большой срок службы, который составляет 10 лет.

Магнитомодуляционные датчики. Схема модуля с магнитомодуляционным преобразователем приведена на рис. 4.61. Он состоит из магнитомодуляционного преобразователя (рис. 4.61, а) и электронного блока (рис. 4.61, б). Магнитомодуляционный преобразователь имеет две катушки, намотанные на кольцевые ферромагнитные сердечники. Соосно с катушками в соответствии со значением измеряемой величины перемещается постоянный магнит N – S. Его перемещение вызывает изменение индукции в сердечниках катушек и, следовательно, индуктивности катушек. Например, при перемещении сердечника вправо индукция в катушке А уменьшается, а в катушке В возрастает. При этом в соответствии с кривой намагничивания магнитная проницаемость сердечника катушки А возрастает, а у сердечника В падает. Это вызывает увеличение индуктивности катушки А и уменьшение индуктивности катушки В. Катушки А и В включены в схему моста переменного тока с выпрямителем. Выпрямленное напряжение на конденсаторе С₁ пропорционально перемещению магнита, а его полярность зависит от направления перемещения. Это напряжение усиливается усилителем постоянного тока, построенного на интегральном усилителе VT₁ и транзисторе VT₂ , и преобразуется в ток, который через линию дистанционной передачи поступает в сопротивление нагрузки R _{н. Ток} I _ос, пропорциональный току нагрузки I _{н, поступает в обмотку обратной связи, размещенную на магнитопроводе магнитомодуляционного преобразователя, Созданный этим током магнитный поток компенсирует изменение магнитного потока, вызванное перемещением постоянного магнита, т. е. обеспечивает действие обратной связи. Благодаря этой связи уменьшается погрешность, вызванная нестабильностью усилителя, гистерезисом магнитомодуляционного преобразователя и другими причинами.}

_{Сопротивление нагрузки Rн вместе с сопротивлением линии связи для преобразователей с диапазоном изменения тока} I _н= 0 ? 5мА не должно превышать 2,5 кОм, а для преобразователей с I _н= 0 ? 20мА не должно превышать 1кОм.

Магнитомодуляционные преобразователи используются для построения датчиков давления и разности давлений, аналогичных датчикам с электросиловым преобразователем.

Основная приведенная погрешность не превышает 0,6; 1,0 или 2,5 %.