13. Измерение как метод познания природных процессов.
Измерительные преобразователи, их виды и применение.
Общая структура измерительных устройств
В процессе изучения природных явлений или в процессе производства различных изделий необходимо определять и численно оценивать их физические параметры. Для этого случат измерительные преобразователи или датчики физических величин.
Преобразователи измерительные (датчики) — средства измерения, преобразующие измеряемую неэлектрическую величину в другую физическую величину, удобную для использования человеком или автоматическим устройством.
В преобразователе необходимо различать первичное и вторичное преобразования измеряемой физической величины.
К первичному преобразованию относятся чувствительные элементы, непосредственно воспринимающие измеряемую физическую величину. Например, для измерения давления служат мембраны, анероидные коробки, сильфоны и т. п. Их задача — воспринять давление и преобразовать в механическое перемещение, которое более удобно для дальнейшего — вторичного преобразования в электрическую величину.
Основных видов первичных преобразователей два:
— преобразователи, в которых измеряемая величина преобразуется в линейное или угловое перемещение;
— преобразователи, использующие изменение электрических свойств чувствительного элемента при изменении измеряемой величины.
Принципиально существуют и другие виды преобразователей, например, химические или тепловые, но они не нашли широкого применения.
По виду выходного параметра преобразователи делятся на параметрические и генераторные.
Выходной величиной параметрического преобразователя является пассивный параметр электрической цепи — сопротивление, емкость, индуктивность и пр. Их применение в измерительных схемах требует вспомогательного источника питания. Наибольшее применение нашли параметрические преобразователи следующих видов:
— реостатные, основанные на зависимости величины сопротивления от положения подвижной щетки реостата (потенциометра). Применение — при измерении неэлектрических параметров, которые могут быть преобразованы в линейные или угловые перемещения, например, давлений с помощью анероидиых коробок, если при этом не требуется высокая точность.
— тензометрические, основанные на зависимости величины сопротивления от растяжения чувствительного элемента — тензометрического датчика, представляющего собой петлеобразно уложенную тонкую и длинную металлическую проволоку диаметром 0,02-0,05 мм, приклеенную на объект измерения. Применение — для измерения деформаций, механического напряжения, давлений и т. п.;
— термочувствительные, использующие зависимость сопротивления от температуры, выполняются в виде катушек из тонкой, обычно медной проволоки. Применение — для измерения температуры в замкнутом объеме, для измерения температуры потоков газа или жидкости и т. п.;
— индуктивные, использующие зависимость между индуктивностью или взаимной индуктивностью обмоток от положения отдельного элемента магнитопровода, перемещение которого определяется чувствительным элементом. Обладают высокой точностью. Применение — для измерения перемещений, давлений и т. п.;
— емкостные, использующие зависимость между емкостью конденсатора и размером и расположением его обкладок, а также диэлектрической проницаемостью среды. Обладают высокой чувствительностью, малой инертностью и высокой точностью. Применение — для измерения уровня жидкости, влажности веществ, малых перемещений;
— электролитические, использующие зависимость между электрическим сопротивлением электролита и его концентрацией. Применение — для измерения концентрации растворов;
— ионизационные, использующие зависимость между сопротивлением газового промежутка и степени его ионизации. Применение — для измерения интенсивности излучения, механического перемещения (ионизационный манометр), измерения плотности и состава газа.
Выходной величиной генераторного преобразователя является активная электрическая величина — э.д.с. или ток. Такие преобразователи выдают измеренную величину в форме электрического сигнала одного из видов — в виде уровня электрического напряжения постоянного, переменного или импульсного тока. Информация содержится в одном из электрических параметров —
в амплитуде, в частоте или в фазе, в числе импульсов или закодирована в коде последовательного или параллельного видов. Наибольшее применение нашли генераторные преобразователи следующих видов:
— индукционные, основанные на электромагнитной индукции при перемещении постоянного магнита вблизи катушки, в которой возникает э.д.с. Применение — для измерения скорости линейных и угловых перемещений;
— пьезоэлектрические, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта (под действием механического напряжения на поверхности кристалла кварца или другого вещества возникает электрический заряд). Применение — для измерения параметров быстро меняющихся механических величин;
— теплоэлектрические, основанные на термоэлектрическом эффекте в цепи термопары (при различной температуре спаев двух проводников из разнородных материалов в цепи термопары возникает э.д.с.). Применение — для измерения температуры в широком диапазоне;
— гальванические, основанные на возникновении э.д.с., при электрохимическом взаимодействии электродов с раствором. Применение — измерение концентрации ионов в растворах и газах;
— фотоэлектрические, основанные на возникновении э.дс. в некоторых металлах и полупроводниках при их освещении. Применение — для измерения интенсивности излучения, например, света.
Вторичные преобразователи представляют собой некоторую измерительную схему, воспринимающую сигнал от первичного преобразователя и преобразующего в вид, удобный для потребителя. Такими преобразователями являются, например, преобразователи, преобразующие амплитуду напряжения в код, частоту в напряжение, частоту в код и т. п.
Таким образом, общую структуру измерительных устройств можно представить в виде последовательного соединения: первичного преобразователя, вторичного преобразователя и индикаторного (регистрирующего) устройства. В качестве индикаторных устройств в современных измерительных приборах используют цифровые индикаторы, а в качестве регистрирующих — устройства с электронной цифровой памятью.
14. Исследование природных процессов человеком.
Простейшие системы визуализации измеряемых сигналов
и информации. Электронные осциллографы, их назначение
Для изучения природных процессов нужно иметь возможность не только измерять их физические параметры, но и наблюдать за ходом их изменений. Для этого желательно визуализнровать эти процессы, т. е. сделать их доступными визуальному наблюдению.
Одним из простых и в то же время наиболее распространенных приборов для визуализации измеряемых сигналов, изменяющихся во времени, является электронный осциллограф.
Основным элементом электронного осциллографа является электроннолучевая трубка, которая представляет собой вакуумный баллом, расширяющийся на одном конце, на внутренней плоскости этого торца, служащего экраном, нанесен люминофор, светящийся при попадании на него электронов. Непосредственно перед экраном нанесен внутри балкона на его стенки токопроводящий слой, служащий анодом, на который через внешний электрод подается высокое — от 400 до 5000 Вольт положительное относительно катода напряжение.
На противоположном узком конце баллона расположен источник быстрых электронов — электронная пушка. Она состоит из катода, управляющего электрода я фокусирующего цилиндра. Электроны испускаются нагретым оксидным слоем, нанесенным на торец катода.
Электроны, вылетая из катода, устремляются к аноду, но по дороге фокусируются потенциалом фокусирующего цилиндра в узкий луч, конец которого достигает экрана, заставляя светится ту его точку, на которую упал пучок электронов.
На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин. При подаче напряжения на горизонтально расположенные пластины пучок отклоняется от отрицательно заряженной пластины и притягивается к положительно заряженной, отклоняясь от прямой линии вверх или вниз. При подаче напряжения на вертикально расположенные пластины пучок отклоняется от отрицательно заряженной пластины и притягивается к положительно заряженной, отклоняясь от прямой линии влево или вправо по горизонтальной линии.
Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.
Поскольку отклонение луча от центра экрана пропорционально значению напряжения, подаваемого на пластины, осциллограф может использоваться в качестве электроизмерительного прибора. Осциллограф предназначен для:
1) изучения процессов во времени;
2) определения фазовых соотношений двух изучаемых напряжений. Для исследования быстропеременных электрических процессов в осциллографе осуществляется развертка — равномерное перемещение электронного луча по горизонтали. Для этого напряжение на горизонтально отклоняющих пластиках должно изменяться линейно во времени, а для возвращения луча в исходное положение напряжение должно очень быстро падать до нуля, такая форма напряжения носит название пилообразной.