Лекции по электронике Полупроводниковые диоды Электронно-оптические приборы Электронные усилители и генераторы Трехфазные выпрямители Стабилизаторы Гальванические преобразователи

Гальванические преобразователи. Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, т.е. в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом. В электрохимии за условный нулевой электродный потенциал принят потенциал «водородного электрода». Электродные потенциалы относительно водородного электрода могут достигать для различных веществ ± 3 В. Например, электродный потенциал меди +0,34 В, цинка –0,76 В и т.д.

 Известно, что растворы кислот, солей и оснований можно характеризовать активностью водородных ионов или водородным показателем рН. Он представляет собой отрицательный логарифм активности водородных ионов в растворе 

 . (21.1)

 Наибольшее значение  любого водного раствора не превышает 14 ед., аммиачного – до 33 ед. и т.д.

 Определение  растворов состоит в измерении электродных потенциалов электродов, помещенных в исследуемый раствор. Для этого в раствор помещают два электрода – измерительный и вспомогательный. Электродный потенциал вспомогательного электрода при измерениях должен оставаться неизменным.

 Для изготовления измерительных электродов гальванических преобразователей применяют сурьму, стекло и платину. В некоторых случаях применяют угольные электроды. Платиновые и угольные электроды используют в приборах для измерения   < 9, сурьмяные – для  = 2...12.

 Пьезоэлектрические измерительные преобразователи. Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на явлении поляризации определенных кристаллов, возникающей в них при механических напряжениях (прямой пьезоэффект). Явление поляризации обратимо – электрическая поляризация кристаллов приводит к изменению их геометрических форм (обратный пьезоэффект).

  Пьезоэффект наиболее выражен в естественном кристалле кварца. Измерительная цепь с пьезоэлектрическим преобразователем должна иметь высокое входное сопротивление, чтобы заряды, возникающие при поляризации, особенно при низкой частоте деформации, не «стекали» через изоляцию преобразователя. Ввиду того, что сопротивление изоляции измерительных приборов имеет конечное значение, применять пьезоэлектрические преобразователи в приборах для измерения статических параметров невозможно.

 Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют различные материалы. Из них, кроме кварца, наиболее распространены турмалин (находит ограниченное применение вследствие высокой стоимости), сегнетова соль, а также ряд искусственных материалов – дигидрофосфат аммония, титанат бария, цирконат свинца и др. Основные свойства материалов, которые учитывают при изготовлении преобразователей – это механическая прочность и рабочий диапазон температур.

 Пьезоэлектрические преобразователи широко распространены в приборах для измерения быстроизменяющихся усилий, давлений, ускорений и перемещений.

  Резистивные измерительные преобразователи. Резистивные преобразователи представляют собой разновидность параметрических преобразователей, которые под воздействием измеряемой величины изменяют собственное электрическое сопротивление или сопротивление участка цепи. К числу резистивных преобразователей, кроме терморезисторов и фоторезисторов, рассмотренных раньше, относятся контактные, реостатные и тензорезисторы.

  Измерительные преобразователи, в которых измеряемая величина преобразуется в одно из двух состояний контактов (замкнутое или разомкнутое), называют контактными. Эти преобразователи под воздействием измеряемой величины коммутируют всю измерительную цепь прибора или ее часть. В простейшем случае контактный преобразователь представляет собой пару контактов, изменяющую свое состояние на противоположное при воздействии измеряемой величины. Для предохранения контактов от внешних воздействий (влажности, пыли и т.п.) их помещают в герметизированный стеклянный корпус (герконы). Изготовляют контакты из пермаллоя с покрытием контактирующих участков палладием, родием, серебром, золотом или их сплавами.

 Реостатные преобразователи представляют собой переменный резистор, подвижный контакт которого перемещается под воздействием измеряемой величины. Входным воздействием реостатного преобразователя могут быть линейное или угловое перемещение, а выходным сигналом – пропорциональное изменение электрического сопротивления.

 Реостатные преобразователи выполняют в виде провода, намотанного на каркасе из изоляционного материала, или в виде реохорда. Для этого используют провода из манганина, константана, нихрома, фехраля, а в некоторых случаях – из сплавов платины с иридием, палладием или рутением. Для изоляции витков преобразователя друг от друга провод покрывают эмалью или слоем окислов. Каркасы преобразователей изготовляют из текстолита, стеклотекстолита или иных термостойких изоляционных материалов.

 Функция преобразования реостатного преобразователя представляет собой зависимость выходного напряжения, вызванного изменением его сопротивления, от входного воздействия. Характер этой функции определяется соотношением перемещения подвижного контакта преобразователя и соответствующим изменением его сопротивления.

 Применяют реостатные преобразователи в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.

 Действие тензорезисторов основано на известном явлении тензоэффекта – свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при механической деформации. При этом считается, что сопротивление проводника (при неизменном объеме) зависит от его длины

 , (21.2)

где  – удельное сопротивление материала проводника;   – его длина;
 – площадь поперечного сечения.

 Таким образом, при механической деформации проводника изменение его электрического сопротивления вызывается изменением удельного сопротивления , его длины  или площади поперечного сечения .

 Для изготовления тензорезисторов используют константан, нихром и висмут. Большое распространение получили полупроводниковые материалы – кремний и его окислы. У полупроводниковых тензорезисторов в отличие от металлических чувствительность в несколько сотен раз выше. К тому же кремний имеет невысокий температурный коэффициент сопротивления.

Рис. 21.2

 Конструктивно тензорезисторы выполняют из металлической проволоки, фольги (рис. 21.2) или полупроводникового материала, наклеенных на тонкую бумагу или пленку лака. К концам тензочувствительного элемента припаивают (или приваривают) соединительные проводники из медной проволоки.

 Для применения тензорезисторы крепят на исследуемый объект при помощи различных клеев или лаков. Изменение сопротивления наклеенного тензорезистора, вызванное его деформацией совместно с поверхностью исследуемого объекта, обычно не превышает долей ома. Для измерения таких сопротивлений тензорезисторы, как правило, включают в мостовые схемы.

 Несмотря на то, что тензорезисторы сложно крепить на измеряемом объекте и практически невозможно использовать многократно, они просты, малоинерционны и имеют линейную функцию преобразования. Применяют тензорезисторы в приборах для измерения механических параметров сельскохозяйственных машин и оборудования.


Измерение тока и напряжения