Електричні методи вимірювання неелектричних величин

При метрологічних роботах і технологічних вимірюваннях параметрів широко використовуються електричні методи вимірювань неелектричних величин: температури, рівня, тиску, витрат, різних показників якості готової продукції і сировини. Це пов'язано з тим, що у більшості випадків технологічні лінії виготовлення продукції мають досить велику протяжність, і здійснювати одночасний контроль основних параметрів просто неможливо. Тому вимірювані технологічні параметри перетворюють в електричні величини-сигнали, які можна передавати на значні відстані. Перетворення неелектричних величин в електричні дозволяє спростити сам процес вимірювання, підвищити його точність і навіть виміряти величини, які раніше ніколи не вимірювалися. Перетворення неелектричних величин в електричні сигнали проводиться за допомогою вимірювальних перетворювачів. Лінійні переміщення, деформації чутливих елементів, перетворені в електричні сигнали, передаються на значну відстань і за допомогою відтворюючих засобів перетворюються у вимірювану величину.

Для вимірювання неелектричних величин досить широко використовуються такі електричні методи, як тензоелектричні, індукційні, фотоелектричні, п'єзоелектричні та ін.

Тензометричний метод ґрунтується на використанні тензорезисторів, які змінюють свій опір під дією деформацій механічних чутливих елементів (наприклад, мембран). Сучасні тензорезистори, які використовуються у засобах вимірювання тиску типу "Сапфір-22", виготовляються методом плазмового напилювання і забезпечують одержання результатів вимірювань тиску з досить високою точністю. Тензорезистори розміщуються на спеціальних сапфірній та металевій мембранах і під'єднуються до мостової схеми струмового перетворювача з уніфікованими сигналами 0-5; 0-20; 4-20 тА.

Вимірювальні перетворювачі "Сапфір-22" забезпечують вимірювання тисків до 100 МПа, розрідження — до 10^-5 МПа, різниці тисків — від 2,5 Па до 16 МПа при класах точності ОД; 0,25; 0,5.

Основними перевагами перетворювачів "Сапфір-22" є використання незначних деформацій чутливих елементів, що підвищує їх надійність, стабільність лінійних характеристик, а також забезпечує вібростійкість.

П'єзоелектричний метод ґрунтується на використанні властивостей деяких кристалічних матеріалів утворювати електричні заряди на їх поверхні під дією прикладеної сили. Це явище називається п'єзоефектом. Найчастіше для первинного перетворювача використовується монокристал кварцу, що пояснюється такими його перевагами перед іншими матеріалами, як механічна міцність, високі ізоляційні якості, незалежність п'єзоелектричних властивостей від температури у широкому діапазоні (20 400 °С) та негігроскопічність. Кварцеві пластини вирізаються перпендикулярно до електричної осі монокристалу кварцу. Під дією тиску р на електричних гранях пластини виникають електричні заряди Q = KSp, де К — п'єзоелектрична стала (для кварцу К = 2 • 10^-2 Кл/Н); S — ефективна площа грані, м². П'єзоелектричний перетворювач під'єднується до електронного підсилювача постійного струму. Величина сигналу: U_c = Q/C, де С — загальна ємність вимірювальної ланки.

Завдяки "стіканню" заряду п'єзоелектричні перетворювачі використовуються для вимірювання динамічних навантажень, тисків, вібрацій. Вони надзвичайно жорсткі, мають високу частоту власних коливань та незначні деформації. Крім того, вони дуже малі за розмірами. Недоліком п'єзоелектричних перетворювачів є їх високий електричний опір і неможливість використання для статичних вимірювань через "стікання" електричного заряду пластин. Верхня межа вимірювання тиску таких приладів сягає 100МПа, а за рахунок збільшення площі пластин (при паралельному їх включенні) чутливість перетворювачів можна значно підвищити і заміряти тиски, нижчі за 1Па.

Ємнісний метод ґрунтується на зміні ємності датчика за рахунок діелектричних властивостей самого середовища. Цей метод можна використовувати при вимірюванні рівня, густини, вологості та інших технологічних параметрів, використовуючи при цьому відому формулу площинного конденсатора: εS/l, де ε — діелектрична проникливість; S — площа пластин; l — відстань між пластинами.

При вимірюванні рівня або вологості між пластинами конденсатора використовується діелектрик, діелектрична проникливість якого значно вища за діелектричну проникливість повітря, це й зумовлює зміну ємності залежно від висоти заповнення діелектриком простору між обкладками конденсатора. Вологість речовини визначається за рахунок наявної вологи у матеріалі — чим більше вологи, тим вища ємність.

Крім того слід зауважити, що ємнісні засоби вимірювань успішно використовуються у вибухонебезпечних виробництвах.

Поряд з описаними методами широко застосовуються індукційні, омічні, термоелектричні та інші методи вимірювання неелектричних величин.