ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Общие свойства измерительных цепей и приборов
В агропромышленном производстве необходима информация о нескольких сотнях параметров. При этом значительное число параметров измеряют и контролируют при помощи электрических средств. Это обусловлено рядом особенностей электрических средств — малой инерционностью приборов, возможностью измерения на расстоянии и простотой автоматизации измерений и обработки результатов.
Несмотря на большое разнообразие параметров, а соответственно и применяемых методов, средства измерений неэлектрических величин имеют много общего. Общность измерений неэлектрических величин состоит в том, что измеряемую величину предварительно преобразуют в пропорциональную ей электрическую (ток, напряжение, сопротивление, частоту и др.), а затем измеряют с использованием известных методов и средств. При этом преобразование неэлектрической величины в электрическую предназначено только для отражения размера одной физической величины размером другой физической величины. Такой подход к проблеме измерения неэлектрических величин — единственный при создании измерительных средств, в которых имеют место различные функциональные связи между величинами. Общность методов и средств измерения неэлектрических величин позволяет представить структурную схему измерительной цепи (или прибора), вид которой в значительной мере определяется используемым измерительным преобразователем. В качестве примера на рис. 21.1 приведена схема цепи для измерения уровня топлива в баке мобильной машины.
Вольт-амперная характеристика p-n перехода Если к p-n переходу подвести внешнее напряжение так, чтобы направление внешнего электрического поля совпало с направлением внутреннего электрического поля перехода, т.е. подключиться минусом к р- области и плюсом к n-области, то это приведёт к увеличению напряжённости электрического поля в p-n переходе и к увеличению высоты потенциального барьера до величины φ0+Е
Рис. 21.1
Изменение
положения поплавка вызывает изменение подвижного контакта переменного резистора,
что приводит к изменению тока в цепи. Таким образом, процесс измерения уровня
может быть представлен следующей структурной связью 
.
21.2. Классификация и характеристики
измерительных преобразователей
На входе измерительного преобразователя, кроме
измеряемой величины, действуют различные неинформативные параметры — механические
возмущения, изменения температуры, влажности, электрические и магнитные поля и
др. Поэтому к числу основных требований, предъявляемых к измерительным преобразователям
наряду с минимальными потерями информации, относят минимальную чувствительность
к воздействию неинформативных параметров.
Разнообразные по устройству и принципу действия, измерительные преобразователи имеют различные характеристики и параметры. Основные из них — функция преобразования, градуировочная характеристика, погрешности и диапазон измерений.
Измерительные преобразователи неэлектрических величин различают в основном по назначению и принципу действия (см. прилжение): по назначению — преобразователи механических, тепловых, химических, биологических и других физических величин; по принципу действия — генераторные и параметрические. В генераторных измеряемая величина преобразуется в пропорциональные ЭДС (напряжение) или ток. К таким преобразователям относятся электромагнитные (индукционные), тепловые (термопары), оптоэлектрические (фотоэлементы), электрохимические (гальва-нические), пьезоэлектрические и гальваномагнитные. В параметрических преобразователях измеряемая величина преобразуется в параметры электрических цепей - сопротивление, емкость, индуктивность, частоту и др. К параметрическим относятся электромагнитные (индуктивные), тепловые (терморезисторы), оптоэлектрические (фоторезисторы, фотодиоды), резистивные и электростатические преобразователи.
На практике для измерения одной и той же неэлектрической величины в зависимости от условий применяют различные типы измерительных преобразователей.
Электромагнитные измерительные преобразователи. В электромагнитных преобразователях измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в пропорциональную электрическую за счет изменения магнитных свойств материалов. Из электромагнитных преобразователей наибольшее распространение получили индукционные и индуктивные.
В индукционных преобразователях линейная или угловая скорость (частота вращения) исследуемого объекта преобразуются в пропорциональные ЭДС или напряжение. Принцип действия этих преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции. По конструктивному исполнению они бывают с подвижной катушкой и неподвижным постоянным магнитом или с неподвижной катушкой и подвижным постоянным магнитом. В большинстве случаев индукционные преобразователи представляют собой электрические машины постоянного или переменного тока. Их называют тахогенераторами.
Для преобразования осевых (линейных) перемещений применяют индукционный преобразователь, у которого ЭДС на выходе изменяется во времени с изменением положения его подвижной катушки.
Основной недостаток индукционных преобразователей — нелинейность функции преобразования, что является основной причиной погрешностей. Уменьшают эти погрешности за счет выбора форм и размеров магнитопровода и размещения на нем катушки. Современные тахогенераторы (переменного тока) имеют погрешности 0,2…0,5 %.
Индуктивные преобразователи. Принцип действия индуктивных преобразователей
основан на преобразовании измеряемой величины в индуктивность за счет изменения
параметров магнитной цепи. Измерительные цепи (приборы) с индуктивными преобразователями
должны содержать источник питания. Процессы, происходящие в магнитной цепи индуктивного
преобразователя при воздействии измеряемой величины х, могут быть представлены
в виде связи: 
. Изменение зазора (или положения
подвижной части магнитопровода) преобразователя 
изменяет магнитное сопротивление 
, которое оказывает влияние на магнитную
проницаемость 
. Вследствие этого изменяются индуктивность L и полное
сопротивление преобразователя Z.
Лучшими свойствами обладают дифференциальные или трансформаторные преобразователи. Зависимость сопротивления от воздушного зазора у таких преобразователей линейна в большем, чем у рассмотренного раньше, диапазоне изменения зазора. Рабочим считают зазор, равный 0,3…0,4 начального значения. На параметры преобразователей изменение температуры оказывает меньшее влияние. Трансформаторные преобразователи получили широкое распространение в агропромышленном производстве в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.
Тепловые измерительные преобразователи. Принцип действия тепловых преобразователей основан на изменении свойств металлов и полупроводников при воздействии температуры. Входной (измеряемой) величиной таких преобразователей является температура.
К преобразователям относятся термопары и терморезисторы (термисторы).
Термопары. Устройство и принцип действия термопары рассмотрены в п. 21.1. Для измерения термо-ЭДС, развиваемых термопарами, применяют магнитоэлектрические милливольтметры или компенсаторы постоянного тока. Их подключают к свободным концам термопары. Градуируют приборы с термопарами при нулевой температуре свободных концов.
Терморезисторы. Резисторы, сопротивления которых являются функцией температуры, получили название терморезисторов. Материалом для изготовления терморезисторов служат химически чистые металлы и полупроводники, обладающие стабильным температурным коэффициентом сопротивления (зависимость сопротивления от температуры). Конструкции современных терморезисторов весьма разнообразны. Некоторые из них выполняют в виде цилиндрических стержней длиной несколько миллиметров, а минимальные размеры терморезисторов (без соединительных проводников) не превышают долей миллиметра.
Схемы приборов для измерения температуры с терморезисторами (их иногда называют термометрами) представляют чаще всего мосты постоянного тока с одним или двумя преобразователями в ветвях. Используют несколько разновидностей схем в зависимости от требований к метрологическим свойствам приборов.
Оптоэлектрические измерительные преобразователи. Действие оптоэлектрических преобразователей основано на известном явлении фотоэффекта. Это явление состоит в том, что под действием электромагнитного излучения в твердом теле или жидкости освобождаются носители зарядов (электроны или ионы), которые, увлекаясь внешним полем, создают ток. Различают внутренний и внешний фотоэффекты. Внутренний фотоэффект — явление, происходящее внутри кристаллической решетки твердого тела при воздействии светового потока. Внешний фотоэффект состоит в эмиссии электронов под действием светового потока, падающего на поверхность тела.
К оптическим преобразователям относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и др.
Фотоэлемент — оптоэлектрический измерительный преобразователь с внешним фотоэффектом. Принцип действия фотоэлементов состоит в том, что кванты света, попадая на катод, выбивают электроны, которые, увлекаясь внешним электрическим полем, создают фототок. Фотоэлементы бывают вакуумные и газонаполненные. Лавинообразный процесс нарастания фототока в газонаполненных фотоэлементах является причиной инерционности этих преобразователей. Поэтому они применяются для преобразования световых величин, изменяющихся с частотами до нескольких сотен герц.
Для изготовления катодов фотоэлементов применяют, кроме полупроводниковых материалов, литий, натрий, цезий, калий, рубидий и различные сплавы.
Фоторезистор — полупроводниковый преобразователь из однородного материала, электрическое сопротивление которого зависит от освещенности. Действие фоторезисторов основано на явлении изменения концентрации носителей зарядов в полупроводнике при их возбуждении световым потоком. Конструктивно фоторезисторы выполняют в виде пленки полупроводникового материала, нанесенной на стеклянную пластинку и защищенной слоем светопроницаемого лака. Для их изготовления используют сернистый висмут, свинец, кадмий, таллий и др.
Фотодиоды. Полупроводниковый преобразователь с р–n -переходом, обратный ток через который зависит от энергии падающего светового потока, называют фотодиодом. Освещение р–n -перехода фотодиода вызывает проникновение основных носителей зарядов из освещенной зоны в область р или n. Вследствие этого уменьшается обратное сопротивление фотодиода и изменяется ток в цепи.
Материалом для изготовления фотодиодов служат в основном германий, реже кремний (так как имеет узкую область спектральной чувствительности).
Фототранзисторы. В фототранзисторах используются усилительные свойства р–n–р или n–р–n -переходов, включенных в обратном направлении. При этом ток коллектора фототранзистора зависит от освещенности любой из областей перехода, если толщина ее меньше диффузионной длины носителей. Вследствие того, что носители зарядов в фототранзисторе проникают в базовую область, коллекторный ток зависит от освещенности этой области. Коэффициент усиления фототока в фототранзисторе достигает 20 и более, а его чувствительность больше чувствительности фотодиода.
Электрохимические измерительные преобразователи. В общем виде электрохимический преобразователь может быть представлен ячейкой с электролитом, в которой помещена система из двух или более электродов, включенных в измерительную цепь. Электролитическая ячейка с точки зрения электрохимии может быть представлена в виде источника ЭДС или зарядов. Под действием тока при включении электродов в электрическую цепь на них происходит падение напряжения. При изменении параметров электролита или электродов может изменяться сопротивление, емкость или индуктивность цепи, в которую включены электроды. Таким образом, возможно создание электрохимических преобразователей для измерения состава и концентрации элементов в веществе, давления, перемещения, скорости и ряда других неэлектрических величин. При этом электрические параметры ячейки с электролитом и электродами зависят от свойств и состава электролита и электродов, природы химических явлений в ячейке, температуры и скорости перемещения частиц в электролите и других факторов.
