Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №3

Приборы для научных исследований (отдельные главы)

А.Д. Смирнов

На рис. 33 изображена принципиальная схема преобразователя тока в частоту. Авторы конструкции В. Гусев и А. Шакс.

Прибор предназначен для регистрации изменения тока в широких пределах (от 3 нА до 0,3 мА) и может быть использован в приборах для измерения малых изменений сопротивления, тока и напряжения. Прибор позволяет применять для регистрации измеряемых параметров цифровые индикаторы.

Входная ступень преобразователя выполнена по схеме интегрирующего усилителя на транзисторе VT1. Нагрузкой транзистора служит источник тока на транзисторе VT2. Источник тока стабилизирует режим транзистора VT1 и повышает коэффициент усиления ступени в целом. Резистором R15 устанавливают режим транзистора по постоянному току таким образом, чтобы среднее значение напряжения на входе было равно нулю. В цепь обратной связи транзистора VT1 включен дозирующий конденсатор С8.

На микросхеме DA1 выполнено пороговое устройство, выходной сигнал которого, через цепь C3R16 поступает на транзистор VT3, коллекторный ток которого перезаряжает дозирующий конденсатор. Частота перезарядки конденсатора С8 определяется входным током и при 1 нА равна 8,35 МГц, а при токе 0.3 мА — 2,5 МГц. Импульсно-токовая характеристика преобразователя практически линейна с погрешностью не более 5 % во всем интервале измеряемого тока и определяется соотношением N = 8,35∙10⁹∙I_вх, где N — частота импульсов, а I_вх ^— измеряемый ток.

Для повышения стабильности работы преобразователя он помещен в термостат, снабженный терморегулятором. Терморегулятор выполнен по мостовой схеме на микросхеме DA2 и транзисторах VT6, VT7. Датчиком температуры служит терморезистор R1. Нагрузкой терморегулятора служит нагревательный элемент ЕК1. Терморегулятор обеспечивает постоянство температуры внутри термостата с точностью 0,5 °C. Задатчиком температуры регулятора служит резистор R2. Конденсатор С8 — ПМ-1.

На рис. 34 схематически изображено устройство, иллюстрирующее возможность дистанционной передачи на расстояние показаний манометра с трубкой Бурдона. Это прибор для дистанционного контроля давления воды в трубопроводе. Авторы конструкции А. Фоттелер и А. Афанасьев.

В пружинном манометре с трубкой Бурдона 2 механизм привода вращения стрелки заменен укрепленным на шарнире рычагом 4 с пружиной 5, который кинематически связан с подвижным магнитопроводом 8 дифференциального трансформаторного индуктивного датчика 6. Магнитопровод укреплен на тяге 9 в направляющих 10, изготовленных из немагнитного материала (бронза, латунь). При изменении давления в трубопроводе 1 изменяется положение трубки 2 и перемещается рычаг 4, тем самым изменяя положение магнитопровода 8 датчика относительно обмоток I–III катушки 7. При этом происходит изменение выходного сигнала, пропорциональное перемещению магнитопровода.

На рис. 35 изображена конструкция компрессионного дистанционного датчика внешнего давления. Конструкция разработана автором этой книги. Датчик предназначен для определения давления в толще грунта, ледяных массивов, песчаных отложений при внешних силовых воздействиях различного происхождения, различной длительности и направления. Он позволяет измерять давление дистанционно, что особенно важно при проведении исследований в районах Крайнего Севера. Датчик может найти применение при исследовании сил пучения, а также при изучении распределения сил, воздействующих на грунт под строящимися зданиями и сооружениями, сил, действующих в массивах льда при посадке на них самолетов.

На рис. 35,а схематически изображена конструкция датчика всестороннего давления. Он состоит из эластичного (из маслотеплостойкой резины) сферического баллона 1, заполненного маслом. Полость баллона соединена с рабочей полостью поршневого пружинного датчика 2 давления. Поршень 3, поджимаемый пружиной 4, кинематически связан тягой 5 с движками резисторов R1 и R2, подключенных к омметру.

Под действием силы F, воспринимаемой поверхностью датчика, внутри баллона 1 создается давление Р, которое воздействует на поршень 3. Поршень перемещается, сжимая пружину 4, и изменяет сопротивление резистивного элемента датчика.

В случае необходимости измерять направленное действие внешних сил, конструкцию датчика изменяют. Эластичный баллон заменяют жестким (см. рис. 35,б). С той стороны баллона 1, с которой надо измерить воздействие внешней силы F, установлена эластичная диафрагма 7. Перемещение поршня 3 датчика 2 с пружиной 6 регистрирует преобразователь 4.

На рис. 35,в показана конструкция элемента датчика, непосредственно воспринимающего действующее в исследуемом массиве усилие. Он состоит из эластичного баллона 3 с приливом, в который вставлена соединительная металлическая трубка 6. Верхний конец трубки развальцован. Датчик или манометр соединяют с баллоном накидной гайкой 5 с уплотнительной шайбой 4 из мягкой меди (свинца или алюминия). Диаметр баллона в зависимости от назначения можно варьировать в пределах от 30 до 120 мм. Толщина стенок не имеет принципиального значения, так как датчик работает на принципе уравновешивающего внутреннего противодавления.

На корпусе баллона размещены стандартная пресс-масленка 7 типа 1 и клапан 2 сброса воздуха с металлической пробкой 1. Клапан самодельный. Трубка и детали клапана 2 могут быть изготовлены из меди, латуни, нержавеющей стали. В случае применения вместо датчика давления пружинного манометра длина трубки 6 может достигать 10 м. Манометр может быть любой стандартный требуемого класса точности на давление 0,6-16 МПа.

Перед началом работы в баллон через масленку заливают минеральное или трансформаторное масло, раствор спирта, глицерин или другую жидкость с температурой замерзания не выше — 30 °C. Жидкость заливают таким образом, чтобы она полностью заполнила внутреннюю полость баллона, трубки 6, рабочую полость датчика давления или пружинного манометра.

Установка для тарировки датчика схематически изображена на рис. 35,г. Она состоит из разборной камеры высокого давления 2, заполненной маслом и снабженной образцовым манометром 7, а также гидравлическим прессом 8 для создания избыточного давления. В верхней части камеры 2 имеется устройство 3 уплотнения трубопроводов 4, соединяющих испытуемое устройство 1 (баллон Датчика) с внешним манометром 5 и датчиком давления 6.

Камеру 2 раскрывают и помещают внутрь испытуемый баллон 1. Полость баллона соединена с манометром 5 и датчиком давления 6 и предварительно заполнена жидкостью с небольшим избыточным давлением, около 0,02 МПа. Затем камеру 2 закрывают, уплотняют по фланцам и соединению 3, и заполняют компрессионной жидкостью. Затем гидравлическим прессом в камере создают избыточное давление. Это давление изменяют ступенями и давление каждой ступени измеряют манометрами 5 и 7 и датчиком давления 6. По данным измерений строят тарировочные кривые.

Вместо резистивного преобразователя в датчике может быть использован Дифференциальный индуктивный датчик перемещения. Индуктивные датчики не имеют трущихся контактов, стабильны по характеристикам, просты в изготовлении и надежны в работе.

Конструкция и габариты индуктивного датчика перемещения ИДТД (дифференциального трансформаторного) и ИДАД (дифференциального автотрансформаторного) показаны на рис. 36. Обмотки датчика выполнены на трубке диаметром 10 мм из немагнитного материала. Датчики ИДАД имеют две одинаковые обмотки по 1000 витков провода ПЭВТЛ 0,23. Датчики ИДТД имеют четыре обмотки по 1000 витков такого же провода. Суммарная длина обмоток у обоих датчиков — 60 мм. Длина магнитопровода (мягкое железо, сталь 3) — 33 мм, диаметр 6 мм. Он жестко скреплен с двумя направляющими диаметром 3 мм, выполненными из нержавеющей немагнитной стали.

Как видно из рис. 36, индуктивный датчик состоит из трубки-каркаса 5, на котором намотаны обмотки 9. Трубка 5 закреплена в пазах передней 3 и задней 11 крышек корпуса 4. В отверстиях крышек скользят направляющие 6 и 8 магнитопровода 7. Следует обратить внимание на то, что к деталям датчика предъявляются жесткие требования по обеспечению соосности при сборке. Все детали, за исключением обмоток, каркаса 5 и направляющих 6 и 8, изготавливают из магнитомягкого металла, так как они являются элементами магнитной цепи. На направляющей 6 закреплен наконечник 1. Между наконечником 1 и крышкой 3 помещена возвратная пружина 2, служащая для прижима наконечника к детали, перемещение, которой надо измерять. На задней крышке 11 закреплен штуцер 10 с резиновым уплотнением 12, через который пропущен кабель 13 с разъемом 14.

Обмотки датчика должны быть строго симметричны. Поэтому обе катушки наматывают одновременно в два провода рядовой намоткой. Провод сматывают с двух катушек через специальный поводок с двумя направляющими провод узлами, расстояние между которыми равно длине одной обмотки. От симметрии намотки зависит линейность характеристик датчика.

Схема включения индуктивных датчиков ИДАД показана на рис. 37. Это модернизированный мост переменного тока, выполненный на базе стандартного электронного моста ЭМП-09 (могут быть использованы также МСР, КСМ и др.). Из моста удаляют реохорд и на его место ставят механизм привода магнитопровода компенсационного индуктивного датчика — полного аналога рабочего датчика. Механизм выполнен в виде установочного винта 1, позволяющего перемещать магнитопровод линейно на 10 мм за один оборот.

Оба датчика — рабочий и компенсационный — включены в измерительный мест. На одну диагональ моста подано переменное напряжение 6,3 В частотой 50 Гц, а с другой диагонали снимают сигнал разбаланса. Этот сигнал после усиления усилителем 2 поступает на одну из обмоток электродвигателя. На вторую обмотку поступает напряжение сети. Усилитель 2 — фазочувствительный. Когда магнитопроводы датчиков находятся в одинаковом положении по отношению к обмоткам, мост сбалансирован, двигатель 4 остановлен. Как только магнитопровод рабочего датчика изменит свое положение, появится сигнал разбаланса, заработает электродвигатель и начнет вращать винт 1 до тех пор, пока магнитопровод компенсационного датчика не займет такое же положение и не восстановится баланс моста. С валом двигателя кинематически связан и механизм привода каретки самописца 3, поэтому на диаграммной ленте прибора будет записан сигнал, пропорциональный величине перемещения магнитопровода рабочего датчика.

На рис. 38 изображена типовая тарировочная кривая рассмотренного устройства. Она практически линейна в рабочем интервале измеряемых перемещений.

Недостаток рассмотренной схемы включения индуктивного датчика в том, что для измерения перемещений приходится вносить изменения в конструкцию заводских приборов. К тому же и изготовление установочного винта — очень ответственная и трудоемкая операция. Поэтому для трансформаторных датчиков ИДТД была предложена схема, изображенная на рис. 39.

Основное достоинство этой схемы в том, что она не требует переделки заводской конструкции самопишущих приборов и позволяет избавиться от компенсационного датчика.

Как видно из рисунка, измеритель представляет собой мостовой диодно-реистивный сумматор напряжений, снимаемых с вторичных обмоток датчика. Kj выходу сумматора непосредственно подключен электронный самопишущий потенциометр КСП-4 (вместо КСП-4 можно использовать цифровой вольтметр с выходом на цифро- печать).

Еще одно достоинство этой схемы в том, что интервал измерения перемещения у датчика ограничен только его размерами и линейным участком характеристики. Как правило, линейный участок характеристики определяется раз» мерами магнитопровода и обычно равен 1/3 его длины. Сам же магнитопровод должен быть в 1,2 раза больше длины одной секции обмотки. Поэтому, увеличивая длину датчика, длину обмоток и соответственно магнитопровода можно значительно расширить интервал измеряемых перемещений.

На рис. 40 изображена принципиальная схема фотодиодного измерителя мощности лазерного излучения, разработанного С. Калашниковым и А. Мацвейко. Он позволяет измерять мощность слабого светового потока на фоне постоянной засветки. Динамический диапазон измерителя 80 дБ при минимальной чувствительности 10^-7 Вт.

Прибор выполнен на ОУ DA1 и фотодиоде VD1. Напряжение на выходе устройства, создаваемое темновым током фотодиода и мешающим световым фоном, компенсируется напряжением, снимаемым с делителя R5-R7. Чувствительность измерителя устанавливают переключением резисторов R1-R4 в цепи обратной связи.

Показания можно отсчитывать по любому вольтметру — цифровому или аналоговому со шкалами на 1 и 10 В.

На рис. 41,а изображена конструкция емкостного датчика для измерения магнитострикции малых образцов при температуре 4,2 К. Авторы З.Казей, М. Леванидов, В. Соколов. Принцип действия, его основан на изменении емкости датчика при изменении расстояния между его электродами.

Датчик состоит из верхней обкладки 3, выточенной из латуни как одно целое с винтом. Эта обкладка гайкой скреплена с изоляционной шайбой 6 из текстолита. Накидной гайкой 5 из латуни шайба 6 зажата в латунном корпусе 4. В наружной части корпуса закреплен стеклянный изолятор 2, через который пропущен вывод 1, припаянный к нижней обкладке 7, выточенной из латуни в виде стакана. Плоскости обкладок строго параллельны, пришлифованы одна к другой и отполированы.

В стакан 7 вклеены клеем БФ-2 изолирующие прокладки 8 из текстолита и диск 9 из пьезокерамики ЦТС-19. Снизу в корпус ввинчена крышка 12 из латуни. В нижней части крышка переходит в цанговый зажим с зажимной гайкой 13.

В цанговом зажиме фиксирован стержень 11 из латуни.

На этом стержне устанавливают исследуемый образец 10, изменение размеров которого в ходе физического эксперимента необходимо исследовать. Сверху на образец устанавливают стакан 7 с пьезокерамическим диском 9. Затем стержень 11 вдвигают внутрь до короткого замыкания между обкладками 3 и 7 датчика и фиксируют гайкой.

Собранный датчик охлаждают до температуры 4,2 К. При этом за счет температурной усадки материала датчика образуется зазор между обкладками, после чего датчик готов к работе.

На рис. 41,б изображена схема включения датчика. Датчик В1 включен в контур генератора ВЧ, выполненного по трансформаторной схеме на транзисторе VT1. При изменении емкости датчика из-за изменения расстояния между обкладками при магнитострикционном эффекте (30-150 пФ) частота генератора изменяется от 1,25 до 1,75 МГц. Чувствительность датчика 0,05 нм.

Пьезокерамический диск 9 служит для калибровки прибора. При подаче на. него постоянного напряжения 200 В его толщина увеличивается на 11,5 нм и ил такую же величину уменьшают зазор между обкладками.

В лаборатории Московского государственного университета с помощью описанного датчика исследовали магнитострикцию пластины монокристалла феррита толщиной 240 мкм в магнитном поле напряженностью 50 кЭ. При этом получено значение магнитострикции Лт, равное 2250∙10^-6, что с точностью до 5 % соответствует значениям, полученным другими методами.

На рис. 42 изображена принципиальная схема включения резистивного нагревателя-термопары. Авторы конструкции Б. Булах, Г. Пекарь и Г. Купченко.

Особенность конструкции в том, что в ней нагревательный элемент изготовлен из двух сваренных на стыке проволок, образующих термопару. Для изготовления нагревательного элемента использованы отрезки платиновой и платинородиевой проволоки диаметром 0,5 мм. Из этой проволоки на керамическую трубу диаметром 10 мм была намотана спираль длиной 25 мм с шагом 1 мм. Снаружи спираль обмотана слоем теплоизоляции. При напряжении 18 В и токе 7,6 А внутри керамической трубы температура достигала 1250 °C. Эта печь использовалась в установке зонной перекристаллизации для выращивания полупроводниковых кристаллов. На время измерения температуры нагреватель ЕК1 отключали от источника тока прерывателем SB1 с частотой от 25 до 40 Гц. За время контроля температура нагревателя снижалась менее чем на 0,1 °C.

На рис. 1,а изображена структурная схема тринисторного регулятора мощности электронагревателей (авторы: А. Вдвовикин, Р. Абульханов, Ю. Демин), который может быть использован для плавного регулирования температуры в электропечах, сушильных шкафах и других аналогичных устройствах мощностью до 2 кВт. При необходимости регулирования мощности в более широких пределах надо либо применять принудительное охлаждение тринисторов, либо заменить их другими, более мощными.

Принцип действия регулятора основан на периодическом включении нагрузки с помощью тринисторного ключа, управляемого блоком сравнения рабочего и образцового сигналов. В регуляторе использован число-импульсный способ управления тринисторным ключом.

Регулятор состоит из источника 1 напряжения, пульсирующего с частотой сети, формирователя 2 импульсов синхронизации, генератора 3 пилообразного напряжения, датчика температуры 4, узла 5 сравнения напряжений, генератора 6 импульсов высокой частоты, элемента совпадения 7 и тринисторного ключа 8. Регулятор работает следующим образом. С источника пульсирующего напряжения на формирователь поступают положительные полупериоды выпрямленного напряжения частотой 100 Гц. В моменты перехода выпрямленного напряжения через нуль на выходе формирователя образуются синхроимпульсы длительностью 1,5–2 мс. Эти импульсы поступают на вход генератора пилообразного напряжения и запускают его. С выхода генератора убывающее по амплитуде пилообразное напряжение поступает на вход узла сравнения. На другой его вход от датчика температуры поступает отрицательный перепад напряжения. Пока пилообразное напряжение компенсирует отрицательный перепад на входе узла сравнения, элемент совпадения не пропускает на тринисторный ключ запускающие импульсы высокой частоты с генератора 6, поэтому ключ закрыт. Как только уровень пилообразного напряжения станет меньше уровня сигнала с датчика, ключ откроется. Время, в течение которого открыт ключ, а значит, и отдаваемая в нагрузку мощность, будет тем больше, чем дольше через элемент совпадения будет проходить последовательность высокочастотных импульсов.

Электрическая схема прибора изображена на рис. 1,б. Выпрямитель блока питания собран на диодах VD1-VD4. Электронный блок питается от стабилизатора на стабилитроне VD6 и транзисторе VT1. Диод VD5 отделяет цепь запуска формирователя от цепей питания узлов регулятора.

Формирователь выполнен на элементе DD2.2 микросхемы DD2, представляющей собой два четырехвходовых расширителя по ИЛИ. При уменьшении мгновенного значения пульсирующего напряжения ниже порогового уровня напряжение на выходе формирователя резко уменьшается до низкого уровня (логический 0), а при последующем увеличении — резко увеличивается до высокого(логическая 1). При этом на выходе образуется импульс, по времени синхронный с переходом сетевого напряжения через нуль.

Этот импульс через диод VD8 поступает на вход генератора пилообразного напряжения и запускает его. Генератор выполнен на элементе DD3.1 с открытым коллектором. Запускающий импульс заряжает конденсатор С3 до напряжения питания (5 В), а после окончания действия импульса он начинает медленно разряжаться. При этом на выходе генератора образуется линейно уменьшающееся напряжение, которое прикладывается к входу элемента сравнения.

Элемент сравнения выполнен на транзисторе VT2. На базу транзистора одновременно подано пилообразное напряжение и отрицательный перепад напряжения (установочного) с резистора R9. Коллектор транзистора VT2 соединен со входом элемента совпадения, выполненном на логическом элементе DD3.2. На второй вход элемента совпадения (выводы 9, 10) поступают импульсы с генератора импульсов ВЧ. Он выполнен на элементах DD1.1-DD1.4.

Пока транзистор VT2 открыт, импульсы с генератора не проходят через элемент совпадения. Как только транзистор закроется (это произойдет, когда амплитуда пилообразного напряжения сравняется с установочным, снимаемым с датчика температуры), импульсы высокой частоты поступят на первичную обмотку импульсного трансформатора Т2. Откроется тот тринистор, к аноду которого будет приложено положительное напряжение сети.

Сетевой трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Ш16х35. Первичная обмотка содержит 3000 витков провода ПЭВ-2 0,1, а вторичная — 120 витков провода ПЭВ-2 0,47. Трансформатор Т2 намотан на кольце типоразмера К10х6х5 из феррита 600НН. Все обмотки одинаковы — по 40 витков провода ПЭВ-2 0,17.

Более совершенную конструкцию регулятора мощности для электронагревательных установок разработали радиолюбители из г. Черкассы, В. Шамис и М. Каминский. Схема их прибора изображена на рис. 2.

Регулятор состоит из блока питания, формирователя импульсов запуска генератора линейно-изменяющегося напряжения, компаратора и узла включения тринистора.

Формирователь импульсов выполнен на диодах VD15, VD16 и транзисторе VT4. Выходные импульсы длительностью 1,5–2 мс с частотой следования 100 Гц поступают на вход двоичного счетчика на микросхемах DD1 — DD3, который управляет работой резистивной матрицы R9-R21. С ее выхода ступенчато возрастающее напряжение (64 ступени) поступает на один из входов компаратора. Компаратор выполнен на ОУ DA1. На другой его вход подано пороговое напряжение с резистора R24.

В тот момент, когда ступенчатое напряжение превысит пороговое, на выходе ОУ появится сигнал, который откроет транзистор VT3. Коллекторный ток этого транзистора включит светодиод оптрона U1. Вслед за этим откроется динистор оптрона и тринистор VS1. Время включения тринистора будет определяться длительностью цикла образования ступенчатого напряжения, что для шестиразрядного двоичного счетчика равно 0,64 с. Прибор выполнен на стандартных деталях и, как правило, не требует налаживания.

Мы рассмотрели однофазные регуляторы мощности, работающие с активной нагрузкой. В то же время на практике часто приходится сталкиваться с трехфазными регуляторами как с активной, так и реактивной нагрузками.

На рис. 3 изображена принципиальная схема трехфазного регулятора мощности постоянного тока для электромагнитов Y1 и Y2. Авторы конструкции харьковские радиолюбители А. Каплиенко и В. Еропкин. Прибор позволяет регулировать выходную мощность в пределах от 10 Вт до 6 кВт. Нагрузкой служат обмотки электромагнитов Y1 и Y2 сопротивлением 1 и 4 Ом соответственно.

Он состоит из блока фазировки, стабилизированного выпрямителя для питания цепей управления, усилителя, триггера Шмитта, формирователя, эмиттерного повторителя, регулятора усиления, стабилизированного источника образцового сигнала, ждущего блокинг-генератора и блока тринисторов.

Блок фазировки состоит из однополупериодного выпрямителя на диодах VD4-VD6, ограничителя на стабилитронах VD7-VD9 и элемента ИЛИ на диодах VD10-VD12. Усилитель выполнен на транзисторе VT6, триггер Шмитта — на VT3-VT5, формирователь запускающих импульсов — на микросхеме DA2, эмиттерный повторитель и блокинг-генератор — на транзисторах VT2 и VT1 соответственно. Регулятор усиления собран по схеме дифференциального усилителя на ОУ DA3. Стабилизированный источник образцового сигнала выполнен на ОУ DA1. Резистором обратной связи R23 служит магазин резисторов Р33. Поэтому выходное напряжение источника образцового сигнала изменяется ступенями.

Регулятор работает следующим образом. Блок фазировки, на который поступает переменное напряжение, синфазное напряжению на блоке тринисторов, вырабатывает синхроимпульсы отрицательной полярности длительностью 50 мкс и амплитудой около 10 В. Эти импульсы через усилитель поступают на вход триггера Шмитта, который вырабатывает импульсы управления длительностью, регулируемой от 2 до 10 мс и амплитудой 4 В. Длительность импульсов регулируют изменяющимся напряжением, снимаемым с выхода регулятора усиления.

Импульсы с выхода триггера Шмитта дифференцирует цепь R20 C11. Положительные импульсы, образующиеся дифференцированием спадов выходных импульсов триггера Шмитта, поступают на вход формирователя. С выхода формирователя отрицательные импульсы через эмиттерный повторитель поступают на блокинг-генератор, а с него — на управляющие электроды тринисторов.

Рассмотренные регуляторы мощности различны по схемному решению, электрическим характеристикам и техническим возможностям, но имеют общую черту — фазовое регулирование. Регулирующий сигнал в них формирует устройство сравнения линейно-изменяющегося напряжения с регулируемым образцовым напряжением постоянного тока. Элементом регулируемого делителя напряжения может служить терморезистор, фоторезистор или тензорезистор, при этом регулятор мощности превращается в регулятор температуры, освещенности, нагрузки или перемещения.

На рис. 4 изображена принципиальная схема комбинированного регулятора температуры в парнике с учетом влияния освещенности объекта, разработанного радиолюбителем В. Сазыкиным.

Регулятор построен на несколько ином принципе, чем рассмотренные выше. В нем использованы пороговые устройства — триггеры Шмитта. Прибор состоит из регулятора температуры и блока коррекции температуры по освещенности объекта. Регулятор выполнен на транзисторах VT4 — VT6 и представляет собой пороговое устройство, собранное по схеме триггера Шмитта с усилителем мощности на выходе. Нагрузкой усилителя мощности служит реле К1, контакты К1.1 которого коммутируют питание электронагревателя. Порог срабатывания устройства регулируют переменным резистором R20. Датчик температуры — терморезистор R13 и резистор R20 образуют термоуправляемый делитель напряжения, приложенного к входу триггера Шмитта.

В исходном положении триггера транзистор VT6 закрыт и реле К1 обесточено. По мере нагревания объекта сопротивление терморезистора уменьшается и при достижении установленной температуры триггер переключается. Транзистор VT6 открывается, срабатывает реле К1 и контакты К1.1 реле обесточивают нагреватель. При охлаждении объекта триггер возвратится в исходное положение и снова включится электронагреватель. Диод VD3 включен для уменьшения «гистерезиса» триггера (выравнивания порогов срабатывания и возврата триггера) и повышения его быстродействия.

Блок коррекции выполнен по аналогичной схеме, только датчиком служит фоторезистор R1. Порог срабатывания блока коррекции устанавливают переменным резистором R5. Сигнал с выхода блока коррекции через согласующий усилитель на транзисторе VT3 поступает на вход терморегулятора, смещая порог срабатывания триггера терморегулятора. Степень влияния блока коррекции на терморегулятор определяется положением движка переменного резистора R18, а также положением переключателя SA1.

Регулятор прост в налаживании. Оно сводится к установке порогов срабатывания триггеров Шмитта. Регулятор обладает высокой чувствительностью и быстродействием и позволяет поддерживать постоянной температуру в парниках в пределах от 15 до 50 °C с точностью +0,4 °C при изменении освещенности от 500 до 25 000 лк.

Один из недостатков конструкции — контактный способ включения нагревателя. Но этот недостаток легко устранить, если вместо транзисторного усилителя тока с электромагнитным реле использовать ключевую ступень на тринисторе.

В регуляторе использовано реле РЭС22, паспорт РФ4.500.131. Трансформатор выполнен на магнитопроводе ШЛ20Х16. Первичная обмотка содержит 3300 витков провода ПЭВ-2 0,1; обмотка II — 350 витков провода ПЭВ-2 0,21; обмотка III — 100 витков провода ПЭВ-2 0,47.

На рис. 5 изображена принципиальная схема регулятора температуры воздуха для кондиционеров. Авторы конструкции В. Григорьев и В. Бубнов. Регулятор состоит из датчика температуры R2, включенного в измерительный мост, составленный из резисторов R1, R3 — R12, фазочувствительного усилителя постоянного тока на ОУ DA1, прерывателя (транзистор VT1, оптрон U1, ОУ DA2) и трехпозиционного блока управления (ОУ DA3, DA4, транзисторы VT2, VT3). Нагрузкой транзисторов блока управления служат командные реле К1 и К2.

Регулятор работает следующим образом. Измерительный мост устанавливают резисторами R4 и R7 на требуемые пределы регулирования (R4 — «Температура»; R7 — «Зона нечувствительности», т. е. зона, в пределах которой отклонения температуры считают нормой). В измерительную диагональ моста включен дифференциальный усилитель постоянного тока (ОУ DA1). Сигнал разбаланса моста, возникающий при изменении температуры контролируемого объекта, через усилитель постоянного тока поступает на импульсный прерыватель.

Импульсный прерыватель состоит из импульсного генератора (ОУ DA2), согласующего усилителя (VT1) и ключа на оптроне. Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, длительность и скважность которых регулируют изменением параметров времязадающей цепи R20 — R38C5. Диоды VD2 и VD3 служат для разделения цепей разрядки и зарядки конденсатора С5.

На выходе устройства сигналы управления, включающие командные реле К1 и К2, чередуются с паузами, позволяющими сделать процесс управления более плавным.

Регулятор поддерживает температуру в пределах от 0 до 40 °C с точностью, определяемой шириной зоны нечувствительности, регулируемой от 0,5 до 10 °C. При этом длительность импульсов управления можно регулировать в пределах от 0,5 до 10 с, а длительность паузы между импульсами (регулирование скважности) — от 1 до 30 с.

На рис. 6 изображена упрощенная схема устройства, применяемого для регулирования расхода газа в газовых магистралях на предприятиях, изготавливающих полупроводниковые приборы. Авторы конструкции А. Папанченко и С. Метелев.

Регулятор выполнен на базе показывающего поплавкового расходомера газа — ротаметра РС-3 с фотоэлектрическим устройством слежения за положением поплавка в измерительной трубке. Устройство слежения представляет собой три включенных параллельно фотореле ФР1-ФР3, которые укреплены на общей каретке с осветителем HL1 и могут перемещаться вдоль измерительной трубки 2 до совмещения с поплавком 1.

При возрастании расхода газа выше установленного предела поплавок начинает подниматься в трубке и перекрывает световой поток от осветителя HL1 на фотоприемники — фотодиоды (VD1 в ФР1). При этом реле К1 и К2 обесточены. Контакты К1.1 и К2.1 замкнуты. Срабатывает реле К5 и контактами К5.1 через контакты К3.2 самоблокируется. Контактами К5.2 и К5.3 включается цепь питания электродвигателя Ml привода вентиля газовой магистрали, при этом уменьшится подача газа, и поплавок ротаметра начнет опускаться. Когда расход газа дойдет до нормы, будет перекрыт световой поток, падающий на фотоприемники VD3 и VD5. Это приведет к тому, что обмотка реле К5 обесточится, контакты реле К5.2 и К. 5.3 разомкнутся и электродвигатель выключится. При снижении расхода ниже нормы поплавок опускается ниже нормального положения. Свет начинает поступать на фотоприемник VD3, но остается закрытым поплавком фотоприемник VD5. При этом срабатывает реле К4 и своими контактами включает и реверсирует электродвигатель, который открывает вентиль и увеличивает подачу газа.

На схеме не указаны номиналы деталей, так как прибор выполнен на базе готового фотореле промышленного изготовления, а тип электромагнитных реле К4, К5 и характеристики блока питания не имеют принципиального значения. Электродвигатель постоянного тока может быть любым, он должен быть снабжен редуктором, вращающий момент на валу которого достаточен для поворачивания крана вентиля.

Конструкция интересна тем, что возможности ее применения далеко выходят за рамки регулирования расхода газа. Она может быть применена для регулирования расхода жидкости, для устройств, которые должны срабатывать в зависимости от направления перекрытия светового потока. Там же, где для решения различных задач требуются устройства с поплавковыми механизмами, эта конструкция может быть использована без какой-либо доработки.

На рис. 8 изображена принципиальная схема одного канала информационной системы контроля технологических процессов на предприятиях химической, Пищевой и других отраслей промышленности. Система предназначена для замены громоздких щитовых электроизмерительных приборов на пультах контроля и управления и позволяет наглядно фиксировать любые отклонения от заданного технологического режима. По существу, это простой усилитель входного Информативного сигнала постоянного тока к неоновому индикатору ИН13.

Устройство состоит из входного дифференциального усилителя на полевых транзисторах, согласующей ступени, выполненной по схеме эмиттерного повторителя, и выходной ступени.

Резистор R4 служит для балансирования входного усилителя. Резистором R6 устанавливают максимальную длину светящегося столба индикатора. Конденсатор С1 устраняет разрыв столба из-за импульсной помехи. Диод VD1 использован как линеаризующий элемент. Максимальная длина свечения столба обеспечивается при изменении входного напряжения устройства в пределах от 0 до 1 В.

Устройство обеспечивает требуемую точность контроля технологических параметров, позволяет создать компактное табло для оперативного и наглядного контроля производственных процессов. К достоинствам этих индикаторов можно отнести их относительно малую энергоемкость, легкость выравнивания отдельных каналов по чувствительности путем простой подборки элементов резистивных делителей напряжения и, наконец, низкую стоимость.

Авторы этой конструкции Л. Шепелевский и А. Ярыгин.

Интересный прибор для контроля качества поверхности листового стекла разработали московские радиолюбители Л. Моторов и М. Усвицкий.

В основу принципа действия прибора положено свойство передающей телевизионной трубки реагировать на малейшие изменения времени прохождения световых лучей от отражающих внешних и внутренних поверхностей наблюдаемых объектов до точки наблюдения, что выражается в появлении сложных интерференционных изображений на экране кинескопа.

На рис. 9 изображено схематически устройство этого прибора. Он состоит из подставки 9 (рис. 9,б) для укладки контролируемого листа 8 стекла. Лист освещен плоским источником света 4 с решеткой 7, выполненной в виде чередующихся непрозрачных полос с параллельными краями. Осветитель укреплен шарнирно на стойке 3. Осветитель и лист стекла располагают таким образом, чтобы свет падал на лист нормально к его поверхности.

За осветителем на треноге 5 установлена приемная телекамера 6 промышленной телевизионной установки, например ПТУ-26М. Отраженный от стекла свет воспринимает приемная камера и после преобразования в приемном устройстве 2 воспроизводится на экране телевизионного приемника 1 установки. На экране будет видно отраженное изображение чередующихся темных и светлых полос. Если поверхность стекла безупречна, то полосы будут параллельными с четкими краями. Если стекло имеет дефекты, то полосы на экране будут иметь местные искривления и размытые границы, как показано на рис. 9,б.

Для объективной оценки качества поверхности стекла в установке предусмотрено устройство, измеряющее постоянную составляющую видеосигнала. Оно состоит из узла выделения видеосигнала из общего телевизионного сигнала, детектора и интегрирующей RC-ячейки, нагруженных стрелочным или цифровым индикатором напряжения. Измерительное устройство предварительно настраивают по образцовому бездефектному стеклу заданного размера, фиксируют показание, соответствующее норме, и по отклонению от этого значения судят о степени дефектности стекла.

Схема измерительного устройства здесь не показана, так как она не имеет особенностей. Продетектированный видеосигнал можно получить с выхода видеодетектора телевизионного приемника, если зашунтировать выход конденсатором такой емкости, чтобы снять высокочастотную составляющую флуктуации, а затем подать на вход стандартного вольтметра постоянного тока.

Все остальные узлы прибора входят в комплект стандартной промышленной телевизионной установки.

Описанный метод исследования может быть применен для контроля и других видов стекла (выпуклого, цилиндрического, сферического, зеркального), для контроля качества поверхности любых изделий, отражающих свет.

На рис. 16 изображена принципиальная схема устройства для контроля температуры воздуха. Авторы Б. Кусый и Ю. Мусницкий. Устройство позволяет измерять температуру воздуха в пределах от 0 до 35 °C. При температуре 2 °C срабатывает реле аварийного сигнала. Прибор предназначен для использования в системах вентиляции шахт и может быть использован в системах вентиляции производственных помещений.

Прибор выполнен по схеме сдвоенного моста постоянного тока на резисторах R4-R9, R11-R13. В диагональ одного моста включен измерительный прибор Р1 — микроамперметр с током полного отклонения стрелки 10 мкА и нулем посредине, а в диагональ другого — дифференциальный усилитель постоянного тока, нагруженный усилителем мощности с электромагнитными реле К1 в цепи нагрузки. Усилитель постоянного тока выполнен на ОУ DA1. Для питания мостов и усилителя служит двухполярный стабилизированный блок питания. Резистором R6 устанавливают на «нуль» стрелку индикатора Р1. Резистором R12 устанавливают температурный порог срабатывания аварийной сигнализации.

Датчиком температуры служит терморезистор R5 из медной проволоки. Способ изготовления таких термодатчиков рассмотрен ниже.

На рис. 17 изображена принципиальная схема простого устройства для автоматического управления освещением. Авторы прибора В. Гонтовская и Ю. Гусев.

Прибор представляет собой мост постоянного тока, выполненный на резисторах R1, R2, R5, в диагональ которого включено чувствительное поляризованное электромагнитное реле. К1 (РП-4 или РП-5). Датчиком освещенности служит фоторезистор R5. Контакты реле К1 при срабатывании включают обмотку реле К.2 переменного тока, которое коммутирует исполнительные цепи (на схеме не показаны).

Схема более совершенного устройства для регулирования освещенности изображена на рис. 18.

Автомат состоит из электронного фотореле, выполненного на транзисторах VT1, VT2. Светочувствительным элементом служит фоторезистор R7. При изменении освещенности срабатывает фотореле и контактами К1.1 реле К1 включает мощное реле К2, контакты К2.1 которого управляют магнитным пускателем К3. Порог срабатывания фотореле по освещенности устанавливают резистором R5. Реле настроено таким образом, что при затемненном фоторезисторе транзистор VT2 закрыт, транзистор VT1 открыт, контакты К1.1 замкнуты, магнитный пускатель включен и подан ток в осветительную сеть через контакты К3.1-К3.3.

При освещении фоторезистора открывается транзистор VT2 и магнитный пускатель К3 отключает осветительную сеть. В автомате предусмотрена задержка на включение и отключение осветительной сети для защиты от ложного срабатывания при кратковременном освещении (или затемнении) фоторезистора, например фарами проезжающего автомобиля. Для этого к реле К2 подключена замедляющая цепь R9C2C3.

На рис. 19 изображена принципиальная схема электроискрового дефектоскопа, предназначенного для проверки качества непроводящей гидроизоляции гальванических ванн, покрытия электрических проводок и других изделий. Принцип действия дефектоскопа основан на возникновении электрического разряда между изделием и щупом, соединенными с высоковольтным источником напряжения, в месте нарушения изоляции[70]. Автор конструкции А. Кащеев из Кольчугинского радиоклуба.

Дефектоскоп представляет собой генератор, вырабатывающий импульсы высокого напряжения амплитудой до 30 кВ. Прибор состоит из блока питания, импульсного генератора на тринисторе VS1, выходного повышающего трансформатора Т2 (использована катушка зажигания автомобиля). В приборе предусмотрена возможность питания либо от сети (через трансформатор Т1), либо от генератора переменного тока Е1 с ручным приводом (от мегаомметра Ml103).

В режиме питания от сети в показанном на схеме положении переключателя SA1 напряжение со вторичной обмотки II трансформатора Т1 напряжением около 400 В через диод VD10 поступает на тринистор VS1 и конденсатор С1. Напряжение с обмотки III этого же трансформатора через диод VD9 поступает на управляющий электрод тринистора, открывая его во время положительных полупериодов сети. При этом через тринистор и первичную обмотку трансформатора Т2 при замкнутой кнопке SB1 протекают мощные импульсы тока, образующиеся при разрядке конденсатора С1. Вторичная обмотка трансформатора Т2 соединена с электродами воздушного разрядника FU1, а также с испытательным щупом и металлической основой контролируемого изделия. Если изоляция в порядке, то между электродами разрядника возникает искра. Если изоляция нарушена, электрический пробой возникает в зоне дефекта, а не в разряднике.

Источником автономного питания служит генератор от мегаомметра, который подвергают небольшой переделке. Удаляют кольца коллектора, укорачивают ось до опоры подшипников, а на статор наматывают дополнительную обмотку, содержащую 150 витков провода ПЭВ-2 0,2.

Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе Ш30Х27. Обмотка I содержит 1320 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка II — 2400 витков провода ПЭВ-2 0,15, III — 90 витков провода ПЭВ-2 0,3, IV — 33 витка провода ПЭВ-2 0,35.

Преобразователи делят на параметрические и генераторные. Первые преобразуют изменение температуры, давления в изменение сопротивления, емкости, индуктивности, а вторые — в ЭДС (например, термопара, пьезоэлемент, индукционный и электрохимический преобразователи).

Преобразователи должны обладать высокой чувствительностью, непрерывностью преобразования и сохранять постоянство своих характеристик во времени независимо от проявления внешних факторов (температуры, влажности, давления и др.). Воздействие преобразователя на исследуемый процесс должна быть минимальным.

Статической характеристикой преобразователя называют зависимость параметров выходного сигнала от медленного изменения входного воздействия. Динамической характеристикой называют ту же зависимость, но при быстром изменении входного воздействия.

Факторами, характеризующими преобразователь, являются способ преобразования, чувствительность и динамический диапазон преобразования, линейность и стабильность характеристик, погрешность преобразования и быстродействие.

К резистивным преобразователям относят контактные, реостатные, контактного сопротивления, тензорезисторы, терморезисторы, электролитические.

В контактных преобразователях перемещение чувствительного элемента преобразуется в скачкообразное изменение сопротивления датчика (замыкание или размыкание электрической цепи). Их применяют в системах автоматического управления и регулирования и классифицируют по числу контактов, числу пределов регулирования, по типу контактных групп, по контактному давлению (маломощные — до 1 г и мощные — до 100 г), по материалу, из которого изготовлены контакты, по их форме (плоские, полусферические).

В термоконтактных преобразователях (контактные ртутные термометры) используют контакт между столбом ртути и вплавленным в капилляр электродом из платиновой или вольфрамовой проволоки. Существуют термоконтактные преобразователи с магнитной перестановкой контактного электрода на разные пределы регулирования (ТК-6, ТК-8), с постоянно установленными контактами на один или несколько пределов регулирования (ТК-5), бесшкальные постоянные (ТК-1, ТК-2, ТК-3, ТК-4).

В реостатных преобразователях движок токосъемника под воздействием преобразуемой величины совершает линейное или угловое перемещение, изменяя тем самым сопротивление реостата. Эти преобразователи различают по типу намотки (много- витковые — не менее 200 витков, одновитковые — реохордные), по используемому проводу (манганиновые, константановые, фехралевые, из драгоценных металлов). Проволоку из драгоценных металлов применяют для изготовления особо чувствительных и ответственных преобразователей. Движок реостатного преобразователя выполняют из двух-трех упругих проволок из платинового сплава либо в виде пластинчатой щетки из серебра. Контактную поверхность обмотки или реохорда полируют, Каркас обмотки изготовляют из текстолита, стеклотекстолита, керамики или алюминия, покрытого изоляционным лаком. Алюминиевый каркас наиболее распространен, так как отличается механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Выбирая конкретную форму каркаса и параметры обмотки, добиваются требуемого закона преобразования — линейного, логарифмического и др.

В преобразователях контактного сопротивления перемещение преобразуется, так и в реостатных преобразователях, в изменение активного сопротивления чувствительного элемента. Наиболее распространен преобразователь с угольными шайбами. Угольные шайбы с пришлифованными плоскостями собирают в столб из 10–30 шт. Столб зажимают с небольшим усилием между двумя электродами, закрепленными в металлической раме. При воздействии на столб внешнего осевого усилия сопротивление столба уменьшается вследствие уменьшения контактного сопротивления между шайбами. Шайбы изготавливают из электродного угля с удельным сопротивлением (25-100)∙10^-4 Ом-см. Диаметр шайб выбирают в пределах от 5 до 15 мм.

На аналогичном принципе работают преобразователи, выполненные из тензолита — графитового порошка (или сажи), фиксированного бакелитовым лаком. Выпускают также преобразователи, изготовленные из прессованных порошков полупроводниковых материалов на основе сернистого свинца, сернистого кадмия (материал, из которого изготавливают фоторезисторы) и др.

Общий недостаток этого класса преобразователей — значительный механический гистерезис (до 10 %).

Принцип действия тензорезисторов основан на свойстве некоторых материалов ощутимо изменять свое электрическое сопротивление под воздействием сжимающей или растягивающей силы. С помощью этих датчиков измеряют различные деформации и напряжения в механических конструкциях. Традиционные тензорезисторы представляют собой тонкую проволоку или фольгу толщиной 0,02-0,05 мм, уложенную петлями разной формы и ориентации и закрепленную в тонком слое застывшего клея (пленочные) или наклеенную на тонкую бумагу, пропитанную клеем (бумажные).

Пленку или бумагу с тензорезистором наклеивают на поверхность испытуемой детали. Сжатие или растяжение исследуемого объекта приводит к изменению геометрических размеров петель проволоки и тем самым к изменению сопротивления тензорезистора в целом. Для приклейки тензорезисторов пользуются специальной технологией, описание которой прикладывают к каждой партии датчиков, поступающей с завода.

В настоящее время промышленность выпускает проволочные константовые датчики на бумажной основе с размерами базы от 5 до 30 мм и сопротивлением до 400 Ом (2ПКБ), проволочные константановые на пленочной основе с той же базой и таким же сопротивлением (2ПКП), фольговые константановые прямоугольные (2ФКПА, 2ФКПД), розеточные (2ФКРВ, 2ФКРГ), фольговые константановые мембранные (2ФКМВ, 2ФКМГ), фольговые константановые термокомпенсированные на пленке клея БФ-2 (1ФКТК), на бумаге, пропитанной клеем БФ-2 (2ФКТК), и на бумаге, пропитанной клеем ВК-32-2 (ЗФКТК), с сопротивлением от 50 до 400 Ом, малобазовые проволочные тензорезисторы с базой от 1 до 3 мм и сопротивлением от 50 до 250 Ом.

Кроме указанных, промышленностью освоен выпуск полупроводниковых тензодатчиков, чувствительность которых в 50–60 раз больше, чем у проволочных и фольговых. Полупроводниковые тензорезисторы построены на кристаллах германия, кремния и других, которые пока не получили широкого распространения. У материалов n-типа знак тензоэффекта отрицателен, а р-типа — положителен. Промышленность выпускает полупроводниковые тензорезисторы типа КТЭ, КТЭМ и р-типа КТД, КТДМ Коэффициент тензочувствительности у них равен 120 (у проволочных и фольговых он не превышает 2), температурный интервал работоспособности от — 60 до +3000 °C. Температурный коэффициент не выходит за пределы 0,4 % в интервале от 0 до 80 °C. Недостаток полупроводниковых тензорезисторов — малая механическая прочность и значительный разброс параметров.

Тензорезисторы широко используют для измерения перемещения, вибрации, ускорения, деформации, давления, распределения нагрузки по элементам конструкций.

Терморезисторы — элементы, сопротивление которых изменяется в зависимости от их температуры. На интенсивность теплообмена оказывают влияние геометрические размеры, форма, материал и характер армирования преобразователя, а также состав, плотность, теплопроводность, скорость перемещения, температура и агрегатное состояние исследуемой среды. Источником тепла при этом может быть также ток, пропускаемый через терморезистор. Большое число факторов, влияющих на теплообмен, делает практически неограниченной область применения терморезисторов. Измерение температуры, анализ состава газовой и жидкой сред, измерение вакуума, концентрации, скорости потока — вот далеко не полный перечень областей применения терморезисторов.

Различают проволочные терморезисторы и полупроводниковые — термисторы. Для изготовления проволочных терморезисторов, как правило, используют чистые металлы (платина, медь, никель, вольфрам). Наиболее химически стойкой _в широком интервале температуры является платина, но она имеет низкое удельное сопротивление и большой коэффициент температурного расширения при значительной остаточной деформации. Это препятствует использованию платиновых терморезисторов в тех случаях, когда надо получить большую чувствительность. Платиновые терморезисторы работают при температуре от — 183 до +660 °C. Для их изготовления используют проволоку диаметром 0,02 мм.

Более подходящим материалом для изготовления чувствительных проволочных терморезисторов является вольфрам. Широкому внедрению вольфрама препятствовала его значительная химическая активность при высокой температуре. Сейчас разработана технология получения химически стойкой золоченой вольфрамовой проволоки. Поэтому термопреобразователи из вольфрама широко используют в чувствительных газоанализаторах, хроматографах и в другой прецизионной измерительной аппаратуре. Этому способствует и то, что вольфрам обладает высокой упругостью, малым температурным расширением. Поэтому вольфрамовые терморезисторы можно изготавливать в виде спирали без дополнительного армирования стеклом и другими защитными покрытиями.

Проволочные резисторы имеют высокую стабильность параметров во времени. Выпускаемые промышленностью платиновые терморезисторы ТСП и медные резисторы ТСМ в металлическом защитном кожухе имеют близкие к линейным статические характеристики и градуировочные кривые, постоянные для каждого типа и зафиксированные в ГОСТ. Они полностью взаимозаменяемы.

Полупроводниковые терморезисторы ММТ и КМТ имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, равный 3–6 %/°С и в десятки раз превышающий ТКС проволочных терморезисторов. Они имеют малые размеры, высокое сопротивление (до 3 МОм), работают в широком интервале температуры (от — 70 до 180 °C). Их недостатки: нестабильность параметров во времени, что требует проведения повторного градуирования, и отсутствие взаимозаменяемости.

Принцип действия электролитических преобразователей сопротивления основан на практически линейной зависимости между концентрацией электролита в миллиграммах на литр и проводимостью. При постоянной концентрации электролита изменение сопротивления преобразователя может быть вызвано изменением расстояния между электродами или изменением сечения зоны проводимости, заполненной электролитом. На этом принципе основано применение электролитических преобразователей для измерения деформации и перемещения. Для уменьшения температурной погрешности электролитические преобразователи выполняют дифференциальными. Для того чтобы избежать электролиза в растворах, измерение проводимости или сопротивления раствора электролита проводят на переменном токе. Влияние поляризации электродов на результаты измерения можно уменьшить, если проводить измерения при повышенном питающем напряжении.

Емкостные преобразователи построены на использовании зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками, от площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними. Воздействие неэлектрического фактора может проявляться в изменении любого из перечисленных параметров конденсатора. Это дает возможность измерять и контролировать посредством емкостного преобразователя такие параметры среды, как влажность, однородность, концентрация, давление, сила, перемещение, толщина, качество, однородность покрытия.

Емкостные преобразователи питают высокочастотным напряжением. Это связано с тем, что преобразователи этого класса имеют небольшую емкость, а следовательно, высокое реактивное сопротивление. Поэтому при работе на низкой частоте пришлось бы значительно увеличить амплитуду питающего напряжения, что нецелесообразно. Погрешность емкостных преобразователей обусловлена изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика и размеров обкладок при изменении температуры. Эти погрешности могут быть значительно снижены, если изготовить обкладки из материала с низким коэффициентом температурного расширения (например, инвара), а также применить дифференциальную конструкцию датчика. Особое внимание приходится уделять вопросам экранирования емкостных преобразователей от воздействия внешних электрических полей.

Индуктивные преобразователи по параметрам и возможностям применения можно разделить на две группы: низкочастотные и высокочастотные. И у тех, и у других изменяется индуктивность обмотки под действием входного фактора. На низких частотах индуктивность определяется параметрами конструкции преобразователя: видом и размерами магнитопровода, магнитной проницаемостью ею материала, числом витков и диаметром провода катушки, зазором в магнитной цепи, положением подвижной части магнитопровода в катушке, концентрацией ферромагнитного материала в наружной части магнитопровода и другими параметрами. Обычно объектом воздействия входного фактора таких датчиков служат ширина зазора магнитопровода, положение катушки относительно подвижной части магнитопровода и концентрация ферромагнитного материала в наружной части разомкнутого магнитопровода. Для уменьшения погрешностей, связанных с влиянием мешающих внешних факторов (температура, электромагнитные поля и др.), обычно используют дифференциальную конструкцию датчиков.

На высоких частотах становятся существенными потери на вихревые токи, так что действующее значение индуктивности оказывается зависящим от частоты.

В практике измерений на низких частотах применяют дифференциальные трансформаторные датчики для измерения давления, усилия, перемещения, вибрации. Трансформаторные датчики с разомкнутым магнитопроводом используют для определения концентрации ферромагнитных составляющих в рудах.

При пропускании переменного тока через катушку высокочастотного индуктивного преобразователя в ней образуется высокочастотное электромагнитное поле. Если в это поле поместить проводник, то индуктивность и добротность катушки изменятся. Главное отличие низкочастотных индуктивных датчиков от высокочастотных в том, что первые реагируют на материалы, обладающие ферромагнитными свойствами, а вторые — на любые проводящие к полупроводящие материалы. Отсюда и более широкий круг применения высокочастотных датчиков, от измерения диаметра проволоки до определения концентрации электролитов.

В проводнике, находящемся в высокочастотном электромагнитном поле, возникают вихревые токи, на образование которых затрачивается часть энергии поля. Вихревые токи вызывают вторичное электромагнитное поле, направленное против первичного и поэтому ослабляющее его. А это равнозначно уменьшению добротности и индуктивности катушки преобразователя. Изменяя напряженность и частоту электромагнитного поля, можно изменять чувствительность преобразователя, приспосабливая его для исследования тех или иных свойств среды.

При конструировании высокочастотных индуктивных преобразователей особое внимание надо уделять их экранировке. Соединять датчик с электронным блоком обработки сигнала нужно высокочастотным коаксиальным кабелем, согласованным по волновому сопротивлению.

Для питания индуктивных высокочастотных преобразователей используют генераторы, стабилизированные по частоте и амплитуде выходного сигнала. Довольно часто применяют измерительные устройства на биениях частот. За измеряемый параметр, особенно при создании высокочастотных концентратомеров, обычно принимают сдвиг фазы между первичным и вторичным сигналами. Сдвиг фазы тем больше, чем выше электропроводность исследуемого материала.

Индукционные преобразователи воздействие внешнего фактора преобразуют в ЭДС индукции. Их используют для измерения вибрации, ускорения, частоты вращения и других параметров, которые удобно связывать с изменением магнитного потока во времени. ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока и числу витков провода катушки, пересекаемой им.

Различают два вида преобразователей. В одних ЭДС возникает вследствие возвратно — поступательного или вращательного движения катушки с проводом относительно постоянного магнита или электромагнита (или наоборот); в других она возникает из-за изменения зазора в магнитопроводе. Чувствительность индукционных преобразователей весьма высока. Линейность преобразования определяется инерционностью подвижных элементов: чем ниже инерционность, тем выше линейность.

Термоэлектрические преобразователи представляют собой устройства в виде одного или нескольких спаев проводников, образующих термопары, выходная ЭДС которых пропорциональна разности значений температуры в точках расположения «холодного» и «горячего» спаев.

Материалы, образующие термопары, должны, быть механически и химически устойчивыми при высокой температуре, иметь однозначную зависимость термо-ЭДС от температуры, иметь хорошую тепло- и электропроводность. Тепловая инерционность термопар в защитной оболочке колеблется в зависимости от конструкции и материала от 0,5 до 10 мин. Диаметр проводов для изготовления термопар выбирают в пределах от 0,1 до 0,5 мм. Наиболее распространены термопары металлов: медь — константан (4,15 мВ/100 °C), хромель — копель (6,95 мВ/100 °C), платина — платинородий (0,64 мВ/100 °C). Термопары — один из наиболее распространенных видов преобразователей, используемых для измерения температуры, мощности излучения ВЧ и СВЧ, скорости потока жидкости и газа и др.

В практике применяют также пьезоэлектрические, магнитострикционные электрохимические, фотоэлектрические, ферромагнитные, магнитные и другие преобразователи, но они имеют меньшее распространение, чем рассмотренные выше.

Подробно о большинстве существующих преобразователей можно узнать из книг:

_{1. Логинов В. Н. Электрические измерения механических величин. — М.: Энергия, 1976.}

_{2. Смирнов А. Д. Радиолюбители — народному хозяйству. — М.: Энергия, 1978.}

_{3. Трейер В. В. Электрохимические приборы. —М.: Советское радио, 1978.}

_{4. Электрические измерения неэлектрических величин/Под ред. П. В. Новицкого. — Л.: Энергия, 1975.}

Из всех видов измерений неэлектрических параметров электрическими методами наибольшее распространение получили температурные измерения. Трудно найти область человеческой жизнедеятельности, где можно было бы обойтись без измерения температуры (измерение температуры различных объектов дистанционно, автоматическое регулирование температуры в сушильных шкафах, холодильниках, парниках, определение по показаниям дистанционных термометров скорости потока, расхода жидкости и т. д.).

Из всех видов температурных преобразователей наиболее доступны для изготовления в кустарных любительских условиях медные проволочные терморезисторы (или, как их называли ранее, медные проволочные электрические термометры сопротивления — МПЭТС). Большинство регуляторов и измерителей температуры имеют в основе конструкцию термодатчиков. Их широкое использование связано с широкими пределами измеряемой температуры (от — 50 до + 180 °C), линейной зависимостью сопротивления от температуры и высокой стабильностью характеристик во времени. Последнее обусловливает их взаимозаменяемость. Кроме прочего, для их изготовления не требуется дефицитных материалов.

Сопротивление R_T медного терморезистора при некоторой температуре T можно найти из выражения: R_T = R₀(1 — аТ), где R₀ — сопротивление терморезистора при нулевой температуре; а — постоянный температурный коэффициент, равный 0,00427 1/°С.

В большинстве практических случаев удобно пользоваться термодатчиками с коэффициентом преобразования, равным 1 или 10 Ом/°С. Значения сопротивления таких медных проволочных терморезисторов при нулевой температуре равны 234,2 и 2342 Ом соответственно.

Наиболее распространенная конструкция самодельного терморезистора изображена на рис. 43. Терморезистор состоит из каркаса 2 с щеками, на котором намотано 1480 витков медного изолированного провода диаметром 0,05 мм. Обмотка бифилярная, ее концы припаяны к выводам 5 из монтажного провода, один из которых пропущен сквозь отверстие в каркасе. Выводы обвязаны бандажом из капроновой нити. Обмотка 3 защищена капроновой лентой 4. Вся конструкция покрыта оболочкой 1 из эпоксидной смолы.

Недостаток этой конструкции — большая трудоемкость изготовления и значительный разброс по сопротивлению. Последнее обстоятельство требует индивидуальной подгонки терморезисторов по номиналу в термостате при нулевой температуре. Изготовление таких термометров было доступно только высококвалифицированному персоналу. В целом же готовый терморезистор удобен в эксплуатации и надежен в работе в трудных климатических условиях.

Автором книги была разработана упрощенная технология изготовления терморезисторов. Основное ее отличие от старой — использование бескаркасной намотки увеличенного (до 30 мм) диаметра. Это дало возможность уменьшить число витков, ускорить намотку, резко уменьшить разброс сопротивления и исключить индивидуальную подгонку резисторов в термостате. Для их изготовления по новой технологии был разработан ручной намоточный станок. Он состоит из плиты-основания, на которой установлены четыре стоики для крепления двух катушек с проводом. Каждая катушка фиксирована на втулках, закрепленных на оси таким образом, чтобы обеспечить отсутствие радиального биения катушки. Самопроизвольному раскручиванию катушек в ходе намотки препятствуют фетровые шайбы, вложенные по бокам катушек. Оси закреплены в шарикоподшипниках. Провод с обеих катушек пропущен через направляющую шайбу из фторопласта, подвешенную на пружинах. Затем оба провода проходят через устройство, обеспечивающее регулируемое натяжение и представляющее собой две планки из фторопласта, сжатые пружиной. Усилие пружины регулируют гайкой. Далее провода пропущены между двумя направляющими роликами и поступают на оправку. Поверхность конусной оправки тщательно отшлифована. Она имеет небольшую конусность (10–15°) для обеспечения снятия готовой обмотки. На конце вала оправки установлена рукоятка, а другой конец соединен с счетчиком числа витков.

Все узлы станка должны быть выполнены очень тщательно, не должно быть никаких заеданий. Необходимо помнить, что намоточный провод тонок и малейший рывок приведет к его обрыву. Оправка изготовлена из углеродистой стали, закалена и отшлифована. Станок позволяет сматывать провод диаметром 0,05 мм с катушек массой до 1,5 кг. Масса катушек с проводом диаметром 0,02 мм не должна превышать 100 г.

Намотку ведут в два провода одновременно с обеих катушек. Обмотка состоит из 142 витков провода диаметром 0,05 мм «ли 28 витков провода диаметром 0,02 мм.

Снятую с оправки станка обмотку складывают пополам (см. рис. 44), перегибают, скручивают, зачищают и спаивают оба проводника с одного из концов. К выводам получившегося компактного «кокона» припаивают тонкие гибкие выводы, вкладывают бумажную бирку с номером и плотно обматывают капроновой нитью. Изготовленный терморезистор необходимо герметизировать эпоксидной смолой.

Для герметизации терморезисторов удобно использовать устройство, схематично изображенное на рис. 45.

Оно состоит из деревянной подставки 1 (рис. 45,а) с вставленными в нее шпильками 4 для фиксации выводов терморезисторов и десятиместной заливочной формы. Форма представляет собой матрицу 3, сложенную из двух фторопластовых планок и двух накладок 2 из латуни. Весь пакет сжат в единое целое двумя винтами. В планках 3 просверлены отверстия — заливочные камеры (рис. 45,б). Стенки заливочных камер должны быть как можно более ровными и гладкими.

Заготовки терморезисторов помещают в заливочные камеры, закрепляют выводы и камеры заполняют эпоксидным компаундом, подогретым до 60–80 °C для лучшей текучести (100 масс, частей эпоксидной смолы ЭД-5, 10 масс, частей отвердителя — полиэтиленполиамина и 15–20 масс, частей пластификатора — дибутилфталата). Через сутки форму разбирают и извлекают из нее готовые терморезисторы.

Раковины и заусенцы удаляют вручную. Сопротивление терморезисторов измеряют при нулевой температуре, опустив их в сосуд Дьюара, заполненный смесью тающего льда с дистиллированной водой. Разброс номиналов сопротивления обычно не превышает 1–2 %.

Терморезисторы, предназначаемые для проведения длительных температурных измерений (так называемые многолетние), подвергаются искусственному старению — кипятят в течение суток в воде, а затем подключают к источнику тока и в течение месяца пропускают через них переменный ток 40 мА, если они изготовлены из провода диаметром 0,05 мм, и 10 мА — если из провода 0,02 мм.