§ 19-6]

Ламповые, радиационные и обращенные датчики

Таблица 19-11

Параметры некоторых типов фотоэлементов с внешним фотоэффектом

Примечание. Данные таблицы соответствуют величине светового потока до 0,03 лм для типов ЦГ-1.ЦВ-1. ЦГ-4 и ЦВ-4 и до 0,05 лм для типов ЦГ-3 н ЦВ-3-

19-6. ЛАМПОВЫЕ, РАДИАЦИОННЫЕ И ОБРАЩЕННЫЕ ДАТЧИКИ

Ламповые датчики

Основной характеристикой работы этого вида датчиков служит зависимость анодного тока электронной или ионной лампы от, геометрических размеров ее электродов и расстояния между ними.

С

Рис. 19-15. Устройство ламповых датчиков.

а - датчик с внутренним управлением; б - датчик с внешним управлением. / - неподвижный электрод; 2 - подвижный электрод; 3 - упругий элемент; 4 - баллон лампы.

Ламповый датчик представляет собой электронную лaшy, отдельные электроды которой при внешнем механическом, воздействии на них могут смещаться относительно других, неподвижных электродов,

Перемещение подвижного электрода может быть произведено как непосредственно под воздействием механической величины (лампы внутреннего управления), так и через посредство эластичной части баллона (лампы внешнего управления). Конструкции ламп обоего типа чрезвычайно многообразны.

На рис. 19-15, а приведен схематический пример выполнения лампы внутреннего управления, которая может использоваться как датчик ускорения, а на рис. 19-15, б показано устройство лампы внешнего управления, используемой для преобразования различного рода перемещений.

Ламповые датчики сложны по конструкции. Для них необходима стабилизация питающих напряжений. Но зато они обладают большой чувствительностью преобразования. Кроме того, в таком датчике наряду с преобразованием входной неэлектрической величины может осуществляться усиление выходной электрической величины. j

Радиационные датчики

В радиационных датчиках используется воздействие входной преобразуемой величины на интенсивность проникающего излучения (а-, Р- или у-лучей). В состав датчика входят источник и приемник проникающего излучения.

В качестве источников излучения применяются искусственные радиоактивные вещества. Данные некоторых наиболее часто употребляемых изотопов приведены в табл. 19-12.

Данные некоторых радиоактивных изотопов

Таблица 19-12

Элементы

Массовое число А

Бериллий, Углерод Натрий Кобальт . Стронций Цезий - Европий . Европий Таллий . Полиций .

Период полураспада, год

Радиоактивная постоянная,

Характер излучения

Энергия излучения, мэв

Энергия частиц

Энергия квантов

Приемниками жестких излучений могут быть; 1) ионизационные камеры; 2) пропорциональные счетчики; 3) счетчики Гейгера-Мюллера; 4) сцннтилляционные счетчики; 5) кристаллические счетчики. Три первых вида приемников основаны на измерении интенсивности ионизации, возникающей при действии а-, Р- и Y-лучей. В сцинтил-ляционных счетчиках используются явления люминесценции кристаллов некоторых веществ под воздействием а-,

Р- и Y-излученнй. Возникающий при этом световой поток измеряется фотоэлементом (фотоумножителем). Действие кристаллических счетчиков основано на явлении возникновения проводимости в кристаллах некоторых веществ при их облучении жесткими лучами (Y-лучами).

На рис. 19-16 приведена схема радиационного датчика с ионизационной камерой, которая является его основным элементом. Камера представляет собой сосуд, заполненный газом. Протекание ионизационного, тока происходит между двумя электродами, находящимися в камере под напряжением (в датчике на рис. 19-16 в качестве одного электрода используется сама камера). Величина ионизационного тока пропорциональна интенсивности излучения, проникающего в камеру. Если между излучателем и приемником поместить какое-либо тело, то величина излучения, проникающего в камеру, а следовательно, и ток в ионизационной камере будут зависеть от качества тела, его размеров, скорости перемещения и т. д.).

Излучение радиоактивного вещества не зависит от температуры, давления и других внешних факторов окружающей среды. Салю излучение не вызывает изменений в исследуемой неэлектрической величине и способно проникать в глубину конструкции датчика. Эти особенности ионизационных преобразователей позволяют использовать их в условиях высоких температур и давлений.

Радиационные датчики могут использоваться для измерения геометрических размеров тел, перемещений, плотности, темперг.туры. газов и ряда других измерений.

Рис. 19-16. Устройство ионизационного датчика.

1 - ионизационная камера-

2 - электрод; 3-исследуемый материал; 4 - радиоактивный источник нониза-цни; -нагрузочное сопротивление.

Обращенные датчики

Принцип действия обращенных датчиков основан на сравнении двух неэлектрических величин, одна из которых измеряемая, а другая получена путем преобразования известной электрической величины. Эти датчики используются главным образом как измерители.

В качестве иллюстрации на рис. 19-17 приведена упрощенная схема стробоскопического тахометра. Неоновая

Рнс. 19-17. Устройство стробоскопического тахометра (пример обращенного преобразователя).

лампа / периодически залсигается импульсами напряжения, вырабатываемыми блокинг-генератором 2. При совпадении частоты вспышек с частотой следования меток, нанесенных на вращающемся объекте 3, последний будет казаться неподвижным. Зная частоту блокинг-генератора, можно определить частоту вращения объекта.

Другим примером обращенного преобразователя является электрооптический пирометр, служащий для измерения высоких температур.

Обращенные преобразователи применяются в качестве звеньев обратной отрицательной связи при построении высокоточных измерительных устройств неэлектрических величин.

19-7. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ

Измерительная цепь в электрическом приборе для измерения неэлектрической величины может выполнять функции согласования, компенсации, преобразования, усиления и др. Важной характеристикой из.мернгельной цепи является ее чувствительность, под которой понимается

§ 19-7]

Измерительные цепи

отношение приращения выходной величины к приращению входной.

Выходной величиной измерительной цепи может быть ток измерительного прибора /д, включенного на выходе цепи, а входной - электрическая выходная величина датчика ДУИ. В этом случае чувствительность измерительной цепи может быть представлена следующим выражением:

с

ч- дм

Чувствительность прибора, предназначенного для измерения электрическим методом неэлектрической величины, определяется как отношение приращения числа делений шкалы выходного прибора (указываемых стрелкой) к измерению входной неэлектрической величины AN; она выражается через чувствительности входящих в прибор элементов следующим образом:

Да ДМ Д/и Да п = ~ДЛГ = ДЛГ ~КМ = SpSuSti.

где 5д, 5ц и 5и - чувствительности датчика, измерительной цепи и измерителя.

При расчете стремятся обеспечить заданную техническими условиями чувствительность прибора в целом, при этом чувствительность измерительной цепи должна выбираться по возможности наибольшей. В зависимости от выходной величины измерительная цепь характеризуется чувствительностью по току или по напряжению.

В качестве измерительных схем наиболее широкое применение получили следующие: 1) мостовые схемы переменного и постоянного токов; 2) дифференциальные схемы; 3) компенсационные схемы.

Мостовая схема на постоянном токе

Мостовая измерительная схема на постоянном токе представлена на рис. 19-18. Применяются два основных вида этой схемы: 1) схема равновесного моста, использующая нулевой метод измерений, и 2) схема неравновесного моста, с помощью которой осуществляется измерение методом непосредственного отсчета. При измерении не- \ iX У электрических величин могут ис-1/ yRu пользоваться оба вида мостовых

? 6 \у 1 схем. Равновесные мостовые схемы часто применяются также в системах .автоматического регулирования или управления различного рода процессов.

Равновесный мост. Условие равновесия моста (/д = 0) выполняется при

в том случае, если выходной величиной датчика является сопротивление (например, проволочные датчики, термосопротивления и т. п.), датчик включается в качестве одного из сопротивлений (плеча) моста. При изменении входной неэлектрической величины изменяется сопротивление датчика. Это приводит к нарушению условия равновесия моста и отклонению стрелки прибора. В равновесном мосте измерительный прибор служит индикатором наличия разбаланса. Схема балансируется перемеще- нием движка регулировочного реостата. Перемещение двюкка этого реостата может быть отградуировано в единицах измерения неэлектрическои величины.

Зависимость изменения величины сопротивления датчика и перемещения движка регулировочного реостата

Рнс. 19-18. Схема измерительного моста постоянного тока.

получается линейной в том случае, если датчик и реостат соединить последовательно и включить их вместе как одно сопротивление в мостовую схему (например, вместо сопротивления на рис. 19-18).

Если представить все сопротивления моста через сопротивление одного из плеч, например:

Rs = mRi, i?3= nRi, i?4= mnRj\ R = qR,

где m, n a q - постоянные коэффициенты, то чувствительность равновесного моста по току для режима U = const (внутреннее сопротивление источника питания значительно меньше входного сопротивления моста, /?вн <g С Rm) при условии изменяющегося R может быть определена из выражения

Д/и и

SmU - ло - sc/-

где 1(7 =

(1-Ьга)

Максимальная чувствительность при постоянных значениях п и q получается, если

1/ У l + n

+ n + q-

Чувствительность равновесного моста по току для режима / = const (/?в„ > R) при условий изменяющегося Rl определяется выражением

Д/и /

Sm/ - д; - Rii

где

Максимальная чувствительность при постоянных т и q получается, если

Дополнительным условием при выборе величины сопротивлений мостовой схемы может быть условие ограничения тока в элементах моста и, в частности, в одном из сопротивлений, выполняющем функцию датчика Z. Если известен максимально допустимый ток через датчик /iMaKc и величина сопротивления датчика то при данном значении величины питающего напряжения величина коэффициента т может быть определена из следующего выражения:

m = -nj--1.

При расчете практических мостовых схем обычно исходят из того, что к имеющемуся электрическому датчику /?1 и измерительному прибору /?и необходимо подобрать элементы мостовой схемы так, чтобы обеспечить нужную чувствительность всего измерительного устройства.

В случае, когда в измерительную диагональ моста включается высокоомный (лалшовый) вольтметр или же высокоомный вход усилителя, ток в измерительной диагонали можно считать равным нулю. Чувствительность