27.03.01_Физические основы измерений и эталоны_Курс лекций
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВПО «КубГАУ» Кафедра ремонт машин и матриаловедение С.А Твердохлебов Краткий курс лекций подисциплине “ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ЭТАЛОНЫ ” для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 27.03.01 Стандартизация и метрология Краснодар 2012 1 Оглавление. Введение. Глава 1. Измерение геометрических размеров, перемещений скорости. §1. Реостатные преобразователи. §2. Индуктивные преобразователи. §3. Трансформаторные преобразователи. §4. Тензорезисторы. §6. Емкостные преобразователи. §7. Индукционные преобразователи. §8. Пьезоэлектрические преобразователи. Глава 2. Измерение параметров потоков энергии. §1. Тепловые преобразователи. §2. Оптические преобразователи. §3. Измерение ионизирующего излучения. Глава 3. Измерение физико-механических свойств материалов легкой промышленности. §1. Измерение поверхностной плотности. §2. Измерение звукопроницаемости. §3. Измерение теплопроводности ткани. §4. Измерение влажности. 2 Введение Согласно ГОСТ под измерением понимается нахождение опытным путем с помощью технических средств значений физической величины. В общем случае измерение есть процесс сравнения измеряемой величины с мерой. Для измерения неэлектрических величин применяют первичные измерительные преобразователи, которые преобразуют одну физическую величину в другую и чаще всего – в электрическую. Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размерами другой, функционально с ней связанной. Все измерительные преобразователи работают на известных физических эффектах и первичные преобразователи выполняют одно частное измерительное преобразование. Основное требование к измерительным преобразователям – минимальная потеря информации, т.е. минимальные погрешности. Приборы для измерений как электрических, так и неэлектрических величин конструктивно можно разделить на самостоятельных узла: датчик, измерительное устройство, регистратор, которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяться между собой линиями связи. Датчиком называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещенных непосредственно у объекта измерения. Регистратор – измерительное устройство представления информации, имеет много вариантов исполнения: визуальный, звуковой, регистрирующий (самописец) и др. Линия связи возможна как электропроводная, так оптикопроводная, радиорелейная. Раздельное конструктивное выполнение датчиков, измерительных устройств и регистраторов обеспечивает гибкость, взаимозаменяемость, быстрый ремонт и универсальность электрической аппаратуры. К параметрам одежды можно отнести такие ее свойства, как: своевременное удаление из-под одежного пространства влаги, жира, пота, углекислого газа и т.д. Одежда должна иметь минимальную пылеёмкость и загрязняемость, должна хорошо и легко очищаться. Эти свойства можно отнести к физическим свойствам не электрического характера, которые и могут быть измерены измерительными преобразователями. Ряд других свойств, которые нельзя оценить техническими устройствами, такие, как хорошая посадка на фигуре, удобство и др., оцениваются группой экспертов. 3 Глава 1 Измерения геометрических размеров, перемещений. скоростей. В легкой промышленности для контроля за ходом технологического процесса, контроля качества полуфабриката, норм расхода применяют датчики линейных и угловых перемещений, скоростей, ускорений (усадка, вытяжка материалов – большие перемещения, толщина материала или их покрытия – малые перемещения, порядка мм, мкм).Первичные преобразователи и датчики на указанные диапазоны, преобразующие перемещение в электрические сигналы и рассмотрены ниже. §1. Реостатные преобразователи. Реостатный преобразователь – прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измерительной величины. Входной величиной преобразователя является линейное или угловое перемещение движка; выходной – изменение его сопротивления. Устройство преобразования показано на рис.1 4 5 3 1 2 5 5 рис.1 Он состоит из каркаса 1, на котором намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и тока съемного двиэка 3, укрепленного на оси 4. 5 – выводы. Каркас с намоткой может иметь и переменное сечение (штриховая линия), тогда функция преобразования R=f(x) (х - перемещение) является нелинейной, или каркас может быть кольцевой, тогда R=f(α) (α– угловое перемещение). При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки ∆x=λ сопротивление изменяется на ∆R=(dR/dx)λ, где dR/dx – производная 4 требуемой функции преобразования R=f(x) по перемещению движка. При перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на величину, равную сопротивлению одного витка. Потенциометрическая схема включения преобразователя показана на рис.2 Rp Rн U Uн рис.2 Если сопротивление нагрузки RH велико (RH>>RP), что током в нем можно пренебречь по сравнению с током в RP, то рассмотренный преобразователь работает в режиме холостого хода и напряжение на нагрузке UH=UR/RP пропорционально сопротивлению R. Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования R=(RP/ℓ)x, то напряжение UH пропорционально перемещению движка UH=(U/ℓ)x, (ℓ - перемещение) Для анализа цепи с нагрузкой RH соизмеримой с RP можно воспользоваться теоремой об активном двухполюснике. Тогда UH = UR U , Rp 1 RRp R / RpRh 1 1 где β=R/RP – относительное изменение сопротивления преобразователя; α=RP/RH – коэффициент нагрузки. Зависимость UH от β для различных α приведена на рис.3. 5 рис.3 Для холостого хода UH=UX – прямая линия. Тогда погрешность ∆U=UH-UX. Для уменьшения погрешности следует увеличить RH. С изменением температуры изменяется сопротивления преобразователя по формуле Rt=Ro(1+αt), где α – температурный коэффициент сопротивления; Ro – сопротивление при t=0оС. В режиме холостого хода температура не вызовет погрешность, а при RH≈RP– скажется температура. Реостатному проволочному преобразователю присуща погрешность дискретными, т.е. скачкообразными изменениями сопротивления на ∆R при переходе движка с одного витка на другой. Тогда максимальное значение приведенной погрешности γR=±∆R/2RP. Если ∆R равны по всему диапазону, то RP=n∆R γR=±1/2n где n – число витков в обмотке. В практике применения корпус реостата крепится неподвижно, а движок – к измеряемой перемещение величине. Длина перемещения x равна длине реостата ℓ и может иметь несколько десятков сантиметров. §2. Индуктивные преобразователи. Типы индуктивных преобразователей изображены на рис.4 6 F F б) а) F в) рис.4 Рабочее перемещение подвижного якоря (зазора б) в схеме а) равно 0,01 – 10м, в схеме в) -5 -20мм. Схема в) имеет катушку, внутри которой помещен стальной сердечник. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Длина перемещения составляет 10 – 2000 мм. Функция преобразования преобразователя получена на примере схемы а). Индуктивность катушки L=nФ/I (1) где n – число витков; Ф – магнитный поток; I – ток катушки. Из закона полного тока In=Hℓ/n (2). Подставляя в (1) получим L=n2/RM где RM=Hℓ/Ф – магнитное сопротивление преобразователя. Если пренебречь рассеянием магнитного потока, и кривой намагничивания стали, то для схемы а) RM=RСТ+К3=ℓСТ/M0SСТ+2δ/M0S, где RСТ – магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода: 7 lст – длина средней силовой линии по стальному участку; S –поперечное сечение магнитопровода; µ - магнитная проницаемость стали; µо = 4 π · 10-7 Гн/м – магнитная постоянная; R3 – магнитное сопротивление воздушного зазора, имеющего длину δ и сечение S. Будем считать Sст = S, тогда: L=µо· S · n²/(2 δ+ lст/ µ). Если пренебречь активным сопротивлением, то полное сопротивление Z равно: Z= j · ω · L= j ·ω ·n² · µо · S/(2 δ+ lст/ µ) ≈ j·ω·n²·µо·S/2·δ В последнем равенстве из-за того, что 2·δ>>lст/µ, lст/µ - пренебрегли. Чувствительность S= lim=(Δ Z/ Z) / Δ δ=(1/ Z)(d · Z/ d · δ) Δ δ→0 Таким образом S=-2/(2 δ+ lст/µ) ≈ 1/ δ Описанные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков: функция преобразования нелинейная, влияние температуры на активное сопротивление, сила притяжения якоря. Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи. Они состоят из 2-х одинарных преобразователей, которые имеют общий подвижный элемент. (рис. 5). При перемещении якоря одна индуктивность возрастает, другая – уменьшается. Включаются L1 и L2 в дифференциальные цепи (рис. 6). В результате погрешность и возрастает в2 раза чувствительность. δ1 δ2 L1 L2 8 L1 L2 рис.5 X Z1 R U Uвых Rн Z2 R рис.6 Z1, и Z2 – полные сопротивления секций дифференциальных индуктивных преобразователей. Сопротивление других плеч могут быть как активными, так и реактивными. Источник питания U и Rн могут меняться местами. Мосты обычно проектируются так, что напряжение на измерительной диагонали отсутствует, если его якорь находится в среднем положении. При этом сопротивление плеч Z1 и Z2 равны между собой и их значение принимаем за Z0. При перемещении якоря сопротивление одной секции становится равным Z1= Z0+ΔZ1, а другой Z2=Z0-∆Z2. При малых перемещениях якоря изменения сопротивления линейно зависит от перемещения, и ΔZ1= ΔZ2= ΔZ. Разбаланс моста пропорционален изменению ΔZ двух плеч, т.е. возрастает в 2 раза. Чувствительность схемы: S=Uвых / (Δ Z/ Z0). Uвых комплексная величина. Ее аргумент определяет фазовый сдвиг напряжения относительно напряжения питания. При изменении знака ΔZ с плюса на минус также изменяется знак напряжения Uвых . для переменного напряжения это соответствует изменению его фазы на 180º. 9 Погрешности индуктивных преобразователей определяются влиянием температуры на активную составляющую полного сопротивления индуктивности и на магнитную составляющую стали. Амплитуда напряжения питания скажется на магнитной проницаемости стали, а частота – на сопротивление резисторов. Частично эти погрешности можно уменьшить схемными решениями: стабилизация источника питания, фазочувствительный выпрямитель и др. §3. Трансформаторные преобразователи. Трансформаторный преобразователь представляет собой трансформатор, у которого под влиянием входного сигнала (механическая сила) перемещается подвижный якорь или сердечник и изменяется взаимная индуктивность, что приводит к изменению вторичного, выходного напряжения. Преобразователи с изменяющимся магнитным сопротивлением конструктивно аналогичны индуктивным и отличаются тем, что имеют две обмотки. На рис. 7 изображен дифференциальный трансформаторный преобразователь. Он содержит 2 одинарных преобразователя с общим подвижным якорем. Одинарный выделен пунктиром. 10 U1 U2 рис.7 Рассмотрим механизм работы. Ток I1 в катушке n1 создает магнитный поток, который замыкается через магнитопровод и индуцирует ЭДС в n 2 Втамплитудная индукция l2 = ω n2 S Вт sinω t, где ω n2 S Вт – амплитудная ЭДС ε2 ; sinω t – закон изменения ЭДС. ω n2 S Вт = ε2. умножим и разделим ε2 на Hl. ε2 = ω n2 S Вт · (Hl/ Hl); S Вт = Φм; ; Φм / Hl = 1/ Rм ; Hl= I1 n1 . ε2 = ω n1 n2 I1 / RXм . RX - взаимное магнитное сопротивление. Если считать Φ1 = Φ2 то RXм = Rм . Магнитная цепь трансформаторного преобразователя аналогична магнитной цепи индуктивного, поэтому функция преобразования имеет вид: ε2 = ω n1 n2 I1 µ0 S (2 δ + lст / µ). Пренебрегая магнитным сопротивлением стали lст/µ0 «2 δ, получим: 11 ε2 = ω n1 n2 I1 µ0 S / 2 δ. ε2 будет зависеть только от δ, если ток I1 не зависит от перемещения якоря. Однако, если преобразователь включить к источнику стабильного напряжения U1 , то при уменьшении воздушного зазора δ возрастает индуктивность первичной обмотки (см. индуктивный преобразователь) L1 и сопротивление первичной цепи ω L1 , что ведет к уменьшению тока I1 и вторичной ЭДС ε2 . она будет меньше расчетной. Большей стабильностью первичного тока обладает дифференциальный преобразователь. У него первичные обмотки соединены последовательно, а вторичные – встречно. При перемещении якоря сопротивление одного Z1 возрастает, а другого Z2 уменьшается. В целом сопротивление первичной цепи остается без изменения, а ток I1 – постоянным и равным I1= U1 / (Z1+ Z2) ≈ U1 / (2ωL0), а ЭДС зависит только от зазора S. ЭДС дифференциального преобразователя равно разности ЭДС одинарных, так как они включены встречно ε2 = ε21 - ε22. Чувствительность возрастает в 2 раза относительно одинарного. Электрические цепи первичной и вторичной развязаны. Все причины вызывающие погрешности трансформаторных аналогичны индуктивным, но имеются специфические причины, обусловленные протеканием тока во вторичных обмотках и изменением их сопротивления. Погрешность отсутствует при измерении ЭДС ε2 компенсационным методом. §4. Тензорезисторы Измерение малых перемещений можно осуществить с помощью тензорезисторных преобразователей. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключается в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности К, определяемой как отношение изменение сопротивления материала к изменению суммы проводника: К = εR/εe; где: εR= εe = R - относительное сопротивление материала; R - относительное изменение длины Для жидких материалов, практически не меняющих своего объема при деформации, коэффициент тензочувствительности К = 2. 12 Это следует из того, что сопротивление проводника при постоянном объеме зависит от квадрата его длины: R K R 2 ; S V R V 2 * ; R / 2, R где: S – площадь поперечного сечения проводника; V – объем проводника; ρ – удельное сопротивление. И для металлов изменение их длины связано с изменением их объема, причем изменение объема в зоне упругой деформации характеризуется коэффициентом Пуассона в ; е в поперечная деформация. в В этом случае для металлов при 0,24-0,4; к = 1,48-1,8 где: в Но практика показывает, что для металлов к>2, а для полупроводников к ≈ 100. Значит, при деформации изменяется и ρ. Зависимость R от относительной деформации E с достаточной точностью описывается линейным двучленом R R0 ( К ) где: R0 – сопротивление без деформации; К - тензочувствительность. В технике измерений неэлектрических величин тензорезисторы используются как для измерения объемного давления, тогда входной величиной является давления, а выходной изменение активного сопротивления: так и для измерения растяжения или сжатия, когда входной величиной является перемещение, а выходной – измерение R. Конструктивно тензорезистор реализован как тонкий длинный проводник. Фальговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фальговая тензочувствительная решетка толщиной 4-12 мам из константана. Решетка сверху покрыта лаком. (Рис.8). Проволочные имеют аналогичное устройство, но его решетка выполнена из проволоки диаметром 20 – 50мкм. Фальговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5-20 мм, ширину 3-10 мм. их номинальное сопротивление равно 50,100,200,400,800 Ом. Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластину монокристалла кремния или германия длиной 5 – 10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К её торцам приварены 13 выводы. Чувствительность К= 50 – 150. Их существенный недостаток – зависимость R от температуры. Наиболее часто тензорезисторы включаются в схему неравновесного моста (Рис. 9). Если сопротивление нагрузки Rн достаточно велико (режим хх), то выходное напряжение моста. Uввы UR1 /( R1 R2 ) UR3 /( R3 R4 ) U ( R1 R4 R2 R3 ) /( R1 R2 )( R3 R4 ) , где: U - напряжение питания. В качестве R1 и R2 включаются одинаковые тензорезисторы. При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны: R10=R20=R0 и если R3 = R4, ε=0, Uвых =0. когда: ε ≠ 0, R1 ≠ R2, Uввы U / 2( R1 R2 ) R1 R2 Мостовая цепь является дифференциальной и при R1=R0 + ∆R и R2 = R0 выходное напряжение цепи и чувствительность в режиме холостого хода Uввы UR /UR0 , Sх Uввы /( R / R0 ) U это схема первого рода. 4 При схеме второго рода, когда R1=R0+∆R и R2=R0-∆R, выходное напряжение тензорезисторного моста не превышаем 10-20 мВ и для дальнейшего преобразования требуется усиление. Расчет тензорезисторов сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой мощности рассеяния. При перегреве расчет погрешность. Нагрев Q тензорезистора по сравнению с температурой детали, на которую он размещен, равен Q RТ S о у , где: Rт – тепловое сопротивление, К/Вт; Sо – площадь поверхности теплоотдачи резистора, м2; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К); P у∂ - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2. Тензорезисторы рекомендуется накаливать на деталь, т.к. в этом случае в деталь отводится в 200-300 больше тепловой энергии, чем при отдаче в воздух. Численные расчеты показывает, что при наклейке на металл P у∂ ≈ 50 мВт/мм2, а допустимое значение тока 14 Уоп Rу Sо 5 20 мА R Погрешность измерения может возникнуть как за счет схемы решений, так за счет температурных изменений тензорезистора. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления константана, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора и детали. Температурную погрешность частично можно уменьшить применением компенсационных размеров, которые накаливаются поперек детали и не воспринимают продольные деформации, а температура влияния испытывают. В мостовых схемах их включают в смежные плечи с рабочим тензорезистором. §5. Емкостные преобразователи. Емкостный преобразователь предоставляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величин. Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполняют диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды межэлектродного пространства изменяется ёмкость конденсатора. Для плоского конденсатора ёмкость определяется выражением: С о S / , где: δ – расстояние между электродами; S – их площадь; εо- электрическая постоянная; ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Изменение любого из этих параметров изменяет ёмкость конденсатора. У преобразователя с прямоугольными электродами (Рис.10) S = bx и имеется некоторый диапазон перемещения пластин Х1 в котором ёмкость линейно зависит от Х. 15 В области линейной зависимости преобразователя это чувствительность S' чувствительность такого S ! dс / dх о в / постоянная и увеличивается с уменьшением δ. Если изменяется δ функция преобразования C=f (δ) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность преобразователя δ’=dC/dδ=εε0S/δ2. Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 1.1), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Ёмкость такого преобразователя определяется как ёмкость двух параллельно включенных конденсаторов. Функция преобразования описывается выражением C=Ce+Co=εo[CS+Sε(ε-1)]/ δ , см. рис. 1.1 Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме (мостовой). Схема дифференциального преобразователя углового перемещения α с переменной площадью электродов приведена на рис. 1.1 (в). В таких преобразователях средний подвижный электрод является общим для двух смежных плеч моста. Емкостной преобразователь включается в измерительную цепь, при этом изменение его ёмкости преобразуется в изменение напряжения или тока либо в частоту, а входной величиной является перемещение линейное или угловое. Наиболее простой измерительной схемой является мостовая. Номинальная ёмкость обычно лежит в пределах до сотен Пикофарад. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление достигает до 107 Ом. Для уменьшения таких сопротивлений частоту увеличивают до Мегагерц. 16 Погрешность емкостных преобразователей складывается из температурных (температура) можем изменить размеры электродов), влияния окружающих металлических предметов, емкостей измерительной цепи, вибраций и др. К достоинствам можно отнести простоту конструкции, малую массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жёсткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Заданием конфигурации электродов можно получить заданную функцию преобразования.[4] §6 Индукционные преобразователи. Индукционные преобразователи основаны на использовании явления электромагнитной индукции. Согласно этому закону, ЭДС в контуре определяется формулой е=-dФn/dt, где Ф – магнитный поток, n – число витков контура. Таким образом, выходной величиной является ЭДС, а входной – скорость изменения потока. В общем случае индукционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником или без сердечника, находящуюся в магнитном поле. При изменении одного из параметров: катушки, сердечника, магнитного поля; в катушке наводится ЭДС. Для катушки без сердечников уравнения для преобразования упрощаются и для основных видов преобразователей сводятся к следующим: а) для неподвижной катушки в переменном магнитном поле (В=Вmcosωt) e= ωnBmsinωt; б) для катушки, вращающейся с частотой Ω в постоянном магнитном поле с индукцией Во e=Ω nSBosinωt, где S- площадь катушки; в) для контура, отдельные части которого линейно перемещаются в магнитном поле В, изменяя площадь потока, сцепленная с катушкой, e=-dФ∕dt=-nBв(dx/dt), где в и x- размеры катушки, x изменяется, т.к. часть катушки выходит из магнитного поля. dx/dt- линейная скорость перемещения или dα/dtугловая скорость относительно магнитного потока. г) для отрезка длиной L, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью V так, что направления векторов L, B и V взаимно перпендикулярны, e=VBL. Индукционные преобразователи являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую. 17 Различают ряд типов преобразователей. Преобразователь скорости вибрации (рис. 12) Преобразователь имеет кольцевой магнит 1, ярмо 2, магнитный поток замыкается через 2, 3 и воздушный зазор, в котором находится катушка 4, которая может перемещаться по направлению Х. Катушку можно условно разделить на три части Ι-ΙΙΙ. Ι – находится вне магнитопровода, ΙΙ - находится в воздушном зазоре, где магнитный поток постоянен. Часть ΙΙΙ находится вне воздушного зазора, но внутри магнитной системы. Магнитный поток здесь постоянен, но при вибрации изменяется число витков, изменяется потокосцепление и наводится ЭДС, пропорциональная скорости вибрации. Тахометрические преобразователи. Примером их могут служить электромашинные генераторы. Частота ЭДС их определяется соотношением f=np/60, где n- частота вращения; p- число пар полюсов. На принципе работы индукционных преобразователей построено и ряд других датчиков: измерение числа импульсов, индукционные расходомеры, измерители индукции магнитных полей. Погрешности индукционных преобразователей в значительной степени зависят от условий их работы (температура, внешние механические вибрации, внешнее магнитное поле) и от режима работы. Наибольшая погрешность возникает в режиме, при котором через нагрузку течет значительный ток, т.е. при конечных значениях сопротивления нагрузки. Наименьшая погрешность – в режиме холостого хода или когда нагрузкой являются электронные устройства с большим входным сопротивлением.[4] 18 §7 Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле ( обратный пьезоэффект ). Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит изменение знаков заряда при замене сжатия растягиванием и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также специальные пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др. Физическую природу рассмотрим на примере кристалла кварца. На рис. 1.3 показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца.[5] Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти направления называются электрическими осями и по ним направлены векторы поляризации P1, P2, P3. Если к кристаллу приложить силу Fx, равномерно распределённую по грани то в результате деформации ячейки её электрическая нейтральность нарушится. Как показано на рис. 1.3 в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов P2 и P3 на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P1 . В результате появляется равнодействующая вектора поляризации. Ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых показаны на рис. 1.3. Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пъезоэффектом. При механических напряжениях вдоль оси Y (её называют механической осью) геометрическая сумма проекций векторов P2 и P3 на ось Y равна нулю, и на гранях пъезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Но сумма проекций векторов P2 и P3 на ось X оказывается не 19 равной вектору P1. В результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрицательные. Этот механизм называется поперечным пъезоэффектом. Поэтому при равномерном нагружении со всех сторон кристалл кварца остается нейтральным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной оси X и Y, называемой оптической осью, кристалл остаётся нейтральным. При механическом напряжении сдвига в отдельных вариантах возможно образование зарядов. При продольном пьезоэффекте на гранях, перпендикулярных оси X, появляются заряды q= d11Fx, где d11 – пьезоэлектрический модуль, равный 2,31*10 -12 К/н. (Кулон на Ньютон), d11 - практически постоянен до температуры 2000_С а затем с увеличением температуры немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 5000 С. При 0 температуре 573 С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Диэлектрическая проницаемость ε кварца=4,5,удельное объёмное сопротивление ~1012 Ом. При поперечном пьезоэффекте заряд может быть увеличен соответствующим выбором длин ребёр x и y: q=S1d12F2/S2d12S1=d12F2y/x Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна. 1.Преобразователи,в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения. 2.Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний. 3.Преобразователи, в которых используются прямой и обратный пъезоэффекты - пъезорезонаторы, применяются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот на резонансной частоте. Выходная мощность этих преобразователей очень мала, поэтому на выходе преобразователя может быть включён усилитель с большим входным сопротивлением. Эквивалентная схема преобразователя, соединённого кабелем с измерительной цепью представлена на рисунке 14, на котором 20 Co -ёмкость между гранями пъезоэлемента; Cn -ёмкость кабеля между жилой и экраном; Cbx -входная ёмкость измерительной цепи; Ro -сопротивление преобразователя; Rn- сопротивление изоляции кабеля; Rbx -сопротивление измерительной цепи. Эквивалентную схему мощность упростить(рис.14 в ),где сопротивление R равно сопротивлению параллельно соединённых всех R и ёмкость C=Co+Cn+bx.. При синусоидальной силе f=Fmsinωt/dt.Выходное сопротивление преобразователя вместе с цепью составляет Uвых=I[(R/jωc)/(R+1/(jωc))], где I=jωd11F; тогда Uвых=d11FωR/(1+ωRC). Как видно из последнего выражения, амплитуда напряжения и сдвиг фаз зависят от частоты: U вых = ( d11Fm/C)/ ( ωRC /√ (1+ω2 R2C2 )); φ=π/2+arctgωRC Из приведенных выражений следует, что напряжение на выходе не будет зависеть от частоты только при высоких частотах ω>1/RC и будет равно Uвых=d11F/C, т.е Uвых зависит от ёмкости. Поэтому ,если включить парвллельно преобразователю ёмкость можно расширять частотный диапазон, но уменьшить Uвых. Увеличить R технически сложнее, т.к. оно и так велико, порядка 109÷1010 Ом . Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надёжность в работе, широкий частотный диапазон, высокая точность преобразования механических величин в электрические. Эти достоинства и позволяют использовать пьезодатчики для датчиков давлений, ускорений, сил, а обратный эффект для создания генераторов ультразвуковых колебаний. 21 ГЛАВА ΙΙ. Измерение параметров потоков энергии. В число параметров, характеризующих материалы лёгкой промышленности, входят и такие: теплопроводность, теплоёмкость, коэффициенты отражения, поглощения света, радиоактивного излучения, электромагнитного излучения; или влияние этих энергетических полей на разрушения материалов. Методы измерения этих параметров построены на способах контроля уровня падающего потока, отражённого, поглощённого. Датчики контроля перечисленных энергетических потоков построены на преобразователях одной из физических величин в электрический сигнал с последующей измерительной схемой. § 1. Тепловые преобразователи. Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса , физический смысл которого заключается в том, что всё тепло, поступающее к преобразователю, идёт на повышение его теплосодержания Q , т.е. и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остаётся неизменным , то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого. Теплосодержание при неизменном агрегатном содержании вещества зависит от массы m и удельной теплоёмкости C материала преобразователя и связано с температурой преобразователя Т формулой QТС= mCT. Теплообмен состоит в переходе некоторого количества тепловой энергии из одной части пространства в другую. Теплообмен может осуществляться тремя способами: посредством теплопроводности, при котором перенос тепловой энергии происходит только путём взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру, такой теплообмен в чистом виде имеет место только в твёрдых телах. Теплообмен посредством конвекции совершается путём перемещения материальных частиц и может иметь место только в жидкостях и газах. Движение потоков Под действием внешних причин вызывает вынужденную конвекцию. 22 Теплообмен посредством излучения, которое представляет собой поток электромагнитных волн, излучаемых телом за счёт его тепловой энергии. § 1-1.Термоэлектрические преобразователи. Явление термоэлектричества было открыто в 1823 году Зеебеком и заключается в следующем. На границе соприкосновении двух различных проводников имеются контактные скачки потенциала, которые существуют и при разомкнутой цепи. Это значит, что в контактном слое возникает ЭДС. Сторонние силы появляются в данном случае в результате давления электронного газа, которое различно в различных проводниках. Если соединить три проводника последовательно (рис.1.4), тогда распределение потенциала в цепи имеет вид (рис.1.5). Скачки потенциалов в контактах В, С равны по величине, но противоположны по знаку и показание вольтметра равно нулю. Если температура контактов неодинакова, то ЭДС цепи не рана нулю. Это явление получило название термоэлектричества. Положим в рис 1.4 температура Т1 больше Т2, т.к. тепловые скорости электронов вблизи контакта В больше, чем в контакте С, то в проводнике 2 возникает поток диффузии электронов, направленный от В к С. Поэтому в проводнике 2 возникнут электрические заряды, а внутри проводника возникнет электрическое поле такой величины, чтобы ток дрейфа компенсировал ток диффузии. Следовательно, при наличии в проводнике градиента температуры в нём возникнёт и градиент электрического потенциала. Однако термо ЭДС обусловлена и контактными скачками потенциала U12 и U21 (рис.1.6) 23 Сумма их уже не равна нулю. Напряжение V вольтметра (рис.1.4) и равно по величине Т.Э.Д.С. и складывается из двух физических явлений. Подобная цепь, состоящая из двух различных проводников, называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой. Проводники, составляющие термопару, - термоэлектроды, а места их соединения-спаи (рис 1.7). Опыт показывает, что у любой пары двух проводников значение Т.Э.Д.С. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него разрыв другие проводники. И если все появившиеся соединения имеют одинаковую температуру, то не возникнет никаких паразитных термо ЭДС. Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис.17). Значение термо ЭДС в этом случае определяется как : АВ (Т1 ) ВС (Т 2 ) СА (Т 3 ) АВ (Т1 ) АВ (Т 2 ) Можно разорвать один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник. Значение термо-ЭДС не изменится. Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834г. Пелатье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном слое и поглощается в другом. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температуры. Кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи. Для конструирования термопар можно воспользоваться данными для ряда металлов, которые развивают термо-ЭДС в паре с платиной при температуре рабочего спая Т1=100 С и температуре свободных концов То=0 С (табл.1). материал кремний сурьма термо-ЭДС +44,8 +4,7 материал алюминий никель 24 термо-ЭДС +0,4 -1,5 хромель нихром железо медь серебро алюмель константан копель +2,4 +1,8 0,76 0,75 0,72 -1,7 -3,4 -4,5 Зависимость термоЭДС от температуры в широком диапазоне температур нелинейная, поэтому данные таблицы нельзя распространять на более высокие температуры. При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой отрицательную термоЭДС, тогда их суммарная ЭДС складывается. Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образуемых термобатарею, у которой рабочие спаи имеют не равные температуры, а электроды соединяются последовательно. Рабочие концы термоэлектродов спаяны и находятся на объекте измерения, а свободные концы должны находиться при постоянной температуре. При большом удалении объекта измерения от измерительного прибора не всегда возможно выполнить термоэлектроды длинными. Поэтому термоэлектроды можно удлинять из материала другого металла. Чтобы при этом не изменялась термоЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое - места присоединения удлинительных электродов к основным термоэлектродам должны иметь одинаковую температуру. И второе – удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичными основной термопаре, т.е. иметь ту же термоЭДС в диапазоне возможных температур места соединения термоэлектродов. Например – для термопары платинородий-платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную основной термопаре. При неправильном подключении удлинительных электродов возникает погрешность измерения. Другая погрешность возможна по причине изменения температуры свободных концов. Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной нулю. Если же температура их не равна нулю, а отличается на величину +Т, то измеренная ЭДС будет меньше и необходимо внести поправку в показания термометра. Величина поправки ∆Т связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k, называемый поправочным коэффициентом. Определить его приближенно можно из соотношения t k T0' , где Т0=00С; T0' - температура свободных концов. 25 Практически для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8-1; для платинародий-платина – 0,82 - 1,11. при малом значении ∆Т k можно принять равным 1. Для автоматического введения поправки на температуру нерабочих электродов на рис. 18 схематически показано устройство. рис. 18 В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор Rt из медной или никелевой проволоки, помещенный возле нерабочих спаев термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре Т0 мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры нерабочих спаев сопротивление Rt тоже увеличивается, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на диагонали корректирует уменьшением термо-ЭДС термопары. Полной коррекции нет, но погрешность уменьшается. В термоэлектрических термометрах для измерения ЭДС применяют как обычные милливольтметры, так и компенсаторы. С компенсаторами сопротивление цепи термо ЭДС роли не играет. В случае не измерения милливольтметра может возникнуть погрешность, вызванная изменением сопротивления цепи. В большинстве термометров на термопаре при их градуировке учитывается сопротивление внешней цепи, т.е. проводов и термопары (Rпр+Rт), равное 5 Ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления при монтаже прибора. Термопары промышленного типа и их основные параметры приведены в таблице 2. Предел измерений, 0С Обознач ение термопары ТПП Обознач ение градуировки ПП-1 ТПР ПР-30/6 ТХА ХА Материал термоэлектродов платинородий родия) - платина платинародий родия) - платина хромель - амель 26 от о -20 300 300 600 -50 000 (10% (30% Верхний д предел, кратковременный 1 1600 1 1800 1 1300 6 ТХК ХК хромель - копель -50 00 800 Для измерения температур ниже указанных в таблице 2 и выше применяются специальные термопары. §1—2. Терморезисторы. Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). К таким материалам в первую очередь относится платина, но может быть и медь. Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до +650°С выражается соотношением: Rτ=Ro(1+AT+BT2), Где Ro—сопротивление при 0°С; А=3,9684*10-3 /К; В=-5,847*10-7/К2, В интервале от 0 до 200 °С зависимость имеет вид: Rт=Ro(1+AT+BТ2+C(T-100)3, Где С=-4,22*10-12/К3. При расчете сопротивлений медных проводников в диапазоне от -50 до +180°С можно пользоваться формулой: Rт=Ro(1+αT), где α=4,26*10-3 К. Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление Rт2 (при температуре Т2) по известному сопротивлению Rт1(при температуре Т1), то следует пользоваться формулой: RT 2 RT 1 1 T2 1 T1 Конструктивно металлические терморезисторы изготавливаются в виде плоского или цилиндрического каркаса с бифилярной намоткой проволоки, с выводами и называются термометры сопротивления. Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС. Их ТКС отрицателен и пропорционален: α=В/Т2. Температурная зависимость ПТР описывается формулой B R Ae T где Т - абсолютная температура; 27 А-коэффициент с размерностью сопротивления; В- коэффициент с размерностью температуры. Если для ПТР не известны коэффициенты А и В, но известны Т1 и Т2, то величину сопротивления и коэффициент В можно определить из RT R1l B 1 1 B T T1 ; T1T2 R ln 1 T2 T1 R2 ПТР(термисторы) имеют более высокую чувствительность, малые габариты, большое сопротивление R0, но-нелинейную функцию преобразования, большой разброс их параметров, свойство стареть, т.е. менять параметры. Терморезисторы сопротивления чаще всего включается в мостовые измерительные цепи (рис.19). r1 R 2 R1 Um r3 RT R 3 r2 рис.19 На рис. 19 резисторы R1, R2, R3, Rт образуют мост; r1, r2, r3сопротивление соединенных проводников. Если длина r3 и r2 значительная (несколько метров), то может возникнуть погрешность от температурного изменения этой линии, т.к. она включена последовательно с Rт. Например, сопротивление r3 и r2 порядка 5 Ом, а Rт=53 Ом, то изменение температуры линии на 10ºC приведет к изменению показания прибора на 1ºC. Для уменьшения погрешности применяют трехпроводную линию. При этом термометр подключается к мостовой цепи так, чтобы два провода линии r2 и r3 вошли в разные плечи моста, а третий r1оказался подключенным последовательно с источником питания. При применении высокоомных термометров (например, полупроводниковых), когда их сопротивление много больше линии, этой погрешностью можно пренебречь. 28 По величине сопротивлений при 0ºС (R0) промышленные платиновые термометры изготавливаются трех типов: с R0= 10 Ом, R0= 50 Ом и R0= 100 Ом и охватывают диапазон измеряемых температур от -200ºС до +600ºС. Медные термометры выпускаются с R0= 50 Ом и R0= 100 и измеряют температуру от -50ºС до +180ºС. Генераторные термоэлектрические преобразователи представляют собой особую разновидность пьезоэлектрических кристаллов и отличаются от пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений. Благодаря этому указанная группа кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатическом давлении или тепловом расширении. Этот класс преобразователей в сочетании с электронными усилителями очень чувствителен к тепловым полям. Применяются тепловые преобразователи и для измерения других физических величин: скорости потока жидкостей или газов (термоанемометры); анализа состава и плотности газов (газоанализаторы); давления или разряжения газов (вакуумметры); механических перемещений. Основные недостатки подобных преобразователей – их инерционность и зависимость чувствительности от параметров окружающей среды: температура, давления, влажность. §2 Оптические преобразователи §2-1 Основные свойства оптического излучения Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, длина которых лежит в диапазоне 0,001-1000 мкм. Оптический спектр делится на поддиапазоны: -излучение, ультрафиолетовое излучение, радиоволны. Наибольшей чувствительностью человеческий глаз обладает в диапазоне 0,4-0,8 мкм. Для описания оптических явлений применяют три системы величин: энергетическую, световую (фотометрическую) и квантовую. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц – квантов, энергия которых составляет w=h, где h=6,6256*10-34Джс – постоянная Планта. Кванты видимого света обладают энергией 2-5эВ. Основной величиной энергетической и фотометрической систем является поток энергии , определяемых в Ваттах, а в системе фотометрических величин – в Люменах. Зависимость относительной спектральной чувствительности глаза К= V/(V)max называется кривой видности и равна 1 при =0,555 мкм. Связь между излучением абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой определяется основными законами. 29 Закон Стефана-Больцмана определяет связь между энергетической светимостью R АЧТ и его температурой: R=Т4, где = 5,6697*10-8Вт/(м2К4) – постоянная Стефана-Больцмана. Закон Плана дает качественную характеристику лучистого потока, указывая, как распределяется энергия излучения АЧТ по длинам волны: R(Т) = Сi -5expC2/(Т)-1-1, где Сi=3,7415*10-16 Вт*м2, C2=1,438810-2 м*К. Закон Галицина-Вина позволяет определить длину волны излучения АЧТ, соответствующую максимуму кривой R(Т); max=2898/Т max. Прохождением оптического излучения через вещество характеризуется поглощением и рассеиванием. Интенсивность пучка параллельных лучей при прохождении слоя среды толщиной убывает вследствие поглощения по закону: = 0e-К. Коэффициент поглощения К зависит от длины волны. У прозрачных веществ в видимой области спектра К составляет от 10-3 м-1 (воздух) до 1 м-1 (стекло). Изменением интенсивности излучения за счет поглощения в зависимости от толщины слоя, а также селективность поглощения лежат в основе действия целого ряда оптических преобразователей, предназначенных для определения толщины, уровня, концентрации, структуры и химического состава веществ. Электромагнитные волны, в том числе и световые, являются поперечными, а важной характеристикой оптического излучения является плоскость поляризации, т.е. плоскость, в которой лежит вектор напряженности электрического поля и направление распространения электромагнитной волны. Для многих веществ показатель преломления и скорость распространения имеют различные значения в зависимости от ориентации плоскости поляризации. Оптически активные вещества (сахар, высокомолекулярные соединения) способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света прямо пропорционально концентрации и толщины слоя. Поляризованность света характеризуется способностью вектора Е сохранять неизменной свою ориентацию в пространстве. §2-2 Источники оптического излучения В измерительных преобразователях в качестве источников излучения используются лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. Основными характеристиками источников излучения являются характер свечения (непрерывный или импульсный), спектральный состав излучения, мощность излучения, потребляемая мощность. Лампы накаливания имеют непрерывный спектр излучения, охватывающий видимую и инфракрасную области. Спектральный состав и 30 интенсивность свечения зависят от температуры нити, определяемой напряжением и током питания. Характер свечения – непрерывный. Газоразрядные лампы подразделяются на лампы непрерывного свечения и импульсные. Имеют линейный спектр свечения. Лазеры применяются газовые, твердотельные и полупроводниковые. Параметры свечения зависят от излучения и могут быть с непрерывным свечением, импульсным и одиночным. В измерительной технике наибольшее распространение получили газовые лазеры, излучение которых отличается высокой степенью монохроматичности и поляризованности. Светодиоды представляют собой излучающий p-n переход. Могут работать как в непрерывном режиме, так и в импульсном. Достоинствами их является высокий k*n*q, возможность модуляции, малые габариты, высокая надежность. §2-3 Приемники излучения Интегральные приемники – это тепловые преобразователи, принцип действия которых основан на преобразовании энергии излучения в температуру. К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи (ФП), в которых используются явления внешнего или внутреннего фотоэффекта. А) Фотоэлементы с внешним фотоэффектом – это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия их заключается в том, что кванты света достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрокатоды: катод и анод (рис. 20). Рис.20(а) Рис. 20(б) Электроток может покинуть катод, если энергия фотона больше работы выхода, т.е. h>А. А - работа выхода, которая зависит от химической природы и состояния поверхности. Поэтому спектральные характеристики вакуумных газонаполненных фотоэлементов целиком определяются свойствами фотокатода. ВАХ вакуумного фотоэлемента показана на рис. 20(в). 31 Физический механизм работы вакуумного фотоэлемента описывается уравнением Эйнштейна: h= А+(m2/2), где А - работа выхода, m2/2- кинетическая энергия свободного электрона. Частота = А/h – называется «красная граница фотоэффекта». При меньшей частоте энергия квантов меньше работы выхода и эффект невозможен. Преобразование светового потока в ток практически безинерционно, т.к. определяется временем фотоэмиссии (около 10-12 с), и временем пролета электрона (около 10-9 с). При измерении слабых световых потоков необходимо учитывать темновой ток. Это ток, вызванный термоэлектронной эмиссией с катода (около 10-12А) и ток утечки между электродами (около 10-10А). При слабых световых потоках эти токи могут быть сравнимы и погрешность достигнет 50%. Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи в несколько раз больше вакуумных. При заполнении фотоэлемента инертными газами фотоэлектроны, движущиеся к аноду, ионизируют газ и число носителей зарядов растет, растет и ток. Коэффициент газового усиления может достигнуть 6-7. Соответственно этому, чувствительность газовых фотоэлементов составляет S=100-250мкА/м., а инерционность выше вакуумных на несколько порядков. Фотоэлектродный умножитель (ФЭУ) – это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии (рис.21). Рис.21 Коэффициент вторичной эмиссии может составлять 2,5-4. Общий коэффициент умножения в многокаскадных умножителях достигает сотен тысяч и выходной ток может достигать 1mА. Процесс умножения практически безинерционен. Для питания фотоумножителей требуется высокое напряжение (около 1000В), нагрузка должна быть высокоомной (сотни килом). В) Внутренний фотоэффект реализован в фотоэлементе – фоторезисторе. Фоторезистор представляет собой однородную полупроводниковую пластину с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта, т.е. перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это возможно если 32 энергия квантов больше ширины запрещенной зоны. Т.к. ширина у ряда химических элементов различна, то и спектральная характеристика фоторезисторов различна и лежит в пределах 0,2-3 мкм по длине волны. По чувствительности фоторезисторы характеризуются кратностью изменения сопротивления под действием света. к=Rтем/ R200лк105 Вольтамперные характеристики линейны в пределах допустимой мощности рассеивания. Световая характеристика линейна только до 200 люкс. Постоянная времени составляет 10-2-10-5с. Недостатком фоторезисторов является то, что темновое сопротивление, чувствительность, инерционность сильно зависят от температуры. Для большинства фоторезисторов температурный диапазон составляет от -60 до +60С. Конструктивное исполнение фоторезисторов может иметь разнообразные конфигурации и размеры. Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоянного, так и переменного напряжения питания. Наиболее распространенной цепью питания является мостовая цепь. При выборе элементов мостовой цепи следует иметь в виду, что сопротивление фоторезистора изменяется в широких пределах и может внести дополнительную нелинейность. Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводниковых фотоприемников и содержат один и более p-n – переходов. При освещении p-n – перехода создается дополнительная концентрация носителей в переходной зоне и в областях p и n. Это приводит к усилению диффузии к p-n – переходу и в самом переходе. У диода, включенному в обратном направлении возрастает обратный ток. Наиболее распространены германиевые и кремниевые фотодиоды. Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых диодов – до =2мкм, для кремниевых - до эф=1,2мкм). Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном режимах. В фотодиодном источнике питание включается в обратном направлении и ток диода зависит от освещенности. Схемы включения показаны на рис. 22. Рис.22 33 В генераторном режиме в ФД преобразуется энергия светового потока в электрическую энергию. При освещении p и n областей за счет переходов носителей тока (дырок и электронов) из валентной зоны в зону проводимости растет концентрация основных и неосновных носителей тока. Неосновные носители электрическим полем объемного заряда переносятся из зон, где они неосновные, в соседнюю зону, где они основные. Концентрация их там растет и образуются некомпенсированные заряды, которые и создают потенциалы в пределах 0,-0,5В на холостом ходу. Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, обусловленная усталостью, старением, влиянием температуры. Основное их применение в следующих случаях: 1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала имеющего диск с отверстиями. 2. В качестве преобразователя в компенсационных измерительных приборах. 3. При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором §3 Измерение ионизирующего излучения §3-1 Ионизирующее излучение В измерительных приборах используются различные виды ионизирующих излучений (, , - излучение, нейтронное и рентгеновское излучение). Источниками излучений служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы и рентгеновские трубки. Основными понятиями, характеризующими ионизирующее излучение, являются активность источника, интенсивность излучения и доза излучения. и -излучения представляют собой потоки радиоактивных частиц, - излучение и рентгеновское излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, рассматриваемое часто по аналогии с и - частицами как поток - квантов. Рентгеновскому излучению соответствует интервал длин волн 1кэВ-1МэВ. Радиоактивные частицы (ядра атомов гелия, позитроны, электроны) 34 выбрасываются при распаде, и при каждом акте распада происходит выброс одной частицы. Число - квантов, сопровождающих один акт распада, может быть различным для различных радиоактивных веществ. Активность источника А характеризует число распадов, происходящих в нем в единицу времени, и зависит от удельной активности соединения, в которое входит радиоактивное вещество и от количества вещества в соединении. Основной единицей активности является распад в секунду, используется также единица активности 1Кu (Кюри), соответствующая 3,7*1010распад/с. - активность изотопов измеряют путем сравнения радиоактивных изотопов по ионизирующему действию их - излучения, проводя ее к эквивалентной активности радия, т.е в грамм-эквивалентах радия. Рентгеновское и - излучение характеризуется часто не энергетическими единицами, а ионизационной способностью излучения, оцениваемой способностью значением экспозиционной дозы, единицей которой установлен Кл/кг, кроме того, специальной единицей является рентген (1Р=2,58*10-4 Кл/кг). Рентгеном называется доза излучения, которая образует в 1 см3. воздуха (при 00С и нормальном давлении) ионы, несущие одну электростатическую единицу (0,33*10-9Кл) количества электричества каждого знака, т.е. образует 2,08*109 пар ионов. В воздухе на образование пары ионов требуется энергия 34эВ, следовательно, при дозе излучения 1Р в 1см3 воздуха поглощается энергия 70,72*109эВ или 113,2*10-10Дж. - частица обладает очень малой проницающей способностью (в воздухе – до 100мм) и поэтому в измерительной технике используются лишь процессы, связанные с их прохождением в газе. Для этого источник частиц помещается непосредственно в ионизационную камеру. Одна частица обладает большой энергией, ионизирует на своем пути около 200 000 молекул. - и - излучения обладают большей проницательной способностью, чем ( - в воздухе до 5мм, - ). В измерительной технике - излучение используется для измерения толщины листовых материалов, плотности вещества, обнаружения дефектов. Экспериментально установлено, что интенсивность узкого пучка - и - частиц в функции толщины слоя вещества определяется выражением: y= y0e-л d= 0e-mp где y-интенсивность потока излучения, походящего сквозь слой вещества толщиной d, мм; y0 - интенсивность потока излучения; p – плотность вещества, мг/мм3, л – линейный коэффициент поглощения, зависящий от природы материла; м –массовый коэффициент поглощения, практически не зависящий от природы материала, мм2/мг. 35 § 3-2 Приемники ионизирующего излучения. Ионизационным называется преобразователь, преобразующий интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину. Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные, и полупроводниковые детекторы. На рис. 24 схематически показана ионизационная камера. Она состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, заполненного газом, и металлического электрода 2, расположенного по оси корпуса и изолированного от него изолятором 3. корпус служит катодом и заземлен, электрод служит анодом. При помещении камеры в пространство с ионизирующим излучением находящийся в ней газ ионизируется. Если к электродам приложить напряжение U, то ионы газа образуют ток. ВАХ камеры при некоторой постоянной интенсивности излучения приведена на рис. 24(b). Пока напряжение и ток малы, а количество ионов значительно больше, чем необходимо для обеспечения того тока, ток возрастает пропорционально напряжению. При некотором напряжении пропорциональность нарушается и в пределах Ua до Ub ток постоянен. В этом диапазоне напряжений все ионы в единицу времени доходят до электродов и участвуют в создании иона. Повышение напряжения не увеличивает число носителей. При дальнейшем увеличении напряжения возрастает скорость ионов, а если оно повышает Ub, то энергия ионов становится достаточной для вторичной ионизации газа. При этом возрастает число носителей тока, а так же и ток камеры. Ионизационные камеры работают на участке AB BAX. С увеличением интенсивности излучения ток камеры возрастает и является мерой интенсивности. Конструкция камеры, состав и давление газа зависят от ее назначения, а также от вида и энергии ионизирующих частиц. При работе с α-частицами, имеющими малую длину пробега, источник излучения помещают внутри камеры. Газоразрядный счетчик представляет собой ионизационную камеру, работающую при напряжении большем, чем Ub. Они бывают двух типов: 36 пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный баллон, по оси которого натянута металлическая проволока-анод. На цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытие – катод. Прикладываемое к электродам напряжение создает в межэлектродном пространстве электрическое поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникающий под действием ионизирующей частицы в области малой напряженности, дрейфует к аноду, при этом его скорость и энергия возрастает. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, энергия возрастает на столько, что электрон становится способным ионизировать газ. Эта ионизация увеличивает число свободных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 103 – 105 раз. Газовый разряд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным разрядом, он возникает при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее отсутствии. Как и в камерах, импульс тока пропорционален энергии ионизирующего излучения. К электродам счетчика Гейгера-Мюллера подается еще большее напряжение. Под действием излучения происходят процессы, аналогичные процессам в пропорциональном счетчике. Однако в прианодной области энергия электронов настолько возрастает, что происходит самостоятельный коронный разряд. Возникшее ультрафиолетовое излучение выбивает из катода электроны, они ионизируют газ и поддерживают возникший разряд. Для того чтобы можно было зарегистрировать приход новой ионизирующей частицы или кванта излучения, разряд должен быть погашен. Гашение производится или специальной схемой, которая уменьшает напряжение на счетчике, либо вследствие процесса, происходящего внутри счетчика. Счетчики первого типа называются несамогасящимися, второго – самогасящимися, которые наполняются газовой смесью специального состава, которая поглощает ультрафиолетовое излучение и способствует прекращению разряда. Импульсы тока в счетчике возникают при опадании в него ионизирующих частиц. Амплитуда импульсов постоянна и от энергии квантов не зависит; от интенсивности излучения зависит лишь средняя частота импульсов. Ионизационные камеры и газоразрядные счетчики могут работать в токовом или импульсном режиме. В первом измеряется средний ток преобразователя, численно равный общему заряду всех ионов, образованных за одну секунду. Ток мал (10-10 – 10-15 А) и для его измерения последовательно с преобразователем включают нагрузочное сопротивление порядка 109 – 1010 Ом и напряжение на енм изменяют с помощью усилителя постоянного тока. У пропорциональных счетчиков выходное напряжение имеет порядка 10-2 В. В импульсном режиме измеряются амплитуды импульсов тока, соответствующих каждому акту ионизации, и их частота. Амплитуда 37 импульсов тока ионизационной камеры и пропорционального счетчика пропорциональна числу ионов и характеризует энергию, потерянную ионизирующим излучением или частицей в камере. Ионизационные камеры часто используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, имеющих малую длину пробега. При их торможении в камере амплитуда импульсов пропорциональна полной энергии частицы, частота импульсов пропорциональна интенсивности излучения. Полупроводниковый детектор (рис. 25) – это ионизационный преобразователь, представляющий собой монокристалл полупроводника (германий) с p-i-n-переходом. Проводящий слой с собственной проводимостью (i-проводимость) выполнен путем диффузии лития в монокристалл германия. Измеряемое излучение ионизирует слой с собственной проводимостью и увеличивает в нем число электронов и дырок, что приводит к увеличению проводимости. Под действием напряжения, проложенного и р- и n-слоями, возникает импульс тока. Число носителей, а следовательно, и амплитуда импульса тока пропорциональна энергии излучения. Характеристики полупроводникового детектора подобны характеристикам пропорционального счетчика. Сцинтилляционный счетчик. Принцип счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах под действием ионизирующего излучения слабых световых вспышек – сцинтилляций. Световой поток подается на светочувствительный фотокатод и выбивает из них электроны, образующие фототок. Комбинация сцинтиллятора, фотокатода и фотоэлектронного умножителя в общем светонепроницаемом корпусе и называется сцинтилляционным счетчиком. Сцинтиллятор, являясь твердым телом, оказывает сильное тормозное воздействие на ионизационные частицы, и поэтому эффективность сцинтилляционных счетчиков даже при относительно малых толщинах сцинтиллятора достигает десятков процентов. 38 Затухание флуоресценции происходит очень быстро, и мертвое время счетчиков с некоторыми сцинтилляторами лежит в диапазоне 10-9 – 10-7. Для регистрации α-частиц в сцинтилляционных счетчиках в качестве сцинтиллятора часто применяется сернистый цинк, активированный серебром или медью. Световое излучение этого соединения лежит в синезеленой части спектра, эффективность его при α-излучении составляет 28%. Сернистый кадмий, активированный серебром, дает излучение с максимумом в красной области спектра, и эффективность его при α- и β-излучениях достигает 20%. Длительность импульсов сцинтилляции около 2*10 -4 с. При регистрации γ-излучения в сцинтилляционных счетчиках широко применяется кристаллы йодистого натрия, активированного талием. Эффективность такого счетчика 75 - 85%. Длительность импульса около 0,25 мкс. Особенности применения ионизационных преобразователей. Измерительные приборы с ионизационными преобразователями могут использовать в своей работе либо «меченые» атомы, либо источники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для излучения веществ и тел в различных физических, химических, технологических, физиологических процессах. Например, поведение красителя тканей, волокон в процессе крашения, отбеливания, вымачивания, сушки. Их применение основано на том. Что радиоактивные изотопы элементов идентичны стабильным изотопам. Радиоактивные изотопы добавляются к стабильным и участвуют в процессе наряду со стабильными. Местонахождение и количество радиоактивных изотопов определяется с помощью ионизационных преобразователей. Приборы с собственными источниками излучения служат для измерения неэлектрических величин. Таких, как толщина материала, уровень жидкости, расход и др. В этих приборах используется зависимость интенсивности излучения от измеряемой величины. Приборы с ионизационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые и обеспечили их распространение. Эти приборы используют радиоактивные источники, излучение которых стабильно. На излучение не влияет измерение внешних условий: температуры, давление, освещение, наличие агрессивных сред и др. интенсивность изменяется только вследствие естественного распада ядер радиоактивного изотопа. Благодаря большой проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится в тяжелых эксплуатационных условиях (высокие температуры, давление, агрессивная среда и т.д.). Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако, высокочувствительные приемники позволяют создавать приборы практически безопасными. Приборы, использующие радиоактивные изотопы, имеют специфические источники погрешностей. С течением времени в результате 39 естественного радиоактивного уменьшается так, что распада интенсивность излучения y y o e (ln 2 / T 0.5)t где y o - начальная интенсивность; Т0,5 - период полураспада источника. Снижение интенсивности создает возрастающую погрешность. y ( y y o ) / y o e (ln 2 / T 0.5)t 1 Для ее уменьшения следует периодически увеличивать чувствительность. Другая погрешность обусловлена случайным характером ядерного распада. Случайны как время распада, так и направление траектории радиоактивной частицы или кванта излучения. Вследствие этого последовательность импульсов преобразователя имеет периодический, случайный характер. Для уменьшения этой погрешности надо увеличивать время подсчета импульсов, тогда в результате усреднения относительная вариация, показаний прибора и погрешность уменьшается. Г л а в а III. Измерение физико-механических свойств материалов легкой промышленности. §1 Измерение поверхностей плотности. Разработанные автоматические устройства контроля в технологическом процессе нитей. Тканей трикотажных полотен, основаны на эффектах прохождения отражения волновых физических полей через них. С учетом толщины волокон, нитей и плотности тканей установлены закономерности потерь энергии ( преобразование в другой вид) отражения, рассеяния. Которые и характеризуют параметры материалов. Все созданные устройства по виду энергии, создающей первичный сигнал, можно разделить на пневматические, радиоизотопные и фотоэлектрические, которые имеют свои достоинства и недостатки. Пневматические системы обладают низким быстродействием для модуляции сигнала, сложная система фокусировки для фиксации малых пороков и другие конструктивные трудности. Все сказанное и ограничивает их применение. 40 Радиоизотопные системы могут быть созданы на р-излучении, что вызвано очень незначительной поглощающей способности полотна. Наибольшим недостатком такого рода устройства является невозможность создания пучка достаточно интенсивного излучения, а также можно осуществить модуляцию. Применение большого числа радиоизотопных систем создает трудности с выполнением правил безопасности труда. Фотоэлектрические системы имеют широкое применение. Но с учетом цветности полотен применение возможно только в инфро-красной области, т.к. в ближней ИК-области поглощение практически не зависит от окраски, а изменяется только от поверхностной плотности волокнистой массы. В качестве источника узкополосного ИК-излучения часто используют арсенид-галлиевый светодиод, а в качестве приемника кремниевый фотодиод, т.к. максимумы их спектральных характеристик практически совпадают. В оптоэлектронных схемах передача информации осуществляется путем двойного преобразования: сначала электрического сигнала в оптический (световой) сигнал на передающей стороне, а затем оптического сигнала снова в электрический на приемной стороне [6]. Получение оптической информации о свойствах полотен может осуществляться двумя методами: сквозным просвечиванием и отражением. При сквозном просвечивании (рис.26) луч проходит сквозь полотно и по ослаблению излучения судят о его свойствах (например, о плотности) рисунок 26 рисунок 27 В устройствах этого типа источник 1 и приемник 3 расположены по разным сторонам контролируемого полотна. Получение информации о качестве полотна методом отражения (рис.27) достигается при расположении источника 1 и приемника 3 по одну сторону полотна 4. Источник и приемник разделены экраном 2. Возможно и совмещение этих двух схем в одну, т.е. измерять и прохождение и отражение одновременно двумя приемниками. Приведенные схемы измерения 41 позволяют измерять в локальной области (почти точно) полотна, а для контроля на больших площадях применяется метод сканирования. §2.Измерение звукопроницаемости. По методике и схемам (рис.26.27) строятся и схемы измерения звукопроницаемости. Структурная схема для измерения ослабления представлена на рис.28. В устройстве 1 - генератор звуковых колебаний (до 20 кгц) с управляемой частотой и амплитудой. 2 - преобразователь электрических колебаний в звуковые. 3 - исследуемый материал. 4 - приемник звуковых колебаний ( преобразователь в электрический сигнал). 5 - электронная схема измерения электрического сигнала. Методика измерения заключается в последовательности операций: а) в отсутствие наличия объекта 3 измеряется сигнал. Отношение выходного сигнала к входному и даст коэффициент ослабления. Измерение выполненные на различных частотах при равных амплитудах и позволяют определить спектральную характеристику. По схеме, подобной рис.27 производят измерения коэффициента отражения. §3. Измерение теплопроводности тканей. Все основные свойства тканей (толщина, плотность, воздухопроницаемость, пористость, теплозащитная способность и др.) могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от способа и характера их получения (свойства нитей, способа их переплетения и др.). При оценке теплозащитных свойств материала необходимо знать значение коэффициента теплопроводности или теплопередачи, объемной теплоемкости. К числу теплозащитных свойств суммарное тепловое сопротивление, коэффициент теплопередачи, степень черноты и др. Прибор для измерения теплопроводности тканей необходимо строить на методе стационарного теплового режима. Испытуемый образец между плоским нагревательным элементом и холодильником, температуры, которых поддерживаются неизменными. О теплопроводности образца судят 42 по мощности стационарного теплового потока через образец. Если нагревательный элемент сконструирован так, тепловые паразитные потери отсутствуют, то мощность теплового потока равна электрической мощности нагревателя. Структурная схема показана на рисунке 29. рис 29. Плоский нагревательный элемент 1 всю тепловую энергию отдает в направлении испытуемого образца 2, а элемент 3 нагревается только энергией прошедшей через образец. Температура элементов 1 и 3 контролируется набором термопар 4 и 5 и электрическим блоком контроля 6. Величина коэффициента теплопередачи выводится на индикатор в блоке 6. расчет ведется по формуле: K=P/[S(t1-t2)], Где Р—средняя мощность нагревателя, Вт; S—площадь поверхности нагревателя, м. кв.; t1,t2—температуры на поверхностях нагревателя и холодильника, соответственно, °С. §4. измерение влажности. Влажность является одной из основных характеристик, определяющих качество материалов (тканей, трикотажа и др.). Содержание влаги в материале характеризуют две величины: влагосодержание (абсолютная влажность) и влажность (относительная влажность). Под влагосодержанием понимается отношение массы влаги М, находящейся в материале, к массе материала Мо в сухом состоянии: U=M/Mo, Под влажностью понимается отношение массы влаги М, содержащийся в теле, к массе влажного материала М1: W M M M1 M0 M Иногда эти величины выражаются в процентах: U M 100 ; M0 43 W M 100 M0 M Существует несколько методов контроля влажности материалов. Рассмотрим основные из них: а) кондуктометрический, основанный на зависимости между влажностью и его электропроводностью. В результате увлажнения большинство пористых тел, которые в сухом виде являются диэлектриками, становятся полупроводниками. Датчики кондуктометрических влагомеров представляют собой два электрода, конструкция которых зависит от свойств и структуры измеряемого вещества. Для определения влажности тканей электроды имеют форму роликов, между которыми размещается ткань, которая может перемещаться для осуществления непрерывного контроля. Для жестких игл применяются игольчатые электроды, вкалываемые в материал, а для мягких– накладываемые и прижимаемые плоские электроды. Электроды для сыпучих или волокнистых материалов снабжаются устройствами, спрессовывающими навеску между электродами. Наиболее распространенными измерительными схемами влагомеров является схема омметра постоянного тока или мостовая проградуированная в единицах влажности. Выходным сигналом датчика является ток I=U/Rx. Электрическое сопротивление Rx текстильных тканей, измеренное на постоянном токе при наличии воды, сорбированной волокнами, характеризуется уравнением lg R x A n lgW где А—коэффициент, зависящий от условий измерения и конструкции электродов (размеры, усилие прижима), а также от примененного напряжения U; n—коэффициент, зависящий от природы волокна (для хлопка 10, 11, для шерсти 15, 16). Кроме того , сопротивление ткани зависит от температуры. В связи с этими факторами кондуктометрические датчики имеют индивидуальную градуировку на различные материалы. А также, нелинейная зависимость сопротивления от влажности, ограничивает диапазоны измерения на начальном участке (0—20%) высокой чувствительностью и на диапазоне 30—40%--низкой чувствительностью. в) Емкостные влагомеры. При емкостном методе измерения влажности используется явление наличия влаги в твердом теле на величину диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость сухого вещества обычно равна 2…5,а диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды –81. При небольшом содержании воды в веществе величина диэлектрической проницаемости значительно изменится. А определяют ее по изменению емкости конденсатора, между обкладками которого находится исследуемое вещество. Емкость конденсатора с параллельными электродами ровна C 0 S d 44 Где ε —диэлектрическая проницаемость материала; εo—диэлектрическая постоянная; S—площадь электродов; d—расстояние между электродами. Если εo,S,d—постоянные величины и равные К, то C Первичные преобразователи емкостных влагомеров выполняют в виде двух плоских пластин, в виде двух концентрических цилиндров, пространство между которыми заполняется исследуемым материалом. Величина приращения емкости ограничена сотнями пикофарад. Наиболее применяемые схемы измерения емкости – мостовые, а для увеличения чувствительности частота переменного напряжения питание моста охватывает диапазон от КГц до МГц. Кроме того диэлектрическая проницаемость большинства веществ зависит от температуры. В связи с этим во влагомерах представлена автоматическая компенсация температуры. Наиболее простой способ компенсации температуры — параллельное присоединение к измерительному конденсатору—емкости с температурными коэффициентами равными по величине температурному коэффициенту, исследуемому материалу, но обратными по знаку. При емкостном методе измерения на показания влагомера оказывает меньшее влияние структура и химический состав измеряемых веществ, а точнее переходное сопротивление между электродами и материалом, чем при контактном. Кроме того емкостными влагомерами можно измерять малые влажности (до 3…4%). Но действия напряжения разбаланса пропорционально влажности, что позволяет градуировать влагомер по выходному сигналу моста. Недостаток емкостных преобразователей состоит во влиянии на результат разбаланса моста поверхностной плотности ткани, что частично устраняется равномерным распределением материала в межэлектродном пространстве. с) Оптические влагомеры. Метод использования инфракрасного излучения для определения влажности материала основан на измерении интенсивности отраженного или прошедшего через материал потока излучения определенной длины волокна. В качестве источника инфракрасного излучения используют лампы накаливания с соответствующими светофильтрами, лазеры, светодиоды. В качестве приемников излучения—фоторезисторы и фотодиоды. На этом методе основана работа влагомеров для измерения влажности в диапазоне от 4% до 20% Оптические влагомеры строятся по принципу измерения прошедшего излучения или отраженного излучения от ткани (рис. 30). 45 Рис. 30 Для получения сигналов, характеризующих влажность тканей, используют два монохроматических световых потока с длинами волн h=1,75 мкм и λ=1,95 мкм. Отражательная способность ткани при λ сильно зависит от присутствия влаги, а при λ мало зависит. Влажность ткани характеризуется отношение интенсивностей световых потоков, отраженных от ткани при этих длинах волн. μА Прибор (рис. 30) состоит из оптического преобразователя, блока измерения и питания 8 и вторичного, показывающего или самопишущего прибора 9. Световой поток от 2 падает на ткань 1. Отраженный от ткани световой поток оптической системы 3 направляется на светоприемник 6 (фоторезистор). Перед фотоприемником вращается диск с вырезами 4, на котором установлены два интерференционных светофильтра, имеющих узкие Фоторезистор поочередно освещается световыми импульсами. В результате в цепи фоторезистора появляются две серии электрических импульсов, которые после предварительного усиления 7, поступают в виде импульсов контактный коммутатор 5. На выходе преобразователя 8 появляется сигнал постоянного тока напряжением 0-10 мВ, амплитуда которого пропорциональна отношению напряжению: Uвых Следовательно, Uвых пропорционально влажности ткани.[7] d). Высокочастотные влагомеры. СВЧ – метод измерения влажности основан на измерении потери энергии. СВЧ – измерения во влажном материале (прошедшая волна) или энергии отрешенной волны от материала. Измеритель влажности (рис. 31) построен по принципу измерения энергии СВЧ-колебаний в диапазоне 10000000000 Гц (длина волны = 3 см) прошедших через ткань. Прибор содержит источник СВЧ-колебаний 7, вентиль 2 для ограничения отраженной волны от шкалы 4, передающую антенну 3 и 46 приемную 5, детектор 6 и 7 индикатор (микроамперметр). При отсутствии шкалы 4 вся энергия от генератора через антенны проходит в детектор и измеряется 7. 4 1 2 3 5 6 7 рис. 31 При наличии ткани часть энергии волны отражается от ткани, часть поглощается влагой (преобразуется в тепловую энергию), а оставшаяся часть измеряется 7. Отражение и поглощение СВЧ-энергии зависит от количества влаги в материалах. Следовательно, оставшаяся часть энергии характеризует влажность. При стабильной работе генератора и всего измерительного тракта прибор 7 можно градуировать по калибровочной влажности. СВЧ-влагомеры предназначены для измерения влажности тканей, нетканых материалов, синтетических кож и др. в диапазоне 20-80%. Основной недостаток этого метода – его чувствительность не только к влаге, но и к толщине материала, к наличию других примесей всевозможных растворителей, красителей. При индивидуальной градуировке для каждого материала точность измерения повышается. Для градуировки всех типов электрических влагомеров применяют весовой метод. Он основан на взвешивании одного и того же сухого и влажного материала. Разность их и является абсолютной влажностью. Метод имеет высокую точность измерения, но не пригоден для экспресс - контроля, непрерывного контроля в производстве. 47
