Термоэлектрические преобразователи (термопары). Эти преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия термопары поясним на примере термоэлектрической, составленной из двух разнородных проводников А и В (рис. 30, а). Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. 

Рис. 30. Термоэлектрические цепи

Если температуры t спаев одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутствует. Если же температура одного из спаев (например, спая 1) выше, чем температура спая 2, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) Е, зависящая от разности температур спаев

                                       E = f(t₁ – t₂).                                                  (36)

Если поддерживать температуру спая 2 постоянной, то

                                        E = f(t₁).                                                       (37)

Эту зависимость используют для измерения температуры с помощью термопар. Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор включают в разрыв спая 2 (рис. 30, б). Спай 1 называют горячим (рабочим) спаем, а спай 2 – холодным (концы – 2 и 2 ^¢ называют свободными концами).

Чтобы ТЭДС термопары однозначно определялась температурой горячего спая, необходимо температуру холодного спая поддерживать всегда одинаковой.

Одна из причин появления погрешности термоэлектрического термометра – несоответствие температуры свободных концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка.

Для изготовления электродов термопар используют как чистые металлы, так и специальные сплавы стандартизованного состава.

Максимальная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС составляет от единиц до десятков милливольт.

Погрешность термоэлектрического термометра появляется также в результате изменения сопротивления измерительной цепи термоэлектрического преобразователя.

Для измерения ТЭДС могут применяться магнитоэлектрические, электронные (аналоговые и цифровые) милливольтметры и потенциометры постоянного тока. При использовании милливольтметров магнитоэлектрической системы следует иметь в виду, что измеряемое им напряжение на его зажимах

                                            U = IR_в,

где I – ток в цепи термопары, а R_в – сопротивление милливольтметра.

Так как источником тока в цепи является термопара, то

                                           I = E/(R_в + R_вн),

где R_вн – сопротивление участка цепи внешнего по отношению к милливольтметру (т.е. электродов термопары и компенсационных проводов). Поэтому измеряемое милливольтметром напряжение

                                            U = E/(1 + R_вн/R_в).                                   (38)

Таким образом, показания милливольтметра тем больше отличаются от ТЭДС термопары, чем больше отношение R_вн/R_в. Для уменьшения погрешности от влияния внешнего сопротивления милливольтметры, предназначенные для работы с термопарами (так называемые пирометрические милливольтметры) градуируются для конкретного типа термопар и при определенном номинальном значении R_вн, указываемом на шкале прибора. Пирометрические милливольтметры серийно выпускаются классов точности от 0,5 до 2,0.

Термоэлектрический термометр с потенциометром свободен от рассматриваемой погрешности. В момент компенсации по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напряжения. Потенциометр измеряет термоЭДС.

Пьезоэлектрические преобразователи. Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическим эффектом обладают также некоторые поляризованные керамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца) [2, 5].

Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями, расположенными перпендикулярно оптической OZ, механической OY и электрической OX осям кристалла (рис. 31), то при воздействии на пластинку усилия Fx, направленного вдоль электрической оси, на гранях х появляются заряды Qx = KпFx, где Kп – пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

Рис. 31. Пластина из кристалла кварца

При воздействии на пластину усилия F_y вдоль механической оси, на тех же гранях х возникают заряды:

                                               Q_x = K_пF_ya/b,

где a, b – размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси появления зарядов не вызывает.

Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.

Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным; при изменении направления прилагаемого усилия знаки зарядов на поверхности граней меняются на противоположные.

Обычно пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друг электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига.

Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах

                                           ,                                                   (39)

где Q – пьезоэлектрический заряд; С – емкость, образованная электродами.

Электродвижущая сила, возникающая на электродах пьезоэлектрического преобразователя, довольно значительна – единицы вольт.

Пьезоэлектричекие измерительные преобразователи находят широкое применение для измерения параметров движения: линейного и вибрационного ускорения, удара, акустических сигналов.

Рис. 32. Схема пьезоэлектрического датчика

Эквивалентная схема пьезоэлектри-ческого преобразователя представлена на рис. 32 в виде генератора с внутренней емкостью С. Поскольку мощность такого пьезоэлемента чрезвычайно мала, то для измерения выходного напряжения необходимо применять приборы с большим входным сопротивлением. Для увеличения полезного сигнала

пьезодатчики выполняются из нескольких, последовательно соединенных пьезоэлементов.