Электрические измерения в агрономии

Тепловые измерительные преобразователи. Принцип действия тепловых преобразователей основан на изменении свойств металлов и полупроводников при воздействии температуры. Входной (измеряемой) величиной таких преобразователей является температура.

К преобразователям относятся термопары и терморезисторы (термисторы).

Термопары. Устройство и принцип действия термопары рассмотрены в п. 21.1. Для измерения термо-ЭДС, развиваемых термопарами, применяют магнитоэлектрические милливольтметры или компенсаторы постоянного тока. Их подключают к свободным концам термопары. Градуируют приборы с термопарами при нулевой температуре свободных концов.

Терморезисторы. Резисторы, сопротивления которых являются функцией температуры, получили название терморезисторов. Материалом для изготовления терморезисторов служат химически чистые металлы и полупроводники, обладающие стабильным температурным коэффициентом сопротивления (зависимость сопротивления от температуры). Конструкции современных терморезисторов весьма разнообразны. Некоторые из них выполняют в виде цилиндрических стержней длиной несколько миллиметров, а минимальные размеры терморезисторов (без соединительных проводников) не превышают долей миллиметра.

Схемы приборов для измерения температуры с терморезисторами (их иногда называют термометрами) представляют чаще всего мосты постоянного тока с одним или двумя преобразователями в ветвях. Используют несколько разновидностей схем в зависимости от требований к метрологическим свойствам приборов.

Оптоэлектрические измерительные преобразователи. Действие оптоэлектрических преобразователей основано на известном явлении фотоэффекта. Это явление состоит в том, что под действием электромагнитного излучения в твердом теле или жидкости освобождаются носители зарядов (электроны или ионы), которые, увлекаясь внешним полем, создают ток. Различают внутренний и внешний фотоэффекты. Внутренний фотоэффект - явление, происходящее внутри кристаллической решетки твердого тела при воздействии светового потока. Внешний фотоэффект состоит в эмиссии электронов под действием светового потока, падающего на поверхность тела.

К оптическим преобразователям относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и др.

Фотоэлемент - оптоэлектрический измерительный преобразователь с внешним фотоэффектом. Принцип действия фотоэлементов состоит в том, что кванты света, попадая на катод, выбивают электроны, которые, увлекаясь внешним электрическим полем, создают фототок. Фотоэлементы бывают вакуумные и газонаполненные. Лавинообразный процесс нарастания фототока в газонаполненных фотоэлементах является причиной инерционности этих преобразователей. Поэтому они применяются для преобразования световых величин, изменяющихся с частотами до нескольких сотен герц.

Для изготовления катодов фотоэлементов применяют, кроме полупроводниковых материалов, литий, натрий, цезий, калий, рубидий и различные сплавы.

Фоторезистор - полупроводниковый преобразователь из однородного материала, электрическое сопротивление которого зависит от освещенности. Действие фоторезисторов основано на явлении изменения концентрации носителей зарядов в полупроводнике при их возбуждении световым потоком. Конструктивно фоторезисторы выполняют в виде пленки полупроводникового материала, нанесенной на стеклянную пластинку и защищенной слоем светопроницаемого лака. Для их изготовления используют сернистый висмут, свинец, кадмий, таллий и др.

Фотодиоды. Полупроводниковый преобразователь с р-n -переходом, обратный ток через который зависит от энергии падающего светового потока, называют фотодиодом. Освещение р-n -перехода фотодиода вызывает проникновение основных носителей зарядов из освещенной зоны в область р или n. Вследствие этого уменьшается обратное сопротивление фотодиода и изменяется ток в цепи.

Материалом для изготовления фотодиодов служат в основном германий, реже кремний (так как имеет узкую область спектральной чувствительности).

Фототранзисторы. В фототранзисторах используются усилительные свойства р-n-р или n-р-n -переходов, включенных в обратном направлении. При этом ток коллектора фототранзистора зависит от освещенности любой из областей перехода, если толщина ее меньше диффузионной длины носителей. Вследствие того, что носители зарядов в фототранзисторе проникают в базовую область, коллекторный ток зависит от освещенности этой области. Коэффициент усиления фототока в фототранзисторе достигает 20 и более, а его чувствительность больше чувствительности фотодиода.

Электрохимические измерительные преобразователи. В общем виде электрохимический преобразователь может быть представлен ячейкой с электролитом, в которой помещена система из двух или более электродов, включенных в измерительную цепь. Электролитическая ячейка с точки зрения электрохимии может быть представлена в виде источника ЭДС или зарядов. Под действием тока при включении электродов в электрическую цепь на них происходит падение напряжения. При изменении параметров электролита или электродов может изменяться сопротивление, емкость или индуктивность цепи, в которую включены электроды. Таким образом, возможно создание электрохимических преобразователей для измерения состава и концентрации элементов в веществе, давления, перемещения, скорости и ряда других неэлектрических величин. При этом электрические параметры ячейки с электролитом и электродами зависят от свойств и состава электролита и электродов, природы химических явлений в ячейке, температуры и скорости перемещения частиц в электролите и других факторов.

Гальванические преобразователи. Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, т.е. в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление - электрод заряжается положительно, а электролит - отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом. В электрохимии за условный нулевой электродный потенциал принят потенциал «водородного электрода». Электродные потенциалы относительно водородного электрода могут достигать для различных веществ  3 В. Например, электродный потенциал меди +0,34 В, цинка -0,76 В и т.д.

Известно, что растворы кислот, солей и оснований можно характеризовать активностью водородных ионов или водородным показателем рН. Он представляет собой отрицательный логарифм активности водородных ионов в растворе

Наибольшее значение любого водного раствора не превышает 14 ед., аммиачного - до 33 ед. и т.д.

Определение растворов состоит в измерении электродных потенциалов электродов, помещенных в исследуемый раствор. Для этого в раствор помещают два электрода - измерительный и вспомогательный. Электродный потенциал вспомогательного электрода при измерениях должен оставаться неизменным.

Для изготовления измерительных электродов гальванических преобразователей применяют сурьму, стекло и платину. В некоторых случаях применяют угольные электроды. Платиновые и угольные электроды используют в приборах для измерения 9, сурьмяные - для = 2...12.

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи. Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на явлении поляризации определенных кристаллов, возникающей в них при механических напряжениях (прямой пьезоэффект). Явление поляризации обратимо - электрическая поляризация кристаллов приводит к изменению их геометрических форм (обратный пьезоэффект).

Пьезоэффект наиболее выражен в естественном кристалле кварца. Измерительная цепь с пьезоэлектрическим преобразователем должна иметь высокое входное сопротивление, чтобы заряды, возникающие при поляризации, особенно при низкой частоте деформации, не «стекали» через изоляцию преобразователя. Ввиду того, что сопротивление изоляции измерительных приборов имеет конечное значение, применять пьезоэлектрические преобразователи в приборах для измерения статических параметров невозможно.

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют различные материалы. Из них, кроме кварца, наиболее распространены турмалин (находит ограниченное применение вследствие высокой стоимости), сегнетова соль, а также ряд искусственных материалов - дигидрофосфат аммония, титанат бария, цирконат свинца и др. Основные свойства материалов, которые учитывают при изготовлении преобразователей - это механическая прочность и рабочий диапазон температур.

Пьезоэлектрические преобразователи широко распространены в приборах для измерения быстроизменяющихся усилий, давлений, ускорений и перемещений.

Резистивные измерительные преобразователи. Резистивные преобразователи представляют собой разновидность параметрических преобразователей, которые под воздействием измеряемой величины изменяют собственное электрическое сопротивление или сопротивление участка цепи. К числу резистивных преобразователей, кроме терморезисторов и фоторезисторов, рассмотренных раньше, относятся контактные, реостатные и тензорезисторы.

Измерительные преобразователи, в которых измеряемая величина преобразуется в одно из двух состояний контактов (замкнутое или разомкнутое), называют контактными. Эти преобразователи под воздействием измеряемой величины коммутируют всю измерительную цепь прибора или ее часть. В простейшем случае контактный преобразователь представляет собой пару контактов, изменяющую свое состояние на противоположное при воздействии измеряемой величины. Для предохранения контактов от внешних воздействий (влажности, пыли и т.п.) их помещают в герметизированный стеклянный корпус (герконы). Изготовляют контакты из пермаллоя с покрытием контактирующих участков палладием, родием, серебром, золотом или их сплавами.

Реостатные преобразователи представляют собой переменный резистор, подвижный контакт которого перемещается под воздействием измеряемой величины. Входным воздействием реостатного преобразователя могут быть линейное или угловое перемещение, а выходным сигналом - пропорциональное изменение электрического сопротивления.

Реостатные преобразователи выполняют в виде провода, намотанного на каркасе из изоляционного материала, или в виде реохорда. Для этого используют провода из манганина, константана, нихрома, фехраля, а в некоторых случаях - из сплавов платины с иридием, палладием или рутением. Для изоляции витков преобразователя друг от друга провод покрывают эмалью или слоем окислов. Каркасы преобразователей изготовляют из текстолита, стеклотекстолита или иных термостойких изоляционных материалов.

Функция преобразования реостатного преобразователя представляет собой зависимость выходного напряжения, вызванного изменением его сопротивления, от входного воздействия. Характер этой функции определяется соотношением перемещения подвижного контакта преобразователя и соответствующим изменением его сопротивления.

Применяют реостатные преобразователи в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.

Действие тензорезисторов основано на известном явлении тензоэффекта - свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при механической деформации. При этом считается, что сопротивление проводника (при неизменном объеме) зависит от его длины

,

где - удельное сопротивление материала проводника; - его длина;
- площадь поперечного сечения.

Таким образом, при механической деформации проводника изменение его электрического сопротивления вызывается изменением удельного сопротивления , его длины или площади поперечного сечения .

Для изготовления тензорезисторов используют константан, нихром и висмут. Большое распространение получили полупроводниковые материалы - кремний и его окислы. У полупроводниковых тензорезисторов в отличие от металлических чувствительность в несколько сотен раз выше. К тому же кремний имеет невысокий температурный коэффициент сопротивления.

Конструктивно тензорезисторы выполняют из металлической проволоки, фольги (рис. 21.2) или полупроводникового материала, наклеенных на тонкую бумагу или пленку лака. К концам тензочувствительного элемента припаивают (или приваривают) соединительные проводники из медной проволоки.

Для применения тензорезисторы крепят на исследуемый объект при помощи различных клеев или лаков. Изменение сопротивления наклеенного тензорезистора, вызванное его деформацией совместно с поверхностью исследуемого объекта, обычно не превышает долей ома. Для измерения таких сопротивлений тензорезисторы, как правило, включают в мостовые схемы.

Несмотря на то, что тензорезисторы сложно крепить на измеряемом объекте и практически невозможно использовать многократно, они просты, малоинерционны и имеют линейную функцию преобразования. Применяют тензорезисторы в приборах для измерения механических параметров сельскохозяйственных машин и оборудования.

Электростатические измерительные преобразователи. Действие электростатических преобразователей основано на изменении параметров электрического поля под воздействием измеряемой величины. В простейшем случае электростатический преобразователь представляет собой конденсатор, параметры которого изменяются под воздействием измеряемой величины за счет изменения расстояния между двумя или более электродами, диэлектрической проницаемости или площади электродов. Если для изготовления преобразователя применяют полупроводниковые материалы, то роль электродов в них выполняют р-n -переходы, емкость между которыми зависит от обратного напряжения.

Основной электрический параметр электростатического преобразователя - емкость - зависит от его конструкции. Известно, что емкость плоского конденсатора рассчитывают по формуле

,

где - диэлектрическая постоянная; - относительная диэлектрическая проницаемость; - площадь электродов; - расстояние между электродами.

Наряду с плоскими, большое распространение получили преобразователи в виде цилиндрических конденсаторов.

Приборы для измерения неэлектрических величин с электростатическими преобразователями представляют собой в основном мосты переменного тока. Лучшими метрологическими свойствами обладают приборы, в которых для измерения емкости преобразователей применяют резонансные цепи.

Гальваномагнитные измерительные преобразователи. Принцип действия гальваномагнитных преобразователей основан на явлениях, возникающих под действием магнитного поля в проводниках и полупроводниках с током. Из гальваномагнитных преобразователей наибольшее распространение получили элементы Холла.

4.3 Измерение и контроль параметров в механизации

Принцип измерения механических величин при помощи электрических средств основан на известных в механике зависимостях деформаций и напряжений в материале от приложенных сил и давлений. Эти зависимости позволяют установить вид преобразования механической величины и выбрать тип преобразователя и измерительную цепь (прибор). Практика измерений механических параметров в агропромышленном производстве показывает, что в основном требуется измерять параметры, непрерывно изменяющиеся во времени. Кроме того, измерения проводят в различных природных, погодных условиях и в различных климатических зонах. Значительное число измерений механических параметров необходимо выполнять в полевых условиях или в агрессивных средах.

Механический параметр, непрерывно изменяющийся во времени, можно представить гармоническим рядом. Это дает возможность рассматривать входную величину измерительного прибора как ряд составляющих с различными амплитудами и частотами. Наибольшие амплитуды механических параметров в сельском хозяйстве достигают 108 Н, а диапазон частот от нуля до 100 Гц.

Деформации, напряжения, усилия и давления в сельскохозяйственных машинах и механизмах наиболее часто измеряют при помощи приборов с тензорезисторами или пьезопреобразователями.

Проволочные и фольговые тензорезисторы применяют при преобразовании относительных деформаций до = 1,5 %, а полупроводниковые - до 0,1 %. Для преобразования механического напряжения материала по оси действия этого напряжения наклеивают один тензорезистор. Функция преобразования тензорезистора в этом случае имеет вид

, (21.3)

где - деформация материала, - модуль упругости материала, - чувствительность тензорезистора.

В большинстве измерительных приборов, предназначенных для работы с тензорезисторами применяют измерительные усилители, поскольку уровень выходного сигнала мостовой схемы, как правило, недостаточен для непосредственного измерения.

Для преобразования механических напряжений, давлений и тяговых усилий в сельскохозяйственных машинах и агрегатах в изменение сопротивления с помощью тензорезисторов применяют упругие элементы. В кольцевом элементе, приведенном на рис. 21.3, воспринимает механическое напряжение упругое кольцо, на внутреннюю поверхность которого наклеивают четыре тензорезистора. Комплект таких элементов позволяет преобразовать усилия от 103 до 106 Н.

Приборы с пьезоэлектрическими преобразователями применяют для измерения быстроизменяющихся давлений. В качестве примера на рис. 21.4 показан преобразователь давления в блоке цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Угловые скорости (частота вращения) вращающихся узлов сельскохозяйственных машин и механизмов измеряют тахометрами. Известны два принципа построения тахометров: на измерении частоты вращения и на сравнении частоты вращения с частотой сигналов, вырабатываемых встроенным генератором. В агропромышленном производстве применяют также тахогенераторы (чаще переменного тока).

Современные средства измерения угловых скоростей (частоты вращения) основаны на сравнении стабильных интервалов времени (или частоты) и частоты сигнала, получаемого с измерительного преобразователя. При этом используют различные преобразователи частоты вращения в частоту электрического сигнала - контактные, оптоэлектрические, электромагнитные, электростатические и др.

Крутящие моменты преобразуют при помощи тензорезисторов, электромагнитных, оптоэлектрических, электростатических и других преобразователей. Существующие средства измерений крутящих моментов можно разделить на две основные группы: приборы с преобразованием напряжения кручения в исследуемом материале и приборы, основанные на преобразовании угла скручивания материала. Наибольшее распространение для измерения крутящих моментов в узлах и агрегатах сельскохозяйственных машин получили тензорезисторы.

Конструкция преобразователя крутящих моментов приведена на рис. 21.5.

Перемещения измеряют с помощью индуктивных преобразователей. Распространенная конструкция преобразователя перемещений показана на рис. 21.6.

Расход жидкостей и газов в закрытых и открытых трубопроводах измеряют с помощью расходомеров. Известны несколько принципов построения расходомеров - на преобразовании расхода в перепад давлений в закрытом трубопроводе, а также в перемещение или в скорость вращательного или поступательного движения.

Уровни жидкостей измеряют приборами, получившими название уровнемеров. В уровнемерах применяют электростатические, электромагнитные (индуктивные) и реостатные преобразователи.

Для непрерывного телеизмерения уровней сыпучих материалов большое распространение получили приборы с электростатическими преобразованиями. В них используют зависимость емкости конденсатора от свойств диэлектрика - сыпучего материала, помещаемого между электродами преобразователя.

Эффективность использования мобильных машин зависит от их надежности и технического состояния. Состояние машины в процессе эксплуатации определяют различными методами и средствами измерений (диагностики).

Передвижная ремонтно-диагностическая мастерская (аварийно-ремонтная мастерская) «ЗИЛ-ГОСНИТИ» КИ-28035.03 на базе автомобиля ЗИЛ-5301 предназначена для диагностирования, выполнения регулировочных работ и текущего ремонта автотранспорта, тракторов, самоходных комбайнов, сельскохозяйственных машин, мотоблоков, прицепного оборудования, дизельных и карбюраторных двигателей внутреннего сгорания. Число выполняемых видов работ - 21.

Диагностический комплект КИ-28032 ГОСНИТИ применяют для экспресс-контроля, поиска и устранения неисправностей отечественных тракторов, зерно- и кормоуборочных комбайнов и др. машин. Комплект позволяет измерять 21 параметр.

Промышленность выпускает ряд средств диагностики мобильной техники - автоматизированный переносной мотор-тестер ДГК-КИ-5120 для комплексной диагностики карбюраторных и дизельных двигателей при техническом обслуживании и ремонте, прибор ИМД-2М - для измерения мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя, электронный прибор ЭМДП-3 для измерения уровня вибраций, частоты вращения коленчатого вала, температуры воды и масла двигателя и др.

4.4 Измерение и контроль параметров в растениеводстве

Технологические процессы в растениеводстве неразрывно связаны с периодическим (в зависимости от сезонных или климатических условий) или с непрерывным (например, в процессе переработки продукции) измерением и контролем разнообразных параметров. Основные из них влажность, температура, параметры растений, механические свойства и состав почвы и питательных растворов и др. При этом необходимо измерять и контролировать параметры как на этапе производства, так и при переработке продукции, что повышает роль метрологического обеспечения при оценке качества продукции.

Влажность - важнейший параметр, определяющий качество сельскохозяйственной продукции и микроклимат производственных помещений. Она характеризуется абсолютным или относительным содержанием влаги в единице массы вещества или газовой смеси.

В приборах для измерения влажности, называемых влагомерами, применяют измерительные преобразователи, основанные на измерении электропроводности (кондуктометрические), диэлектрической проницаемости (диэлькометрические) и электрических или механических параметров.

Температура. Диапазон температур, подлежащих измерению в агропромышленном производстве, относится к низким температурам Международной практической температурной шкалы. Для преобразования температур в этом диапазоне применяют в основном терморезисторы и термопары, иногда - оптоэлектрические преобразователи.

Для измерения температуры поверхностей листьев и стеблей овощных и других культур разработан ряд приборов, в которых для преобразования температуры используют оптоэлектронные преобразователи - чаще всего фотоэлементы, чувствительные к определенному спектру света. Такие приборы дают возможность бесконтактного измерения температуры с высокой точностью. Так, например, термометр ИК-50 предназначен для дистанционного бесконтактного измерения температуры листьев в диапазоне 0...100 °С с погрешностью не выше 1 С. Другой прибор - ТИТ-1 - предназначен для бесконтактного измерения температуры поверхности листьев и стеблевых овощных культур в диапазоне 5...50 С с погрешностью 0,5 С.

Состояние растений в полевых условиях определяют с помощью приборов с кондуктометрическими преобразователями. Для экспресс-выборки погибших под воздействием низких температур злаковых культур применяют кондуктометрический индикатор растений КИР-101. В основу его действия положен принцип моста переменного тока с питанием от источника частотой тока 200 и 1000 Гц. Состояние растения определяют по его комплексному сопротивлению на двух частотах в диапазонах 1...10 кОм, 10...100 кОм, 0,1...1 МОм и 1...10 МОм.

В соответствии с проектом Федеральной целевой программы «Техника для продовольствия России» на 1999-2005 годы предстоит создать универсальный полевой микропроцессорный прибор для контроля технологических параметров (влажности и температуры) кормов и зерна с диапазоном измерений влажности 6...75 , температуры -10...+140 °С с погрешностями не выше 4 .

Особый интерес в настоящее время представляет контроль экологической безопасности и качества сельскохозяйственной продукции. Для этого создан ряд технических средств. Так, универсальный комплект экологического экспресс-контроля для предприятий АПК КИ-5967 ГОСНИТИ предназначен для экспресс-контроля и выявления источников загрязнений воздушной среды, воды, почвы и сельскохозяйственной продукции, а также для контроля и выявления причин дымности и токсичности автотракторных дизелей, загрязненности масла и топлива двигателей машин. Комплект позволяет контролировать 32 параметра.

4.5 Измерение и контроль параметров в животноводстве

Метрологическое обеспечение технологических процессов в животноводстве - это измерение и контроль более сотни параметров при приготовлении кормов и в производственных помещениях, а также параметров самих животных и готовой продукции.

Основными параметрами, требующими контроля при приготовлении кормов, являются влажность и температура.

Для определения влажности при заготовке силоса и сенажа в полевых условиях применяют экспресс-влагомер кормовых материалов «Электроника ВЛК-01». В приборе используется электростатический (диэлькометрический) преобразователь, выполненный в виде цилиндра. Диапазон измерений влагомера 14...65 %, погрешность 4 %.

В современных экономических условиях животноводческое хозяйство или фермер обязаны контролировать состав и качество получаемого и передаваемого на переработку молока. Для этого рядом приборостроительных фирм страны создан комплекс малогабаритных приборов нового поколения АСКМ-1М. Комплекс позволяет вместе с определением массовых долей жира, белка и сухих веществ в молоке контролировать его качество и качество производимых продуктов: кислотность, фальсификацию раскислителями, бактериальную обсемененность, температуру, мастит и влажность. В комплекс входит цифровой малогабаритный рН-метр (рН-150М) со стеклянным измерительным и вспомогательным хлор-серебряным электродами. Диапазон определения рН от 1 до 19,9. Для измерения активности ионов в молоке предназначен переносной анализатор «Экотест-110», комплектуемый ионоселективными преобразователями. Температуру молока и продуктов его переработки на стадиях приемки, производства и отпуска с завода или фермы можно контролировать цифровым термометром ТЦМ-9210 на основе термистора. Вариант конструкции его преобразователя показан на рис. 21.7.

Погрешность измерения температуры в диапазоне -50...+1300 °С не превышает 0,5 . Температурная инерционность прибора - 9 с.

Для контроля массы продукции, находящейся в резервуаре, применяют весовое устройство УВТ-1. Оно состоит из трех мостовых схем, составленных из тензопреобразователей, и показывающего прибора. Диапазон измерения массы от 1 до 6000 кг, погрешностью 0,15 .

Размещено на Allbest.ru