ЕРВ

На електричних станціях вимірюють значну кількість неелектричних фізичних величин. Кількість їх значно перевищує вимірювані електричні величини, а кількість місць на кожному енергоблоці, де роблять такі вимірювання, перевищує сотні. Серед механічних величин,що підлягають вимірюванням, є величини:

• мас;
• сил;
• обертових моментів;
• рівнів заповнення ємностей з водою, хімічними реактивами, мазутом, вугільним пилом;
• амплітуд і частот вібрацій;
• частот обертання;
• витрат води, пари тощо.

Особливу увагу приділяють вимірюванням теплових величин: температур обмоток електричних машин і трансформаторів, води, пари,повітря тощо.

Контролюють величини, що визначають властивості і склад речовин:

• хімічний склад газових сумішей;
• концентрацію розчинів;
• солоність води;
• вологість повітря, мазуту, вугілля та ін.

Для вимірювання вказаних величин використовують вимірювальні перетворювачі (датчики), що перетворюють вимірювані фізичні величини на електричні.

До цієї групи відносять реостатні перетворювачі переміщень і тензорезистивні перетворювачі.

Реостатні перетворювачі (датчики) переміщень виконують на основі намотаних дротом високого питомого опору резисторів з повзунком, що пересувається під дією об’єкта, розмір переміщення котрого необхідно вимірювати.

Рисунок 1. Реостатні перетворювачі: а – прямолінійний; б – коловий

Для контролю величини поступальних переміщень, або обмежених кутових переміщень застосовують прямолінійні реостати, а для контролю величини значних кутових переміщень — дугові чи кутові. Дві можливі конструкції реостатів показано на рис. 1, а, б.

У цих перетворювачах величина опору чи напруги між нерухомим і рухомим контактами є залежною від величини переміщення рухомого контакту відносно нерухомого.

Для визначення величини сили, що діє на будь-яку конструкцію, найпростішим перетворювачем може бути дріт, що розтягується разом з конструкцією, до якої його прикріплено, та змінює величину свого електричного опору. Такий перетворювач зображено на рис. 2. Він складається з паперової чи плівкової полімерної підкладки 1, на яку наклеєно дріт 3 матеріалу, чутливого до розтягування й здатного змінювати при цьому свій опір. До кінців цього дроту зварюванням чи паянням прикріплено мідні проводи, що з’єднують перетворювач з вимірювальною схемою. Поверх перетворювача наклеєно захисний шар паперу. Такі перетворювачі називають тензометрами.

Рисунок 2. Тензорезистивний перетворювач

Дротяні тензометри наклеюють на чисту поверхню ви Пробуваної конструкції 2 за допомогою клею. Мідні проводи, що виходять з тензометра, приєднують до мостової або потенціометричної схеми, що вимірює опір. Про величину сили, що діє на випробувану конструкцію, роблять висновок за величиною зміни опору при розтягуванні тензометра разом з конструкцією.

Тензометри виготовляють з тонкого (діаметр 0,02... ...0,05 мм) константанового, копелевого, ніхромового чи нікелевого дроту, укладеного у 2...40 рядів. Довжина цих рядів від 5 до 25 мм, хоча інколи може досягти й 100 мм. Ширина тензометра 1... 10 мм.

В індуктивному перетворювачі при взаємному переміщенні його частин змінюється опір магнітного кола, а разом з ним і величина індуктивності обмотки цього перетворювача. Чим більшим буде магнітний опір, тим меншою стане величина індуктивності обмотки, а відтак, і її реактивний опір.

Два різновиди індуктивних перетворювачів показано на рис. 3. Перетворювач, що є на рис. 3, а, можна застосовувати для вимірювання відносно малих переміщень — від сотих часток міліметра до 5... 10 мм. Перетворювач, зображений на рис. 3, б, здатний вимірювати величини переміщення його рухомої частини 2 до 100... 120 мм. Якщо відстань l у обох перетворювачів зменшується, то зменшується величина магнітного опору їхніх магнітних систем і збільшується величина індуктивності обмоток 3 цих перетворювачів. Якщо обмотки 3 через прилад, що вимірює струм, приєднати до джерела змінного струму з відомою і незмінною величиною напруги, то за величиною струму, яку показує прилад, можна мати уявлення про величину l, що є між рухомими частинами перетворювачів і кінцевим їхнім положенням. На рис. 3, в показано (орієнтовно) залежність між величиною струму котушок перетворювачів від відстаней l. При значних величинах l, де величина індуктивності котушок найменша, бо визначається лише величинами магнітних опорів розсіювання магнітних потоків у повітрі, переміщення рухомих частин перетворювачів (якорів) майже не впливає на величини струмів котушок. Звичайно, для перетворювачів такі відстані слід визнати неробочими.

Рисунок 3. Індуктивні перетворювачі

Подібні перетворювачі працюють на частотах 50 Гц (найчастіше), і при підвищених частотах — 400... 1000 Гц. При підвищених частотах індуктивні перетворювачі бувають меншими за розмірами ніж ті, шо працюють на частоті 50 Гц.

Клас точності цих приладів — 0,2, тобто їхня основна похибка не перевищує ±0,2 % від середньої частоти, вимірюваної приладом.

У цих приладах зі зміною величини частоти змінюються також величина і фаза струму у нерухомих котушках НК, і НК₂ і у рухомій котушці-рамці Так, якщо за частоти, що відповідає показанню посередині шкали приладу, величина реактивного індуктивного опору вітки, за якою проходить струм I₁, дорівнюватиме величині ємнісного реактивного опору конденсатора С₁, тоді через наявність резонансу напруг струм I₁ буде найбільшим і перебуватиме у фазі з напругою U_f.

Індукційні перетворювачі працюють завдяки наявності магнітної індукції. Індукційні перетворювачі, що створюють електричні сигнали, пропорційні швидкостям поступального і обертового руху, показано на рис. 4. У обмотках 1 цих перетворювачів, при їх рухові у магнітному полі, створюваному постійними магнітами 2, виникають ЕРС, пропорційні швидкостям руху цих обмоток (точніше — пропорційні швидкостям, з якими витки цих обмоток перетинають силові лінії магнітних полів).

Перетворювач, зображений на рис. 4, а, придатний лише для контролю швидкості зворотно-поступального руху, наприклад, для вимірювань швидкостей вібрації. Щодо перетворювача, зображеного на рис. 4, б, то він придатний для вироблення сигналу й при безперервному обертанні обмотки 1 у магнітному полі. Тільки у цьому разі ЕРС, що виникає в обмотці, на кожному її оберті двічі змінюватиме знак, тобто обмотка вироблятиме ЕРС змінного струму. На основі такого перетворювача виконують перетворювачі швидкості обертання у пропорційну їй ЕРС змінного струму, якщо ЕРС з кінців обмотки знімати щітками з контактних кілець; чи постійного струму, якщо зняття ЕРС з обмотки виконують за допомогою колектора. Подібні перетворювачі (рис. 4, б) називають тахогенераторами. їх широко застосовують для вимірювання швидкості обертання в усіх галузях техніки.

Рисунок 4. Індукційні перетворювачі

Взаємоіндуктивні перетворювачі — це трансформаторні перетворювачі. Вони завжди мають хоча б дві обмотки (рис. 5, а, б): первинну 1 (намагнічувальну, приєднану до джерела живлення змінного струму з постійною за величиною напругою) і вторинну — вимірювальну 2, яку належить приєднати до електровимірювального приладу, що вимірює напругу (до вольтметра чи до схеми, що вимірює величину напруги змінного струму). Перетворювач для вимірювання переміщень значної величини (порядку 1 м ) зображено на рис. 5, а. Під кожним перетворювачем показано графік залежності напруги вимірювальної обмотки перетворювача від вимірюваної величини (тобто відстані чи кута повороту). Напруги позначено у їхніх ефективних значеннях.

Рисунок 5. Взаємоіндуктивні перетворювачі

ЕРС Е₂, яку дає вимірювальна обмотка 2 і яка залежить від величини змінного магнітного потоку, що є у нерухомому осерді 3 у місці знаходження цієї обмотки, буде тим меншою, чим далі ця обмотка розташована від обмотки збудження 1, бо щільність силових ліній магнітного поля (магнітна індукція) буде більшою саме поблизу обмотки 1, як видно з рис. 5, а. Зауважимо, що ЕРС Е₂ змінює фазу на 180° (рис. 5, б), тому вимірювання ЕРС Е₂ дійсно дає результат, показаний на графіку, де тільки з виміряної величини Е₂ неможливо відрізнити, скажімо, кут повороту на 90° від кута повороту на 270°.

Розрізнити ці кути повороту можна, використовуючи фазочутливі схеми, за допомогою котрих можна, користуючись вольтметром постійного струму з нулем посередині шкали, одержати при α = 0°...180° позитивні показання вольтметра, а при кутах α = 180°...360° — негативні.

На відміну від попередньо розглянутих індукційних перетворювачів, де ЕРС Е2 настає лише від руху обмоток, у взаємоіндуктивних перетворювачів ЕРС вимірювальних обмоток існує і при їх нерухомому стані.

Тобто за допомогою таких перетворювачів можна чітко визначити положення як рухомих, так і нерухомих частин і вузлів виробничих механізмів.

Ємнісні перетворювачі — це конденсатори, величина ємності котрих залежить від вимірюваної неелектричної величини. Ємнісні перетворювачі використовують для вимірювань невеликих переміщень, визначення складу рідких сумішей, рівня заповнення виробничих ємностей рідкими чи сипучими речовинами

Ряд ємнісних перетворювачів показано на рис. 6. Плоский конденсатор може бути використаний для вимірювань невеликих переміщень (рис. 6, а), коли змінюється відстань l між його пластинами. Величина ємності С такого конденсатора, якщо він знаходиться у повітрі.

де ε0 — діелектрична постійна (ε0= 8,85. 10^-12 Ф/м);

S — площа кожної пластини, м2 ;

l — відстань між пластинами, м.

Нескладно підрахувати, що при величині площі кожної пластини 10 см² (10 ^-3 м ) і відстані між пластинами 1 мм (10^-3 м) величина ємності конденсатора буде всього 8,85. 10^-12 Ф, тобто 8,85 пФ. А якщо відстань між пластинами збільшити до 10 мм, то ємність стане меншою за 1 пФ. Такі малі ємності сумірні з ємністю проводів та з ємністю між пластинами і близько розташованими частинами механізму, величини переміщень якого вимірюють. Все це знижуватиме точність вимірювань ємності такого конденсатора, а значить і точність визначення відстані l. Тому перетворювачі величин відстаней чи переміщень на основі плоских конденсаторі в майже не використовують.

В той самий час багатопластинний конденсатор (рис. 6, б), за допомогою якого можна визначити величину кута повороту, що змінює ємність за рахунок зміни площі взаємодії пластин конденсатора (такі конденсатори до недавнього часу використовували майже в усіх радіоприймачах, їхня найбільша ємність десь близько 500 пФ), можна беззаперечно використати як перетворювач кута повороту в електричну ємність.

Рисунок 6. Ємнісні перетворювачі

У циліндричного конденсатора (рис. 6, в) величина ємності визначається виразом

де h — довжина конденсатора, м;

h' — висота рівня речовини, що знаходиться між циліндричними електродами, м;

ε — абсолютна діелектрична проникність речовини, що знаходиться у проміжку між циліндричними електродами, Ф/м;

R₁ — внутрішній радіус зовнішнього електрода, м;

R₂ — зовнішній радіус внутрішнього електрода, м.

Він може мати достатню ємність при значній його довжині та за суттєво більшої, ніж у повітря, діелектричної проникності ε. Найчастіше такий перетворювач використовують у ємнісних рівнемірах, які вимірюють рівні рідких неелектропровідних речовин (наприклад, бензину у високих ємностях).

Якщо речовина, що залита у технологічну ємність, не діелектрик, а провідник, як, наприклад, розчини кислот і солей, то вимірювальний конденсатор перетворювача висоти рівня у величину електричної ємності можна виконувати у вигляді одного електрода, ізольованого шаром матеріалу зі значною діелектричною проникністю, наприклад деякими полімерними матеріалами. У цьому разі другим (заземленим) електродом конденсатора буде сама електропровідна речовина, що облягає ізоляцію стрижня, який є першим електродом такого конденсатора.

Теплові вимірювальні перетворювачі, що серед вимірювальних перетворювачів чи не найчастіше застосовуються на теплових електростанціях та теплоелектроцентралях, поширені й на підприємствах усіх галузей промисловості, де у технологічному процесі використовують тепло.

У багатьох точках технологічного процесу вимірюють температури за допомогою термоелектричних чи терморези-стивних перетворювачів. Термоелектричні перетворювачі — це в основному термопари, а терморезистивні — це термометри опору.

Термопари є генерувальними перетворювачами. Кожна з них складається з двох різнорідних проводів, з’єднаних у одному з кінців зварюванням чи лютуванням.

У термопар термоелектрорушійна сила виникає за наявності різниці температур місць з’єднання цих різнорідних провідників, перше з яких розташоване у місці вимірювання температури (де знаходиться саме місце зварювання), а друге — у місці приєднання цих провідників до електровимірювальних приладів, що вимірюють термо-ЕРС.

Для вимірювань різних величин температур використовують і різні термопари. Так, для температур нагріву не вищих за 600 °С користуються мідноконстантановими термопарами, для температур до 1600 °С — платинородій-платиновими, до 2500 °С — вольфраморенієвими. Тут вказані найбільш допустимі для вказаних термопар температури короткочасного нагріву. Якщо ж термопару використовують протягом тривалого часу, то допустима температура повинна бути дещо меншою (на декілька сотень градусів).

Відносно величини створюваних термопарами термо- ЕРС, то з названих термопар найбільшу має хромель-копелева термопара (66,4 мВ при 800 °С), а найменшу — платинородій-платинова (16,76 мВ при 1600 °С).

Наведені величини термо-ЕРС передбачають, що кінці термопар, приєднані до вимірювальних приладів, перебувають при температурі 0 °С. У реальних умовах експлуатації приладів, коли температура навколо них буде близько 20 °С, справжні значення термо-ЕРС будуть дещо меншими.

Для кожного типу термопари передбачена своя залежність величини термо-ЕРС від величини температури між кінцями термопари. Ці залежності наведено у Державному стандарті на термопари, де вони дещо відрізняються від прямих.

Рисунок 7. Термопара з арматурою

Тому мілівольтметри, якими вимірюють ЕРС термопар, градуюють у одиницях температури, беручи до уваги на явність такого відхилення для термопар кожного типу. Якщо ж ці ЕРС вимірюють переносними мілівольтметрами, градуйованими у мілівольтах, то для точного вимірювання температури термопарою необхідно користуватись таблицями, де наведено залежність ЕРС кожного типу термопар від температури.

Кожну термопару вміщено в арматуру, що захищає її від зовнішніх чинників та фіксує постійне місце її встановлення. У більшості випадків (рис. 7) арматуру 1 виготовлено з металу, до температури 400 °С — з міді чи латуні, до 700...800 °С — зі сталі, а для температур, більших ніж 1000...1200 °С, — з порцеляни чи кварцу. Місце зварювання проводів термопари 2 ізолюється від денця металевої захисної трубки керамічним наконечником 3. Проводи термопари, що виходять з арматури, приєднані до контактів, закріплених у з’єднувальній коробці арматури. Всередині арматури проводи термопари ізольовано один від одного керамічними трубками чи бусами, а простір між ізольованими проводами і стінкою арматури засипано керамічним порошком.

Через штуцер, вставлений під прямим кутом до арматури, проходять проводи від вимірювальних приладів, що приєднуються до проводів термопари через затискачі, встановлені у з’єднувальній коробці арматури.

Якщо термопара працює при особливо високих температурах, арматура може охолоджуватись на більшій частині своєї довжини пристроєм водяного охолодження, виконаним у вигляді металевої трубки з двошаровою стінкою, у щілині, між шарами якої циркулює охолоджувальна вода, що надходить до цього проміжку та виходить з нього через штуцери, встановлені у верхній частині охолоджувального пристрою.

У щілині між шарами стінки охолоджувача є перетинки, які забезпечують проходження охолоджувальної води по всьому об’єму щілини.

Терморезистивні перетворювачі (термометри електричного опору) — це вимірювальні перетворювачі, де використовується здатність провідників (іноді — напівпровідників) змінювати свій питомий опір під впливом температури, що є навколо них.

Найпоширенішими є перетворювачі, виготовлені з мідного чи платинового проводу. Мідні перетворювачі виконують для роботи при температурах від -50 до 180 °С, платинові ж розраховано на більший діапазон вимірюваних температур, а саме: від -200 до 1100 °С. Терморезистивні перетворювачі можуть бути зроблені й зі стального або нікелевого проводу, але таке буває рідко.

Рисунок 8. Загальний вигляд терморезистора

Терморезистори виконані з мідного ізольованого проводу, закладені у мідну трубку, заповнену керамічним піском. Платинові терморезистори виконані у вигляді тонких спіралей, закладених у поздовжні канавки керамічного каркаса. Як і у мідних перетворювачах, порожні місця тут засипано порошком оксиду алюмінію, бо очікувані температури тут більші, ніж у мідних, і оксид алюмінію буде більш доцільним.

Ці терморезистори закладають у металеві (з нержавіючої сталі) трубки, які захищають їх від механічних пошкоджень.

Загальний вигляд складеного терморезистора зображено на рис. 8.

Деякі терморезистори можуть бути виконані на основі напівпровідникових матеріалів, що мають величину температурного коефіцієнта питомого опору у декілька разів більшу, ніж у металів. На них можна було б створити досить точну систему вимірювань температури, але стає цьому на заваді значна нелінійність їхніх характеристик, незбіг характеристик однотипних елементів, різниця температурних коефіцієнтів питомого опору в сусідніх зразках, значна різниця величин номінальних опорів сусідніх зразків.

І все ж за невисоких температур (до 200...300 °С) напівпровідникові терморезистори застосовуються у системах вимірювань температури, а дещо частіше — і в системах автоматичного регулювання температури.

>Електрохімічні перетворювачі контролюють склад, стан та інші фізикохімічні властивості речовин чи сумішей або розчинів речовин завдяки створенню певних величин опорів, струму, падіння напруги чи ЕРС, які відповідають певним значенням контрольованих величин.

Такі перетворювачі виконують у вигляді комірки обмеженого розміру, заповненої речовиною, сумішшю або розчином, та електродів, що приєднані до схеми вимірювання електричної величини, функціонально пов’язаної з контрольованою величиною (наприклад, з величиною концентрації).

Резистивні електролітичні перетворювачі широко використовують для вимірювань концентрації розчинів. Ці перетворювачі можуть складатися (рис. 9, а) з двох плоских електродів 7, розташованих у торцях відрізку труби 2, виготовленої з ізоляційного матеріалу. Крізь трубу проходить контрольований розчин. Якщо електроди через амперметр буде підімкнено до джерела струму (до вторинної обмотки трансформатора), то за величинами напруги і струму можна розрахувати величину опору розчину, що є між електродами. Якщо внутрішні розміри резистивного електролітичного перетворювача (внутрішня довжина труби та площа електродів) відомі, нескладно розрахувати й питомий опір розчину, що протікає упоперек трубки. А вже з величини питомого опору розчину судять про його концентрацію.

Рисунок 9. Резистивні електролітичні перетворювачі: а – з плоскими електродами; б – з циліндричними електродами

Резистивні електролітичні перетворювачі живляться виключно змінним струмом. Якби такі перетворювачі живилися від джерела постійного струму, то через наявність електролізу розчину на його електродах з’явились би пухирці газів (на одному — водню, а на іншому — кисню), що з часом спотворило б результати вимірювань опору.

Зазначимо, що у правильності вимірювань концентрації можна бути впевненими лише у тому разі, коли вимірювання проводяться при певній температурі розчину, для якої відома залежність величини опору від величини концентрації.

Крім того, у правильності вимірювань можна бути впевненими також тоді, коли заздалегідь відомо, що концентрація розчину знаходиться у певних межах (наприклад, що у місці вимірювань можуть бути лише незначні величини концентрації, чи, навпаки, великі).

У багатьох розчинів при зміні їх концентрації у значних границях величина питомого опору проходить через мінімум, тобто питомий опір у цих розчинів може мати два однакових значення — одне при відповідно малих концентраціях, а інше — при великих.

Це, наприклад, стосується водяних розчинів сірчаної, азотної, соляної кислот, їдкого калію та багатьох солей.

Резистивний перетворювач для визначення концентрації розчинів може бути виконаний з циліндричними коаксіальними електродами, як зображено на рис. 9, б. Такий перетворювач доцільно застосовувати для вимірювань концентрації розчинів переважно з великим питомим електричним опором, бо тут довжина ділянки протікання струму через розчин — замала (це різниця між внутрішнім радіусом зовнішнього електрода R1 і зовнішнім радіусом внутрішнього електрода R2), а площі, між якими протікає струм,— великі. Це дає можливість навіть за наявності великого питомого опору розчину одержати прийнятну для вимірювань величину опору перетворювача.

При виготовленні перетворювачів, подібних до тих, що вже розглянуті, звичайно, необхідно застосувати матеріал, що не руйнується у контрольованому розчині.

Подібні перетворювачі застосовують як стаціонарні, для постійного контролю величини питомого опору розчинів, так і переносні — для періодичного контролю. У перетворювачів періодичного контролю кількість отворів повинна бути дещо більшою, ніж показано на рис. 9. Крім того, розташування отворів повинно бути таким, щоб уникнути затримки повітря у зоні заповнення перетворювача рідиною.

Фотоелектричні перетворювачі (частіше їх називають фотоелементами), поділяються на три групи:

• фотоелементи з зовнішнім фотоефектом;
• фотоелементи з внутрішнім фотоефектом;
• вентильні фотоелементи (рис. 10).

Кожний фотоелемент має свої характеристики, відмінні від характеристик інших фотоелементів, навіть якщо вони належать до однієї групи.

Головними характеристиками фотоелементів є:

• світлова характеристика, що показує залежність струму фотоелемента від інтенсивності світлового потоку, який на нього падає;
• спектральна характеристика — залежність величини струму фотоелемента від довжини хвилі променів, що діють на фотоелемент при незмінній напрузі живлення фотоелемента та інтенсивності світлового потоку;
• вольт-амперна характеристика, тобто залежність величини струму фотоелемента від величини прикладеної до нього напруги при незмінній інтенсивності світлового потоку, що падає на фотоелемент;
• частотна характеристика — залежність струму фотоелемента від частоти зміни інтенсивності світлового потоку;
• характеристика зниження чутливості фотоелемента від часу його безперервної роботи.

Для фотоелементів важливими є інтегральна чутливість, що може бути визначена з їхніх світлових характеристик, і спектральна чутливість, що визначається для кожної певної частоти з спектральної характеристики фотоелемента.

Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом виконано у вигляді електронної лампи, що має лише анод і катод. При цьому катод виконано світлочутливим у вигляді киснево-цезієвого чи киснево-стибієвого шару, нанесеного на скло. За наявності напруги між анодом і катодом і наявності освітлення світлочутливого шару між катодом і анодом проходить електричний струм, величина якого буде тим більшою, чим більший світловий потік падатиме на катод.

Залежно від середовища всередині балона фотоелемента вони можуть бути вакуумні чи газонаповнені. Газонаповнені фотоелементи відрізняються від вакуумних тим, що в їхніх балонах інертний газ перебуває під тиском, що не перевищує 1 мм рт. ст.

Рисунок 10. Фотоелементи: а – з зовнішнім фотоефектом; б – з внутрішнім фотоефектом; в – вентильний

Характеристики фотоелементів наведено на рис. 11. Світлові характеристики двох киснево- цезієвих елементів показані на рис. 11, а. Характеристика 1 стосується газонаповненого фотоелемента, а характеристика 2 — вакуумного. Для об’єктивного порівняння напруги, прикладені до обох фотоелементів, були однаковими і дорівнювали 240 В. Графіки свідчать про перевагу газонаповненого фотоелемента над вакуумним, бо перший (газонаповнений) при рівних світлових потоках, що падають на обидва фотоелементи, має набагато більший струм, ніж другий (вакуумний). Але з характеристик також видно, що у газонаповненого фотоелемента величина струму зростає швидше, ніж світловий потік. При підвищенні напруги це може спричинити виникнення самостійного газового розряду з руйнуванням катодного покриття та повним виходом з ладу фотоелемента.

Спектральні характеристики фотоелементів зображено на рис. 11, б. З характеристик видно, що стибій-цезієвий фотоелемент СЦ доцільно використовувати головним чином у високочастотній частині спектра видимого світла, а киснево-цезієвий КЦ — практично в усій видимій частині спектра.

Вольт-амперні характеристики фотоелементів зображено на рис. 11, в. Розглядаючи їх, можна дійти висновку, що при малих напругах більш сприйнятною буде характеристика вакуумного фотоелемента, бо від нього можна одержати більшу величину струму при рівних напрузі й світловому потоці з газонаповненим фотоелементом. Хоча при більших величинах напруг доцільніше використовувати цезієвий газонаповнений фотоелемент.

Рисунок 11. Характеристики фотоефектів із зовнішнім фотоефектом: а – світлова; б – спектральна; в – вольт-амперна; г – старіння

Дві характеристики старіння фотоелементів наведено на рис. 11, г. Порівняння цих характеристик дає можливість зробити висновок про те, що вакуумні фотоелементи у процесі роботи при незмінних напрузі і світловому потоці можуть зменшувати чутливість (всього на 20 % порівняно з початковою) у меншій мірі, ніж цезієвий газонаповнений фотоелемент. За перші ж 200 годин роботи цей фотоелемент зменшує чутливість майже у чотири рази і далі працює з таким самим зменшенням.

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом завжди потребують підсилення електричних сигналів, бо їхній вихідний струм здебільшого становить лише кілька мікроампер. Тому вони звичайно працюють з електронним чи напівпровідниковим підсилювачем.

Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом (фоторезисто- ри) зменшують опір під дією променевої енергії. Виконують їх на основі напівпровідників, а саме: селену, сірчанокислих талію, вісмуту, свинцю тощо. Кращими напівпровідниками для таких фотоелементів можуть бути германій і силіцій.

Фоторезистори байдужі до зміни полярності напруги, прикладеної до них, і мають характеристики, зовнішньо дещо подібні до розглянутих вище, але здатних пропускати через себе значно більші струми (до кількох десятків міліампер). Для фоторезисторів важливою величиною є кратність зміни величини їхнього опору при переході від повної темноти до повного їх освітлення. Ця кратність може бути від 30...35 до 140...150.

Строк їхньої роботи (без порушення правил експлуатації) необмежений. Але вони досить чутливі до дії вологи і мають значну інерційність (тобто змінюють величину опору через деякий час після зміни інтенсивності освітлення). В усякому разі постійна часу фотоструму у них може досягти кількох сотих секунди.

Вентильні фотоелементи — це фотоелементи з запираючим шаром. Будова такого фотоелемента і схема вмикання його в електричне коло показані на рис. 12, а. Світлова характеристика міднозакисного фотоелемента при різних величинах опорів навантаження показана на рис. 12, б. Фотоелемент складається з чотирьох шарів: 1 — напівпрозорий електрод; 2 — замикаючий шар; 3 — шар закису міді; 4 — мідна основа.

Рисунок 12. Вентильний фотоелемент: а – будова фотоелемента; б – світлова характеристика

Замикаючий шар надзвичайно тонкий і тому електрони, розташовані у напівпровіднику 3 поблизу цього шару, одержавши від поглинутих напівпровідником фотонів зі світлового потоку додаткову енергію, перетинають замикаючий шар 2 і створюють негативний заряд на напівпрозорому електроді 7. Мідна основа при цьому одержує позитивний заряд. Через наявність замкненого шляху через вимірювальний прилад і резистор навантаження rн між мідною основою 4 і напівпрозорим шаром 1 потече струм. Величина цього струму буде тим більша, чим більшою буде величина світлового потоку і чим меншою — величина опору r_н, як показано на рис. 12, б. Форма спектральних характеристик таких фотоелементів схожа на ту, що була наведена раніше, але величина струмів, які генерує фотоелемент, буде значно більшою і може навіть перевищувати 1 мА. Тобто такий фотоелемент буде здатним безпосередньо живити обмотку будь-якого чутливого реле (наприклад, поляризованого) і, при достатній величині світлового потоку, може викликати його спрацювання.

Світлові перетворювачі часто застосовуються в приладах, що вимірюють неелектричні величини електричним методом. Так, на їхній основі виконують пірометри — для безконтактного вимірювання високих температур нагріву; калориметри — для вимірювань кількості тепла; експозиметри — для вимірювання освітленості об’єктів фото- і кінозйомки; нефелометри — для вимірювань ступеня каламутності рідин чи газів; прилади для вимірювань якості поверхні, вологості по точці роси, для підрахунку виробів, що пересуваються на конвеєрі, тощо.

Іонізаційні перетворювачі перетворюють потік радіоактивного випромінювання у функціонально пов’язаний з ним електричний струм. Такі перетворювачі можуть принципово працювати на α-, β- і γ-випромінюванні.

Іонізуючі α-частки, що являють собою ядра гелію, мають значну енергію, але поглинаються у занадто тонких шарах твердих речовин (завтовшки десь лише у десятки мікрон) і тому практично не використовуються у вимірювальному устаткуванні енергетики.

Іонізуючі β-частки — це малі негативно заряджені частки (електрони), що мають значну проникну здатність, хоч енергія кожної такої частки менша, ніж у α-частки. Вони здатні вільно долати у повітрі відстані у багато десятків разів більші, ніж а-частки. Використовують α-випромінювання як засіб іонізації у іонізаційних перетворювачах. Джерелом β-часток може бути радіоактивний ізотоп талію, період напіврозпаду якого становить десь близько трьох років.

γ-випромінювання — це електромагнітні коливання з частотою 7,5.10¹⁹...3.10²¹ Гц. Ці коливання випромінюються квантами — фотонами і не підлягають впливу ні електричних, ні магнітних полів. Проникна спроможність γ-променів значна. Досить сказати, що потік цих променів зменшується лише у два рази шаром свинцю завтовшки 16 мм.

Джерелом γ-променів може бути радіоактивний ізотоп кобальту, період напіврозпаду якого перевищує п’ять років.

Перетворення іонізуючого випромінювання у електричний сигнал, зручний для подальших передачі і використання у електричних приладах для вимірювання неелектричних величин, виконують іонізаційні лічильники (іонізаційні трубки) і сцинтиляційні лічильники.

Іонізаційний лічильник (рис. 13) складається зі скляної трубки 1 з двома електродами — зовнішнім 2 і внутрішнім 3. Трубка герметична, з неї відкачано повітря і введено під малим тиском інертний газ (аргон). Зовнішній електрод 2 може бути виконано нанесенням тонкого металевого шару на внутрішню поверхню циліндричної частини трубки. Внутрішній електрод — це дріт, впаяний у кінцеві частини трубки.

Рисунок 13. Іонізаційний лічильник

Якщо до електродів 2 і 3 прикласти напругу постійного струму, то при помірних величинах напруги струму між електродами 2 і 3, за відсутності радіоактивного опромінювання, не буде. Але при появі такого опромінювання у проміжку між електродами (а також і у зовнішньому колі) з’являється електричний струм, спричинений іонізацією газу у трубці.

Величина струму залежить від інтенсивності опромінювання і у певному діапазоні напруг джерела живлення не за лежить від самої напруги. Приєднавши послідовно до трубки резистор, можна одержати на ньому величину падіння напруги, пропорційну струмові трубки. Далі цю напругу можна підсилювати і вимірювати, враховуючи, що її величина пропорційна інтенсивності опромінювання, тобто функціонально залежить від неелектричної фізичної величини, через яку проходять промені іонізуючого випромінювання (від величини рівня якоїсь речовини, товщини її шару, щільності суспензії тощо).

У сцинтиляційних лічильниках використано появу світлових спалахів від дії іонізуючого випромінювання на деякі матеріали.

Підраховуючи частоту електричних імпульсів, одержаних після перетворення послідовності світлових спалахів у послідовність електричних 24 імпульсів, визначають необхідні характеристики неелектричних фізичних величин, крізь які проходить іонізуюче випромінювання.