Электрические измерения играют в настоящее время большую роль в народном хозяйстве. Объясняется это тем, что электрическими методами измерений пользуются не только в электротехническом и энергетическом хозяйстве, но и в самых различных отраслях производства. Посредством измерения электрических параметров — тока, напряжения, электрического сопротивления — контролируют и измеряют многие неэлектрические величины, такие, как температура, давление, влажность, скорость; ведут контроль за уровнем жидкостей и сыпучих тел и др.
Электрические методы измерений ценны тем, что позволяют вести наблюдение за производственным процессом непрерывно, надежно и с большой точностью. Кроме того, результаты измерений могут быть легко переданы по проводам на значительные расстояния к пунктам контроля и управления.
Общий принцип такого рода измерения заключается в том, что на месте, где производят измерения, та или иная неэлектрическая величина преобразуется в приборе, называемом датчиком, в величину электрическую. Например, изменение температуры или влажности контролируемого материала преобразуется датчиком в изменение электрического сопротивления. Далее результаты измерения передаются по проводам к измерительному прибору, например к логометру, на шкале которого стрелка покажет уже не величину сопротивления, а непосредственно температуру или процент влажности.
Таким образом, датчик является аппаратом или прибором, который следит за той или иной стороной производственного процесса, положением отдельных частей механизма, уровнем жидкости или сыпучих тел в резервуарах или бункерах и подает электрические сигналы на командный или контрольный пункт. Электрические сигналы датчика воспринимаются или непосредственно какими-либо приборами, или проходят через вспомогательные, иногда весьма сложные устройства, в которых эти сигналы усиливаются и видоизменяются. Такие устройства носят название реле. Реле воспринимают слабые электрические сигналы, поступающие от датчиков, и под их воздействием замыкают или размыкают контакты в сигнальных цепях или цепях управления, в результате чего загораются сигнальные лампы, звучат звонки или сирены на контрольных пунктах, а в иных случаях приводятся в действие те или иные электродвигатели (например, электродвигатели насосов при автоматизации работы насосных установок).
Устройство и применение реле описаны в IV части учебника. Датчики более подробно рассматриваются при изучении предмета «Основы автоматизации производственных процессов». В настоящей главе, на нескольких примерах, показано, как в условиях строительства используются электрические методы измерения неэлектрических величин.
Контроль температуры
При контроле и дистанционном (на расстоянии) измерении температуры в пределах от —50 до +500° С в качестве датчиков обычно применяются термометры сопротивления. В строительстве они применяются при контроле температуры тех или иных технологических процессов в мастерских, температуры пропарочных камер и автоклавов, а также при электропрогреве бетона.
Принцип действия термометра сопротивления основан на известном свойстве металлических проводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Конструктивно термометр сопротивления состоит из чувствительного измерительного элемента, помещенного в металлический трубчатый чехол с головкой для вывода проводов. Измерительный элемент представляет собой стержень из изоляционного материала с намотанной на нем тонкой проволокой: медной при измерениях температуры от —50 до +100° С или платиновой при измерениях температуры до 500° С. Концы проволоки присоединены к выводам проводов сигнальной цепи. Термометр включают в сигнальную электрическую цепь, в которую входит источник постоянного тока малого напряжения (4 В) и измерительный прибор — логометр, измеряющий величину тока; в данных условиях величина тока при постоянном напряжении будет обратно пропорциональна измеряемой температуре. Стрелка прибора непосредственно показывает температуру (шкала отградуирована на градусы).
Другим, более простым датчиком температуры является электроконтактный ртутный термометр. Он представляет собой обычный термометр, но с впаянными в определенном месте шкалы двумя, тремя или четырьмя металлическими электродами, к которым подсоединены провода сигнальных цепей. При достижении определенной температуры ртутный столбик термометра замыкает контакты и посылает необходимый сигнал. С помощью электроконтактного термометра можно получать данные о достижении определенных пределов температуры контролируемого объекта.
Имеются и другие датчики температуры, например термисторы, полупроводниковые приборы, описание которых приводится в III части учебника.
Контроль уровня жидкости и сыпучих материалов
Простейшим датчиком для контроля заполнения резервуаров жидкостью и бункеров сыпучими материалами является ртутный контакт (рис. 6.11). Он представляет собой запаянный стеклянный сосудик 1 длиной 50—70 мм с двумя отростками внизу, в которые впаяны металлические электроды 2 с отходящими от них проводами; в трубку налито небольшое количество ртути 3. При горизонтальном положении трубки ртуть замыкает контакты сигнальной цепи, при наклоне оси трубки (влево или вправо) ртуть переливается к одному из концов трубки и размыкает контакты.
Рис. 6.11. Ртутный контакт
Рис. 6.12. Проволочный датчик (Тензодатчик):
1 — проволока; 2 — бумага; 3 — гибкие выводы
Ртутные контакты устанавливают на различных рычажных устройствах (коромысла весов, рычажные указатели и т. д.). Датчики с применением ртутных контактов находят широкое применение на автоматизированных насосных, водонапорных башнях, автоматизированных бетонных заводах, складах сыпучих материалов и др.
Контроль механических напряжений и деформаций
Для измерения механических напряжений и деформаций строительных конструкций и металлоконструкций строительных механизмов применяют проволочные датчики (тензометры, тензодатчики).
Проволочный датчик представляет собой тонкую проволоку из сплава высокого сопротивления, обычно константана, наклеенную в виде ряда петель на лист бумаги (рис. 6.12). К концам проволоки крепятся гибкие выводы, при помощи которых датчик подключается к проводам измерительной схемы. Диаметр проволоки 0,02—0,05 мм. Поверх проволоки наклеивают второй защитный лист бумаги. В таком виде датчик наклеивают специальным клеем на зачищенную поверхность испытуемой конструкции. При этом желательно датчик расположить так, чтобы ожидаемые деформации были направлены вдоль его длины. Принцип действия проволочного датчика основан на зависимости электрического сопротивления проволоки от напряжений, действующих при ее растяжении.
Активное сопротивление датчиков из константановой проволоки составляет 100—200 Ом, а из специальных сплавов (датчики с повышенной чувствительностью) — 500—1000 Ом. Точными лабораторными приборами измеряют сопротивление датчика до нагрузки испытуемой конструкции и при ее наличии. По изменению сопротивления судят о величине деформации.
* * *
В этой главе рассматривались наиболее простые примеры применения электрических методов для контроля за изменением неэлектрических величин.
Современные методы автоматического измерения и контроля, в частности и в строительном производстве, предусматривают применение многих значительно более сложных приборов и схем с участием элементов электроники, описание которых приводится в разделе III книги. При этом в измерениях используются не только электрические, но и наиболее современные методы с применением радиоактивных излучений и ультразвука.
