44. Конструкция, принцип действия, параметры и характеристики термоэлектрических измерительных преобразователей.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) используют для измерения температуры.

Принцип действия термопары основан на использовании термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в возникновении термо-ЭДС е_θ в цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, называемых термоэлектродами, если температуры θ₁ и θ₂ соответствующих частей преобразователя (рис. 110.1) разные.

Общая термо ЭДС на выходе преобразователя

Е=Е_ab(Q₂)-Е_ab(Q₁)

Условие существования термоЭДС

Е_ab(Q₂)≠Е_ab(Q₁)

Возникновение термо-ЭДС объясняется суммарным действием двух термоэлектрических эффектов: явления Томсона и явления Зеебека. Явление Томсона заключается в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциалов вследствие того, что электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Возникающая термо-ЭДС, называемая термо-ЭДС Томсона, определяется выражением

,

где σ – коэффициент Томсона для данного проводника.

Сущность явления Зеебека состоит в следующем. При соприкосновении двух разнородных проводников в месте их контакта возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различной концентрацией носителей зарядов. Зеебеком было установлено, что в замкнутой цепи двух разнородных проводников, спаи которых находятся при разных температурах, электродвижущая сила Е_ab(θ₁), возникающая при переходе от проводника a к проводнику b в точке с температурой θ₁, и электродвижущая сила Е_bа(θ₂), возникающая при переходе от проводника b к проводнику а, имеют противоположные знаки и не равны между собой.

В зависимости от назначения термоэлектрические преобразователи делятся на погружаемые, предназначенные для преобразования температуры газообразных и жидких сред, и поверхностные, предназначенные для преобразования температуры поверхности твердого тела. В зависимости от инерционности они делятся на малоинерционные, показатель (постоянная времени) тепловой инерции которых не превышает 5 с для погружаемых и 10 с для поверхностных; средней инерционности – соответственно не более 60 и 120 с и большой инерционности, имеющие показатель тепловой инерции до 180 и 300 с.

Предел измерения температур для термопар составляет -200…+2500 С.

Достоинства – большой диапазон измеряемых температур, возможность проведения измерений без дополнительного источника тока.

Недостатки – нелинейная функция преобразования, неравномерная шкала.

45. Пьезоэлектрические преобразователи усилий и давлений.

Измеряемое давление Р действует на мембрану, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга ) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление.

Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой, кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с измерительной цепью, представлена на рис. 11-6, а, на котором С_о – емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); С_вх – емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; R_o – сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; R_BX – входное сопротивление измерительной цепи.

Выходное напряжение преобразователя с подключенной к нему измерительной цепью составляет

где и

Для увеличения чувствительности пьезоэлектрического преобразователя его пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок пластин. В этом случае чувствительность преобразователя определяется формулой , где п – число параллельно соединенных пластин; С_о – емкость одной пластины.

Погрешности пьезоэлектрических преобразователей складываются прежде всего из погрешности от изменения параметров измерительной цепи (емкости С_вх), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрической постоянной, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности. В диапазоне низких частот частотная погрешность вычисляется по формуле