Термопары из благородных металлов и их характеристики.
Благородные металлы (платина-кобальт)
Колоссальные значения Нс = 400 кА/м. Платина-кобальт-кремний – 480 кА/м. Wmax (Pt-Co) сравним с ЮНДК24. Очень большие значения магнитных характеристик обуславливают высокую стабильность из этих материалов. Их используют в очень точных э/м приборах с подвижными магнитами в качестве магнитных пружин. В бытовых приборах не используются.
Термопары из неблагородных металлов и их характеристики.
Термопары из неблагородных металлов Тип J (железо-константановая термопара) • Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; • Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы; • Максимальная температура применения – 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы. • Показания повышаются после термического старения. • Преимуществом является также невысокая стоимость. Тип Е (хромель-константановая термопара) • Преимуществом является высокая чувствительность. • Термоэлектрическая однородность материалов электродов. • Подходит для использования при низких температурах. s Тип Т (медь-константановая термопара) • Может использоваться ниже 0 °С; • Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода; • Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; • Не чувствительна к повышенной влажности; • Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность. Тип К (хромель-алюмелевая термопара) • Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода); • В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С; • Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода; • После термического старения показания снижаются; • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру; • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода. Тип N (нихросил-нисиловая термопара) • Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы. • Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки). • Кратковременная работа возможна при 1250 °С; • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К); • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов ниже нуля – тип Е, Т комнатные температуры – тип К, Е, Т до 300 °С – тип К от 300 до 600°С – тип N выше 600 °С – тип К или N
Термопары из огнеупорных соединений.
Преобразователи термоэлектрические ТПП-0192, ТПР-0192, ТПР-0292, ТПП-0392 и ТПР-0392 предназначены для измерения температуры окисилительных и нейтральных газовых сред, не взаимодействующих с материалом термоэлектродов и не разрушающих материал защитной арматуры. Отдельные исполнения термопар ТПП-0192 и ТПР-0192 также предназначены для измерения температуры в печах с продуктами горения твердого и газообразного топлива и температуры расплавов, не разрушающих материал защитной арматуры. Платино-родиевые термопары ТПР-0792 предназначены для измерения температуры водорода, окиси углерода, паров воды и других химически агрессивных и высокотемпературых сред, не разрушающих материал защитной арматуры. Термопары ТПР-0492 предназначены для измерения температуры горячего дутья доменных печей.
Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами. Для измерения температуры расплавленного металла термопарами из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4—0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения расплавленного металла (2000-2500 С) и газового потока (1800 С).
ТЕНЗОДАТЧИКИ.
Основные положения тензоэффекта
Тензодатчики бывают:
проволочные,
фольговые,
полупроводниковые
резино-проволочные
Измерительный мост, позволяющий определять величину неизвестного электрического сопротивления, был изобретён британским учёным Самуэлом Кристи в 1833 году, и позже модернизирован и популяризирован другим британским учёным, Чарьзом Витстоном в 1843 году.
Принцип измерения неизвестного сопротивления основан на уравнивании отношений сопротивлений в обоих плечах моста, при этом гальванометр, включённый между этими плечами, будет показывать нулевое напряжение. На рисунке Rx - это неизвестное сопротивление, которое требуется измерить. R1, R2 и R3 - резисторы с известными значениями сопротивлений, причём резистор R2 переменный. Если отношение двух известных сопротивлений в плече R2/R1 равно отношению сопротивлений в плече Rx/R3, то в этом случае напряжение между точками схемы P2 и P4 будет равно нулю, и через гальванометр V ток не будет течь. Если же мост разбалансирован, то отклонение гальванометра будут указывать на то, что сопротивление резистора R2 слишком большое или слишком маленькое. Переменный резистор R2 регулируют до тех пор, пока гальванометр не укажет на ноль.
По гальванометру можно определять отсутствие тока в цепи с очень большой точностью. Следовательно, если резисторы R1, R2 и R3 - высокоточные, то неизвестное сопротивление Rx может быть измерено с большой точностью. Небольшие изменения сопротивления Rxразбалансируют измерительный мост, что обнаруживается по показанию гальванометра.
При сбалансированном мосте выполняется равенство R2/R1 = Rx/R3.
Отсюда Rx = R3*R2 / R1
В случае если сопротивления R1, R2 и R3 известны, а резистор R2 - постоянный, то неизвестное сопротивление Rx может быть рассчитано с помощью законов Кирхгофа. Этот метод измерения часто используется при применении измерительного моста в тензометрии, совместно с тензодатчиком, так как считать показания с гальванометра получится гораздо быстрее, чем балансировать мост переменным резистором.
Тензоэффект — свойство материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. При этом считается, что сопротивление проводника или полупроводника зависит (при неизменном объеме) от его длины.
Тензометрический измерительный преобразователь - параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.
Для компенсации температурной погрешности тензодатчика часто используют два одинаковых датчика, которые размещают в месте измерения, причем один из них — на деформируемой детали, а другой — на детали, не подвергающейся деформации, и включают их в смежные плечи моста. Так как оба датчика находятся в одинаковых температурных условиях, приращения их сопротивлений за счет изменения температуры одинаковы в обоих плечах моста и не оказывают влияния на результат измерения.
Принцип действия: При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшается.
Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивленияпроводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.
Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином ив 1881 году О.Д.Хвольсоном.
В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.
При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:
исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;
применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.
Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.
Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.
Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их достоинств:
малые габариты и вес;
малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;
обладают линейной характеристикой;
позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения;
способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали.
Недостаток: заключающейся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.
Все существующие преобразователи можно разделить на три основных типа:
проволочные;
фольговые;
пленочные.
Материалы для тензорешеток должны удовлетворять следующим требованиям:
иметь высокое удельное сопротивление, позволяющее изготавливать малобазные тензорезисторы с достаточно большим сопротивлением;
обладать высокой и стабильной чувствительностью к деформации; изменения сопротивления, вызванные деформацией, должны подчиняться линейному закону в достаточно широком диапазоне;
быть нечувствительным к влиянию температуры, т.е. температурный коэффициент сопротивления должен быть близким к нулю;
термоЭДС в паре с медью должна быть как можно меньше, что очень важно при питании тензорезисторов постоянным током;
температурные коэффициенты линейного расширения материала проволоки и материала исследуемой детали, на которую наклеивается тензорезистор, должны быть равными или незначительно отличаться, в противном случае изменения температуры будут вызывать кажущуюся деформацию и, следовательно, создавать погрешности при измерениях;
не иметь гистерезиса; обладать технологичностью, позволяющей изготавливать фольгу микронных размеров;
иметь высокое отношение предела пропорциональности к модулю упругости;
сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов, должны хорошо противостоять окисляющему воздействию внешней среды
БАЗА l – длина чувствительного элемента решетки тензорезистора в мм. Выпускаются датчики с базой от 0,2 до 150 мм.
Номинальное сопротивление R – значение активного сопротивления чувствительного элемента (решетки) тензорезистора в Ом. Сопротивление тензорезисторов промышленного производства составляет 10...1000 Ом.
Рабочий ток питания Iр – допустимый ток в мА, при котором не происходит заметного нагрева тензорезистора, могущего повлиять на свойства тензочувствительного элемента (решетки), основы и клеевого соединения. Чем больше ток, проходящий через решетку тензорезистора, тем выше уровень электрических сигналов, в которые преобразуется измеряемая дефор- 18 мация. Поэтому с точки зрения увеличения чувствительности измерительной схемы желательно пропускать через тензорезистор как можно больший ток.
Предел измеряемой деформации εmax – наибольшее значение относительной деформации в мкм/м (или в процентах), в отношении которой завод-изготовитель гарантирует надежную работу тензорезисторов и строгую линейность их характеристики преобразования. Правильно наклеенный тензо- резистор обладает практически линейной характеристикой и обеспечивает достаточно высокую точность измерений, если деформация не превышает уровня ± 0,3%.
Нелинейность – под нелинейностью понимается максимальное от- клонение реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой ли- нии (рис. 4). Рис. 4. Характеристика циклического деформирования тензорезистора (масштаб условный)
Смещение нуля – отрицательный выходной сигнал датчика после снятия нагрузки.
Гистерезис представляет собой разность значений выходного сигнала тензорезистора при одних и тех же уровнях входного сигнала, полученных при нагружении и разгрузке объекта.