29

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПИП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 9

1.1 ПИП на основе теплового расширения вещества 9

1.2 Манометрические ПИП 10

1.3 Термоэлектрические ПИП 11

1.4 ПИП на основе p-n перехода 14

1.5 Пирометры 16

2 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПИП 17

2.1. Материалы и конструкции акустических ПИП 20

Для изготовления большинства акустических приборов и датчиков используются пьезоэлектрические материалы. Возбуждение и прием акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты в этих устройствах происходит с помощью прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта). 20

Акустический преобразователь может использоваться в качестве капсюля микрофона. 20

Конструкция преобразователя позволяет преобразовать отклонения пучка заряженных частиц, вызванные акустическими колебаниями, в электрические колебания величины зарядов, поступающих в единицу времени на выводы устройства, подключенные ко второму электроду. Это позволяет расширить частотный диапазон преобразователя в области низких частот до нуля Гц. 20

Первый электрод преобразователя при работе находится под высоким напряжением отрицательной полярности, а второй электрод имеет низкий 21

потенциал (в идеале нулевой), что обеспечивается низким (в идеале нулевым) сопротивлением между выводами второго электрода и землей. 21

Ионы образуются при стационарном газовом разряде, который возникает в газе, в области максимальной напряженности электрического поля - у поверхности первого электрода, обращенной ко второму электроду. Разряд, возникающий при высоком напряжении у поверхности электрода с малым радиусом кривизны, в данном случае у первого электрода (выполненного в виде витка из тонкой проволоки), называется коронным разрядом или короной. Электрод, у которого возникает коронный разряд, принято называть коронирующим электродом. Образованные при разряде электроны "прилипают" к нейтральным молекулам газа с образованием электроотрицателых ионов, которые движутся в электрическом поле ко второму электроду и, при соприкосновении с ним, отдают ему свой заряд. 21

Положение области сбора заряда ионов на втором электроде определяется как взаимным расположением электродов, так и траекторией движения ионов в электрическом поле между электродами. Если имеют место акустические колебания, распространяющиеся, в том числе, и в газе между электродами, в поперечном электрическому полю направлении, то на направленное движение частиц - ионов по полю накладывается их колебательное движение, как переносчиков (наравне с молекулами) этих акустических колебаний. Скорость направленного движения ионов по полю значительно превышает скорость звука. При этом траектория движения ионов периодически меняет направление с частотой акустических колебаний. 21

При изменении траектории движения ионов, область сбора заряда ионов на втором электроде также изменяет свое положение с частотой акустических колебаний. Величина смещения этой области от исходного положения увеличивается с ростом амплитуды акустических колебаний. 22

Электрическое сопротивление между областью сбора заряда и участком второго электрода, к которому подключен соответствующий вывод преобразователя, тем меньше, чем ближе область сбора заряда находится к 22

этому участку. Поэтому больший заряд за единичный интервал времени переместится в тот вывод преобразователя, чей участок подключения на втором электроде оказался ближайшим к области сбора заряда. В результате, изменение количества заряда, перемещаемого к указанным выводам преобразователя, (и отводимого от них в реальной схеме включения во внешнюю, по отношению к преобразователю, электрическую цепь) также происходит с частотой акустических колебаний. Изменение количества заряда, перемещаемого за единицу времени через соответствующий вывод капсюля, представляет собой выходной ток через этот вывод. Выходные сигналы преобразователя являются токовыми. Описанный преобразователь имеет линейную характеристику коэффициента преобразования. 22

Недостатком преобразователя является низкая чувствительность. 22

Чувствительность в данном случае определяется как отношение изменения амплитуды выходных токовых сигналов к изменению амплитуды гармонических акустических колебаний. Так как известный преобразователь имеет линейную характеристику коэффициента преобразования, его чувствительность равна отношению амплитуды выходных токовых сигналов к амплитуде гармонических акустических колебаний. 22

Чувствительность известного преобразователя, работа которого основана на использовании эффекта отклонения пучка заряженных частиц акустическими колебаниями среды, зависит (при постоянном расстоянии между электродами) только от величины тока пучка заряженных частиц, собираемых на втором электроде. Низкая чувствительность этого преобразователя обусловлена малой величиной тока пучка заряженных частиц, собираемых на втором электроде. Ток короны и пучка зависит от величины высокого напряжения на первом - коронирующем электроде. При увеличении напряжения растет ток пучка а, следовательно, растет и величина выходных сигналов и чувствительность преобразователя, но максимально допустимая величина высокого напряжения всегда ограничена напряжением электрического пробоя газа между электродами. 23

Задача настоящей полезной модели состоит в увеличении чувствительности акустического преобразователя. 23

Поставленная задача решается тем, что акустический преобразователь, содержащий два электрода, разделенные между собой газом и, по меньшей мере, три вывода, первый из которых подключен к первому электроду, а другие выводы подключены ко второму электроду, снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен в газе относительно второго электрода либо со стороны первого электрода, либо с противоположной стороны и подключен либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу. 23

Предлагаемые изменения конструкции, а именно - снабжение преобразователя, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен в газе относительно второго электрода либо со стороны первого электрода, либо с противоположной стороны и подключен либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу, позволяют увеличить суммарный ток заряженных частиц, собираемых на втором электроде без электрического пробоя газа между электродами. Чем больше суммарный ток заряженных частиц, тем больше токи, протекающие от области сбора заряда к тем выводам преобразователя, которые подключены к его второму электроду. Следовательно, при неизменной амплитуде акустических колебаний, увеличивается амплитуда колебаний токов через указанные выводы преобразователя, то есть увеличивается чувствительность акустического преобразователя. 24

3 ОПИСАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 29

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа посвящена измерительным преобразователям температуры, и более подробно мы остановимся на акустических ПИП.

Температура является одной из наиболее часто измеряемых и контролируемых физических величин. Ее измерение в общем случае заключается в передаче тепловой энергии от объекта к чувствительному элементу первичного измерительного преобразователя.

В настоящее время для измерения температуры используются различные ПИП: терморезистивные, термоэлектрические, оптические, полупроводниковые, акустические и др.

Способы измерения температур можно сперва разделить на контактные и бесконтактные.

Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего реализуется состояние теплового равновесия преобразователя и объекта.

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Бесконтактные датчики температуры используются в тех отраслях, где затруднён доступ к измеряемым деталям или при необходимости измерения высоких температур - от 1500 до 3000 °С. Но этот способ менее чувствителен, чем контактный. Основными датчиками такого типа являются пирометры.

Что касается именно акустических датчиков, то это звуковые, которые приборы вырабатывают сигнал тревоги при возникновении звуков. В них имеется наличие спектра акустических волн, характерных при механическом разрушении оконного стеклянного полотна.  В основном это приборы, работающие с поверхностными акустическими волнами и служащие в передатчиках полосными фильтрами как промежуточных частот, так и частот радиоволн. Кроме того, акустические датчики применяются в автомобильной индустрии (датчики крутящего момента и давления в шине), медицине (химические датчики) и многих других сферах (в качестве датчиков влажности, температуры и т.д.). Причины такого широкого использования этой технологии в промышленности – невысокая стоимость, надежность, чувствительность и выносливость приборов. Кроме того, некоторым из них не нужны источники питания.

Акустические датчики применяются для выявления сторонних шумов в помещении. После того, как сила звука превышает некий, специально определенный предел, датчик срабатывает и происходит включение сигнализации. С целью предотвращения ложных реакций от кратковременных колебаний, внутри датчика устанавливаются специальные фильтры. На рис.1 изображены несколько примеров внешнего исполнения акустических датчиков. [3]

Рис. 1. Примеры внешнего исполнения акустических датчиков движения

1 Обзор существующих пип для измерения температуры

Наибольшее распространение нашли следующие методы измерения температуры:

-     основанные на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел;

-      манометрические, основанные на изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры;

-      в которых используется изменение электрического сопротивления тел при изменении температуры;

-    использующие термоэлектрические явления;

-     основанные на использовании электромагнитного излучения нагретых тел.

Приборы для измерения температуры в соответствии с указанными ме­тодами можно разделить на термометры расширения, манометрические тер­моэлектрические и терморезисторные термометры и пирометры.

1.1 Пип на основе теплового расширения вещества

Рисунок 2 –Термометры расширения

а–жидкостный: 1–баллон, 2–жидкость. 3–капилляр, 4–запасной резервуар; б–дилатометрический: 1–патрон, 2–шток, 3–пружина; в–биметаллический.

Термометры расширения представлены жидкостным, дилатометрическим и биметаллическим приборами (Рис. 1). Жидкостной термометр (Рис. 1, а) состоит из стеклянного баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4. Термометрическая жидкость 2 (ртуть, спирт, ке­росин, толуол, галлий) заполняет баллон и часть капиллярной трубки. Сво­бодное пространство в капилляре и запасном резервуаре заполняется инерт­ным газом или из него выкачивается воздух. Об измеряемой температуре судят по величине расширения жидкости в капилляре. Диапазон измерения ртутными термометрами лежит в пределах от —30 до 600 °С.

Дилатометрический термометр (Рис. 1, б) состоит из па­трона 1, штока 2 и пружины 3. Патрон и шток изготовляются из материалов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения. Обычно шток изготовляют из инвара а патрон - из дюралюмина.

Биметаллические термометры (Рис. 1, в) также основаны на тепловом расширении твердых тел, состоящих из сваренных или спаянных пластин с разными коэффициентами расширения. При нагревании биметал­лических элементов происходит деформация, которая используется для при­ведения в действие указательной системы.

1.2 Манометрические пип

Рисунок 3 – Манометрический термометр

1–термобаллон, 2–жидкость. 3–пары, 4–капилляр, 5–манометрическая колба.

Действие манометрических термометров основано на изменении давления газа, пара или жидкости в замкнутом объеме при изменении температуры. Манометрический термометр (Рис.1) состоит из термобаллона 1, гибкого капилляра 4 и манометра 5.

В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры делятся на газовые, парожидкостные и жидкостные.

Термобаллон манометрического термометра помещают в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объема увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр (обычно латунная трубка внутренним диаметром, составляющим доли миллиметра) позволяет удалить манометр от места установки термобаллона. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты. Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами.

Наиболее уязвимыми в конструкции манометрических термометров являются места присоединения капилляра к термобаллону и манометру. Поэтому монтировать и обслуживать такие приборы следует осторожно.