книги / Элементы автоматики и счетно-решающие устройства
..pdfНа рис. 1.5 для полупроводника из смеси окислов марганца и никеля (Mn30 4 + N i0) показаны зависимости RT/ROпри Г0 = 273°К и ат в функции от Т (рис. 1.5, а), а также вольт-амперная харак
теристика (рис. 1.5,6). Такой термистор может реагировать на изменение температуры порядка 0,0005° К.
Вольт-амперная характеристика должна строиться при опреде ленной температуре Гср окружающей среды. При увеличении этой температуры (пунктирная кривая) при том же значении тока соб-
Рис. 1.5. Типовые характеристики термистора
ственная температура термистора будет больше (т. е. сопротивле ние меньше) и вольт-амперная характеристика расположится ниже.
Вид вольт-амперной характеристики определяется тем, что» термистор сам нагревается проходящим через него током по срав нению с температурой Гср среды. Соответствующие температуры (Т—Гср) указаны в отдельных точках на вольт-амперной харак
теристике. Пока ток мал, влияние собственного нагрева незначи тельно и сопротивление термистора практически не зависит от тока (участок 0 — а характеристики). В этом режиме термистор обычна
используется для измерения температуры окружающей среды. При дальнейшем увеличении тока разогрев термистора приводит к уменьшению его сопротивления и характеристика приобретает «падающий» участок. В этом режиме термистор может использо ваться как термореле, ограничитель тока, стабилизатор напряже
ния и т. п.
При измерении температуры основными преимуществами тер мисторов по сравнению с металлическими термометрами сопротив
ления являются большая величина ат и высокое удельное электри
ческое сопротивление. Благодаря высокому удельному сопротивле нию такой термометр можно сделать очень маленьким, что также позволяет значительно уменьшить его постоянную времени т.
Для измерения малых отклонений температуры от начального значения Т0 можно, разлагая (1. 15) в ряд Тейлора, получить при
ближенную формулу сопротивления термистора, аналогичную фор муле (1.5):
|
|
|
^ = ^ о[ 1- ^ - (7’--7 ’о)] = /? о[1+ с!о(7’- Г 0),> |
(1.17) |
|||||
где |
а0= |
— — —температурный коэффициент |
сопротивления тер- |
||||||
|
|
|
Т2 |
мистора при начальной температуре. |
|
||||
|
В табл. |
1. 1 приведены основные параметры некоторых отечест |
|||||||
венных |
термисторов. |
|
|
Таблица 1.1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Основные данные некоторых термисторов |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Допусти |
Рабочей |
|
|
|
|
|
До |
а0 |
|
мая |
|
||
Тип |
|
X |
мощ |
диапазон |
Величина В |
||||
при 293° К |
при 293 °К |
ность |
температу |
||||||
|
|
|
ком |
96 /град |
сек |
рассея |
ры |
°К-1000 |
|
|
|
|
|
|
|
ния |
°К |
|
|
|
|
|
|
|
|
мет |
|
|
|
Т8* |
1 |
0,12—0,20 |
—3,0 |
1—5 |
5—30 |
200—390 |
2,4—2,7 |
||
T9* |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
ММТ-11 |
|
1—200 |
—2,4ч-—3,4 |
85—115 |
400 |
200—390 |
2,06—2,92 |
||
MMT-4J |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
КМТ-1 ) |
20—1000 |
—4,5ч— 6 |
85-115 |
800—900 |
200—450 |
3 .8 6 - 5,15 |
|||
КМТ-4 } |
|||||||||
|
|
|
|
200 |
200—390 |
|
|||
КМТ-10 |
100—3000 |
—4,5 ч— 6 |
1—5 |
3.86—5,15 |
* Чувствительность этих термисторов равна 10—90 ом/мвт.
Для любой точки вольт-амперной характеристики (рис. 1.5,6) можно определить сопротивление термистора «ак отношение U/I и рассеиваемую в термисторе мощность VI.
Чувствительность ST = AR/AT термистора при измерении темпе
ратуры определяется для начальной точки из приближенной фор мулы (1.17):
ST0= R 0a0 [о.фрад], |
(1. 18) |
а при использовании подогрева термистора — как отношение изме нения сопротивления к изменению подводимой мощности, вызвав шему это изменение:
ST/= д^ у)- [ом!мет]. |
(1. 19) |
1.1.4. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы)
Количество свободных электронов в полупроводниках увеличи вается под действием падающей на них лучистой энергии. Увели чение вследствие этого электропроводности при постоянстве тем пературы называется внутренним фотоэффектом.
Достоинствами фотодатчиков являются их простота, малые га бариты, высокая чувствительность, отсутствие механической связи с измеряемым процессом и малая инерционность. Основным недо статком является малая величина фототока, вследствие чего необ ходимо либо его усиление, либо применение высокочувствительных измерительных устройств.
Важнейшие три характеристики фотоэлементов:
—световая характеристика /ф = /(Ф ), т. е. зависимость фото тока от величины светового потока Ф в люменах при постоянном
напряжении, приложенном к фотоэлементу;
—вольт-амперная характеристика Aj>=f(fAj>), т. е. зависимость
фототока от величины приложенного к фотоэлементу напряжения £/ф при Ф = const;
— интегральная чувствительность |
о |
ф |
(или |
f |
6 ф = |
------ |
#ф = / ф/Ф |
||
при прямолинейности световой характеристики), |
т. е. |
отношение |
величины изменения фототока к изменению светового потока при постоянном напряжении, приложенном к фотоэлементу. Для сравне ния различных фотоэлементов их интегральную чувствительность условились измерять, используя в качестве источника света лампу, имеющую вольфрамовую нить, накаленную до температуры 2840° К, г. е. при всегда одинаковых цветовом спектре и температуре ис точника излучения.
Следует учитывать, что чувствительность SR фотоэлементов,
работающих на сопротивление нагрузки /?н, меньше, чем инте гральная чувствительность 5 Ф (рис. 1.6,а). Действительно, одина
ковое изменение ДФ светового потока в обоих случаях вызовет одинаковое изменение Д/?ф сопротивления Дф фотоэлемента. Соот
ветствующее изменение Д/ф тока в цепи без |
сопротивления на |
||
грузки при Д/?ф < Дф будет |
|
|
|
д у. _ |
U________ U _ |
^ А /?Ф |
А/?Ф |
ф~ |
Яф —ДЛф Лф— Лф(Яф—ДЯф) |
Яф ’ |
а в цепи с сопротивлением Ra нагрузки
и |
U |
U ,ф Яф—ДЯф + R„ |
Лф + Л» |
U Д Я Ф |
Д Я Ф |
(Я ф — Д /?ф ■+■ R«)(Л ф + /? „ ) |
■.и- |
(Лф 4- Лн)2 |
и чувствительность фотоэлемента в схеме с нагрузкой (динамиче скал чувствительность).
( 1. 20)
а величина фототока
/ Ф= 5*Ф |
( 1. 21) |
Так как внутреннее сопротивление фотоэлементов обычно до статочно велико, то влияние сопротивления нагрузки сказывается только при относительно больших значениях Ra.
^ ч ф
Рис. 1.6. Схема включения (а) и конструкция (б) фото резистора
Ф о т о р е з и с т о р ы |
(рис. 1.6,6) обычно |
изготовляют |
путем |
нанесения тонкого слоя |
1 полупроводникового |
материала |
(серни |
стый свинец, сернистый висмут, сернистый кадмий и т. п.) на ре шетки 2 и 3 из тонких проводников. При изменении освещенности Е такого фотоэлемента изменяется его сопротивление R$, а значит,
и величина тока /ф в электрической цепи. Величина фототока за висит от приложенного напряжения 11ф, которое для фотосопро-
гивлений может меняться в широких пределах. В связи с этим фо-
тосопротивления часто характеризуют удельной (на 1 в) инте
гральной чувствительностью:
5 ф ° = - ^ [MKaje-лм]. |
(1.22) |
Вольт-амперные характеристики большинства фотосопротивле ний практически линейны, т. е. их интегральная чувствительность пропорциональна напряжению 5ф = 5ф0/7ф.
Достоинствами фоторезисторов являются малые габариты, вы сокая чувствительность и возможность измерения слабого тепло-
Рис. 1.7. Вольт-амперная (а) и световая (б) характеристики сернисто-кадмиевого фоторезистора ФСД
вого излучения (инфракрасный спектр). К числу недостатков сле дует отнести нелинейность световых характеристик, инерционность, температурную погрешность и наличие «темнового» тока при от сутствии освещенности.
На рис. 1.7 показаны вольт-амперная и световая характеристи ки сернисто-кадмиевого фотосопротивления, снятые при освещен ности £ = 2 0 0 лк и напряжении на фотоэлементе {Уф = 300 в. Как
видно из световой характеристики, при £ = 0 имеется темновой ток /т, обусловленный конечной величиной темнового сопротивления RT. При точных расчетах величину
необходимо добавлять к фототоку / ф.
В табл. 1.2 приведены основные параметры некоторых типов отечественных фоторезисторов, снимавшиеся при освещенности £ = 200 лк.
|
Основные данные ф оторезисторов |
|
||||
Тип фоторезистора |
Рабочая |
/?т |
Uф шах |
5фо |
||
площадь 5 |
||||||
|
|
мм2 |
Мом |
в |
ма/в - лм |
|
ФСА |
(сернисто-свинцо |
30—125 |
0,01—0,5 |
15—60 |
0,5 |
|
вое) |
|
|
|
|
|
|
ФСД (селенисто-кадмие |
28 |
2 |
300 |
30,0 |
||
вое) |
|
|
|
|
|
|
ФСК |
(сернисто-кадмие |
1—200 |
0,05—10 |
100—400 |
2,5—6,0 |
|
вое) |
|
|
|
|
|
|
vv/ |
|
|
|
|
|
|
Пленочные: |
|
|
зо о |
|
||
ФСК-П |
12 |
100—10000 |
6,0 |
|||
СФ |
|
1—72 |
2—30 |
20—50 |
6,0—30,0 |
|
|
|
■ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение |
||
|
|
*^ф шах |
ат* |
|
X |
|
Тип фоторезистора |
При Цф т ах |
|
||||
%/град |
мсек |
|||||
|
|
ма/лм |
||||
|
|
|
|
|
||
ФСА |
(сернисто-свинцо |
7,5—30 |
- 1 ,5 |
|
0,04 |
|
вое) |
|
|
|
|
|
|
ФСД (селенисто-кадмие |
9000 |
- 1 ,5 |
|
3—10 |
||
вое) |
|
|
|
|
|
|
ФСК |
(сернисто-кадмие |
350—2400 |
—0,12-т-0,2 |
20—30 |
||
вое) |
|
|
|
|
|
|
Пленочные: |
|
|
|
|
||
ФСК-П |
1800 |
—0,2 |
|
40 |
||
СФ |
|
120—1500 |
20,3—0,7 |
20—60 |
* ат— средний температурный коэффициент фототока в "диапазоне от 273 до 313° К.
Пример 1.2. Для фоторезистора типа ФСД подсчитать фототок в точке N
(рис. 1.7) |
при |
£=200 лк и Uф=300 в. |
Ре ше |
ние . |
По табл. 1.2 находим 5=28 мм2 и 5 ф=5 фо^Ф=30 • 300= |
= 9000 ма/лм. Световой поток, падающий на фотосопротивление Ф=£[л/с] 5[л(2]= =200 • 28 • 10—6= 5,6 • 10_3 лм. Следовательно, фототок
/ф = 5фФ = 9000-5,6-Ю-з ~5о ма.
1.1.5. Индуктивные датчики
Индуктивные датчики, основанные на изменении индуктивного сопротивления катушки со сталью при перемещении стального яко ря, получили широкое распространение во всех областях техники
для измерения малых угловых и линейных механических переме щений, а также для управления следящими устройствами. Их су щественные достоинства: а) простота, надежность и отсутствие скользящих контактов; б) относительно большая величина отда ваемой электрической мощности; в) возможность работы на пере менном токе промышленной частоты.
Основным недостатком индуктивных датчиков является сильная зависимость их от частоты источника напряжения питания.
Рис. 1.8. Индуктивный датчик
Индуктивность катушки с числом витков w простейшего индук
тивного датчика (рис. 1.8, а) равна
|
|
L= |
ЗД/Ф |
|
(1. 23) |
|
|
|
~т~ [г«], |
|
|||
где Ф — магнитный поток в |
вб; |
|
|
|||
I — ток катушки |
в |
а. |
|
|
a SM— площадь се |
|
Если б — величина |
воздушного зазора [ж], |
|||||
чения магнитопровода [ж2], то магнитный поток |
|
|||||
Ф = |
Iw |
|
0,4я/до |
|
(1.24) |
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|
Яст“Ь |
|
|
|
|
|
|
SMUO |
|
в гн/м; |
где р0= 4 я -1 0 -7— магнитная проницаемость воздуха |
||||||
R u— магнитное |
сопротивление |
цепи, |
складываю |
|||
щееся из сопротивления стального магнито |
||||||
провода RCT и сопротивления двух воздушных |
||||||
зазоров, |
равного 26/SMpo |
(в данном случае |
5 в « 5 м ) .
Подставляя (1.24) в (1.23), найдем
L= -
25
R CT 4 “ '
$м(Ч)
I |
и |
и |
|
и |
|
(1.25) |
Z |
/Л 2+Т о>/.)2 |
/----------- |
•да2 |
т 2 |
||
|
|
/ |
/?2 + 0)2 |
|
|
|
|
|
У |
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|
|
^?ст + ‘
•^м^'О-
т. е. при неизменных конструктивных параметрах датчика ток за висит от величины воздушного зазора 6, частоты напряжения пи тания со и активного сопротивления обмотки. Характеристика дат чика, т. е. зависимость величины тока / от величины воздушного зазора, показана на рис. 1.8,6.
В типовых конструкциях индуктивных датчиков /?CT<C26/SM^O и активное сопротивление обмотки значительно меньше, чем ее индуктивное сопротивление. Если пренебречь величинами R cт и R,
то получим упрощенную формулу, применяющуюся при простей ших расчетах:
6М06 |
|
0,2л;аш25м(А8 = АД |
(1.26) |
где ki = I!6 — коэффициент передачи датчика |
по току. |
Для учета уменьшения рабочего магнитного потока вследствие явления рассеяния можно пользоваться в формулах (1. 25) и (1. 26) поправочным множителем порядка 0,7—0,8.
Реальная характеристика индуктивного датчика отличается от идеальной, построенной по формуле (1.26) и показанной на рис. 1.8,6 пунктиром, наличием некоторой нелинейности за счет остаточного тока при нулевом воздушном зазоре (ЯмфО) и стрем ления тока к установившемуся значению Iy=U/R при больших
зазорах, когда активное сопротивление становится сравнимым с ин дуктивным (ДфО).
Индуктивные датчики применяются только на относительно низ ких частотах (до 3000—5000 гц), так как на высоких частотах
резко растут потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки. Для каждого типа датчика существует ка кая-то наивыгоднейшая частота, при которой соотношение между активными и реактивными сопротивлениями в схеме будет опти мальным. Для большинства конструкций эта частота лежит в диа пазоне 100— 1000 гц.
Существенными недостатками индуктивного датчика, показан ного на рис. 1—8, являются следующие:
— для измерения перемещения якоря в обоих направлениях необходим начальный воздушный зазор 6о, т. е. и начальный ток /о в нагрузке. Это создает неудобства при измерении и значитель ные погрешности от колебаний температуры и питающего напря жения;
— наличие электромеханического усилия притяжения якоря, за висящего от величины воздушного зазора.
От этих недостатков ® значительной степени свободен диффе ренциальный индуктивный датчик, обладающий к тому же вдвое большей чувствительностью. Схема такого датчика, получившего наибольшее распространение, показана на рис. 1.9, а. Применение
Рис. 1.9. Дифференциальный индуктивный датчик
Ш-образного стального сердечника обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика. Для среднего положе ния якоря такого датчика ток в нагрузке /п р = 0 . При этом погреш
ности от колебаний температуры и напряжения питания относятся только к изменениям тока в нагрузке, т. е. имеют значительно меньшую вели чину. Электромеханические усилия, действующие на якорь от двух кату шек, в значительной степени взаимно компенсируются во всем рабочем диа пазоне измеряемых перемещений.
Идеальная (пунктирные линии) и реальная характеристики дифференци ального датчика приведены на рис. 1.9, б. При применении фазочувстви тельных выпрямительных схем диффе ренциальный датчик может показы вать и направление перемещения яко ря от нулевого (среднего) положения.
Схема т р а н с ф о р м а т о р н о г о индуктивного датчика (рис. 1. 10), при меняющегося в гироскопических устг
ройствах, состоит из якоря 1, сердечника 2, обмоток I и II, фазо чувствительной выпрямительной схемы 3, трансформатора 4 и маг нитоэлектрического прибора 5 или другого измерительного устрой ства. При нейтральном положении якоря 1 магнитные потоки,
создаваемые намотанными в противоположном направлении об-
мотками I, не создают разностного магнитного потока в измери тельной обмотке II, т. е. э. д. с. в ней не наводится. При смещении
якоря от нейтрального положения магнитное сопротивление для потока, создаваемого одной из обмоток I, увеличивается, а для по
тока, создаваемого другой обмоткой / а, уменьшается. В результате в сердечнике создается разностный переменный магнитный поток и в обмотке II появляется переменная э. д. с. е. Амплитуда этой
переменной э. д. с. пропорциональна смещению якоря от нейтраль ного положения, а фаза определяется направлением этого смеще ния. Если подать э. д. с. на вход мостовой фазочувствительной вы прямительной схемы 3, то магнитоэлектрический прибор 5 на ее вы
ходе будет показывать величину и направление смещения якоря 7. Особенность трансформаторного датчика заключается в воз можности больших перемещений якоря и отсутствии электрической связи между измерительной цепью и цепью электрического пита ния. Между ними существует только магнитная связь, что во мно
гих случаях является преимуществом.
1.2.ДАТЧИКИ Э. Д. С.
1.2.1. Термопары
Термоэлектрический метод получил широкое применение для точного измерения и регулирования высоких (370—2000° К) тем ператур. Преимуществами метода являются малая инерционность, простота и очень малые габариты дат z чиков, называемых обычно термопа
рами.
Принцип действия термопары осно ван на явлении термоэлектрического эффекта, открытом в 1756 г. русским академиком Ф. У. Эпинусом. Это явле ние заключается в том, что если соеди нить концами два разнородных по ма териалу проводника 1 и 2 (рис. 1. И, а)
|
и поместить места соединений в среды |
|
Рис. 1.11. Термоэлектриче |
с разными |
температурами ^ и Г2, то |
в полученной таким образом электри |
||
ская цепь |
ческой цепи |
появится электрический |
ток ввиду наличия термо-э. д. с. Е. Эта
термо-э. д. с. пропорциональна по ве личине разности Т 1— Т2 температур двух концов электрической це
пи и зависит от материалов обоих проводников.
Любая термопара характеризуется следующими основными свойствами:
1) абсолютная величина термо-э. д. с. не зависит от распреде ления температур вдоль однородных проводников (рис. 1.11,6). Это означает, что величина термо-э. д. с. не изменится, если, на