Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики и сенсорная электроника. Учебно-методическое пособие
.pdf
41
12
350
7
13
3,5
220
490
13
400
3
14 2 220
480
14
450
3
16 4 220
470
15
500
4
17 4 220
460
16
300
4
17 5 220
450
17
350
6
16
3,5
220
440
18
400
6
14 3 220
430
19
450
4
13
2,5
220
420
20
500
6
11 2 220
410
3.6 Контрольные вопросы
1. Какие типы индуктивных датчиков существуют?
2. Объясните, реверсивен или нереверсивен одинарный индуктивный
датчик.
3. Объясните цепь преобразований в индуктивном датчике.
4. Как можно получить дифференциальный индуктивный датчик?
5. Укажите достоинства и недостатки одинарных индуктивных
датчиков.
6. Укажите достоинства и недостатки дифференциальных индуктивных
датчиков.
7. Укажите достоинства и недостатки плунжерных индуктивных
датчиков.
8. Укажите достоинства и недостатки трансформаторных датчиков.
9. Объясните принцип действия датчиков ВТ.
10. Какие материалы используют для изготовления обмоток и почему?
42
Лабораторно-практическая работа № 4
«Исследование термоэлектрических датчиков»
4.1 Цель работы
1. Ознакомиться с основными типами термоэлектрических датчиков и
принципом их действия.
2. Рассчитать термо-ЭДС термопары.
4.2 Теоретические сведения
Из всех физических величин, несомненно, наиболее часто измеряемой
является температура. Действительно, температура представляет собой очень
важную характеристику состояния вещества, которая отражает как
непрерывные изменения состояния вещества, так и скачкообразные. Поэтому в
науке, медицине и промышленности необходимы тщательный контроль и
точные измерения температур.
Оптические методы, основанные на изменении спектрального
распределения испускаемого излучения или уширения спектральных линий
вследствие эффекта Доплера, обусловленного тепловым движением молекул;
механические методы, основан на расширении твердого тела, жидкости или
газа при постоянном давлении, на изменении давления насыщенного пара или
скорости звука; электрические методы, основанные на зависимости от
температуры сопротивления или его собственного шума, на эффекте Зеебека
или на зависимости частоты колебаний кварцевого кристалла от температуры.
При использовании оптических и акустических методов наблюдения за
состоянием среды, где измеряется температура, не вносят в нее никаких
возмущений, но область их применения ограничена, и осуществление
измерений этими методами связано с определенными трудностями.
Электрические методы имеют широкую область применения и сравнительно
просто реализуются, но взаимное влияние датчика и исследуемой среды при
выполнении точных измерений часто ставит трудную задачу по определению
отличия измеряемой температуры.
Благодаря многообразию свойств веществ и физических явлений,
зависящих от температуры, было создано большое количество методов
измерений, которые приведены в таблице 4.1.
43
Таблица 4. 1 – Средства измерения температуры
Термометрическое свойство
Наименование устройства
Пределы длительного
применения,
0
С
Нижний
Верхний
Тепловое
расширение
Жидкостные стеклянные
термометры
-190
600
Изменение
давления
Манометрические термометры
-160
60
Изменение
электрического
сопротивления
Электрические термометры
сопротивления
-200
500
Полупроводниковые
термометры
сопротивления
-90
180
Термоэлектри-
ческие эффекты
Термоэлектрические
термометры
(термопары) стандартизованные
-50
1600
Термоэлектрические
термометры
(термопары) специальные
1300
2500
Тепловое
излучение
Оптические пирометры
700
6000
Радиационные пирометры
20
3000
Фотоэлектрические пирометры
600
4000
Цветовые пирометры
1400
2800
1) Термопара
Датчик включает в себя две проволоки из разных металлов, спаянных
между собой. Для отношения концов друг с другом в зоне постоянной
температуры в конструкцию добавляют удлиняющие провода из двух металлов.
Когда на концы проводов действуют разные температуры (например, при
помещении датчика в горячую воду), то в цепи появляется электрический ток.
Сила возникшего тока (от 40 до 60 мкВ) зависит от используемого материала
термопары, который влияет на термоэлектрическую силу прибора.
В практике можно встретить железоникелевые, хромоалюминиевые,
медно-константановые и так далее. В дешевых моделях используются
неблагородные металлы (аналогичных термоэлектродам) для удлиняющих
проводов, а в дорогих – благородные металлы, которые способы развивать
аналогичную термо-ЭДС, что и электроды (необходимо для уменьшения
стоимости высококлассным приборов).
Термопара относится к датчикам с высокой точностью. Проблемой
устройства является сложность получения замеренного значения. Термопара
действует по принципу относительности отличия температур между разъемами.
Горячий спай помещается в замеряемое вещество, а холодный остается
находиться в окружающей среде.
44
При необходимости использования термопары работа проводится
следующим образом. Температуру холодного спая необходимо
компенсировать, для чего вторую термопару помещают в среду с известным
показателем.
Если используется программный способ компенсации, второй датчик
помещается в изометрическую камеру, где находятся холодные спаи, что
позволяет контролировать температуру с высокой точностью. Самое сложное в
работе с одноконтактной термопарой – снять показатели.
В ГОСТе прописаны коэффициенты, необходимые для перевода ЭДС в
показатель температуры и наоборот. Подсчет также может вестись при помощи
контроллера.
Но получаемый от термопары показатель ЭДС измеряется в единицах и
сотнях микровольт. Поэтому использование аналоговых преобразователей не
будет успешным. Для сборки специальной конструкции, цель которой –
получение точных результатов, потребуются малошумящие аналоговые
преобразователи.
Рисунок 4.1 – Статические характеристики термопар
1 – хромель-алюмелевая;
2 – хромель-копелевой (металлические);
3 – карбидкремния-графитовой (полупроводниковой).
Основные варианты конструктивного исполнения термопар:
Неизолированная токопроволочная термопара с открытым
контактом применяется в диапазоне температур до 2300 °С. Малые размеры,
малая постоянная времени, возможность точечного измерения (не отводит
тепло от измеряемого объекта) позволяют применять данный тип термопар в
биофизике, медицине, а также для динамических измерений температур.
Термопары не подходят для использования в жидкостях и агрессивных средах.
Изолированная термопара с открытым контактом используется
до 500 °С. Для устранения ошибок необходимо ограничивать длину
45
проводников. Обладают малыми постоянными времени и используются для
измерения температур газов и поверхностей. Изолированная оболочка из
тефлона или стекла обеспечивает термическую и химическую стойкость.
Изолированная термопара на самоклеящейся основе пригодна для
измерений в диапазоне температур от -60 °С до +175 °С. Малая постоянная
времени, малая тепловая инерция, удобная самоклеящаяся основа обусловили
основное применение для измерения температуры поверхности. Легко
снимается и устанавливается.
Изолированная термопара в керамической оболочке обладает
гибкой конструкцией, стойкостью к истиранию, возможностью работы при
высоких температурах до 1100 °С. Используются в термопечах,
термоустановках, станкостроении.
Термопары в керамическом корпусе с встроенными клеммами
используются для установки в гильзу до 1150 °С. Высокая коррозионная
стойкость в промышленных условиях, возможность установки в гильзу
позволяют проводить измерения в тяжелых промышленных условиях и
использовать с гильзами различных типов.
На практике для устранения имеющихся погрешностей используют
автоматическое введение поправки на температуру свободных концов. Под
этим подразумевают введение моста с плечами в виде медного и манганинового
терморезисторов.
2) Терморезисторы
Терморезисторы делятся по типу зависимости сопротивления от
температуры. Они могут быть отрицательными (NTC) или положительными
(PTC).
Измерения легче проводить при помощи терморезисторов. Принцип
работы построен на сопротивлении материалов внешней температуре. Высокая
точность присуща для приборов, изготовленных из платины. На работу
терморезисторов влияют две характеристики.
Первая – базовое сопротивление, второе – температура, при которой оно
определяется. ГОСТ устанавливает, что определение должно проходить при 0
градусов по Цельсию. В нормативном документе указывается, что
рекомендуется использовать несколько номиналов сопротивлений,
определяемых в Омах, а также температуры, что позволит сопоставить
результаты при 0°С и другом показателе.
Температурный коэффициент будет изменяться в зависимости от
используемого материала для термометров, что отражено в ГОСТе. В
нормативном документе также указываются коэффициенты полинома,
необходимые для расчета в зависимости от текущего сопротивления.
Термометры сопротивления обладают одним минусом – низкий
температурный коэффициент сопротивления. Несмотря на этот нюанс,
использование терморезисторов проще по сравнению с принципом работы
термопары.
46
Способы измерения будут зависеть от комплектации модели. Базовые
терморезисторы необходимо включать в цепь с источником тока и
контролируемого дифференциального напряжения. Чтобы корректно
определить доли единицы процента получаемых от температурного
коэффициента проводников, лучше использовать аналого-цифровые
преобразователи.
Если в датчик уже встроен аналоговый выход, соответствующий
питаемому напряжению, то для оцифровывания можно напрямую подключать
терморезистор к преобразователю.
а) Металлические термометры сопротивления (TС) широко применяют
для измерения температуры в интервале от минус 260 до плюс 750°С, в
отдельных случаях – до 1100°С.
Принцип действия ТС основан на свойстве металлов изменять свое
электрическое сопротивление с изменением температуры. Электрическое
сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с
возрастающим рассеянием электронов проводимости на неоднородностях
кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний
ионов около своих положений равновесия.
В качестве материалов для изготовления ТС используют только чистые
металлы, в основном платину и медь, поскольку другие металлы и сплавы
обладают меньшим значением температурного коэффициента сопротивления и
недостаточной воспроизводимостью термометрических свойств.
Этим требованиям в широком интервале температур удовлетворяет
платина, при невысоком верхнем пределе измеряемой температуры – медь.
Платиновые термометры обозначают ТСП, медные – ТСМ.
Зависимость сопротивления платинового термометра R
Т
от
температуры Т подчиняется следующим закономерностям (рис. 4.2, кривая 1):
Рисунок 4.2 – Статические характеристики термометров
сопротивления: 1 – платинового (ТСП); 2 – медного (ТСМ); 3 – термистора
К недостаткам ТСП следует отнести отклонение от линейного закона их
градуировочных характеристик (1), см. рис. 4.2. Однако устойчивость чистой
47
платины в окислительной контролируемой среде и длительное время
сохранения своих градуировочных данных в достаточной степени
компенсируют указанный недостаток и позволяет считать ТСП наиболее
точным из числа первичных преобразователей, предназначенных для
измерения температуры в той же области.
К достоинствам ТСМ следует отнести дешевизну, простоту получения
тонкой проволоки в различной изоляции, возможность получения
проводниковой меди высокой чистоты и линейный характер градуировочной
зависимости (2).
Зависимость электрического сопротивления медного термометра Rt от
температуры Т в интервале от -50 до 180°С описывается линейным
уравнением (рис. 4.2, прямая 2).
Rt = Ro(1+
м
T), (4.1)
где
м
=2,2610
-3
С
-1
– температурный коэффициент электрического
сопротивления;
Rо – сопротивление термометра при Т = 0°С, Ом, зависящее от
обозначения градуировки термометра; А = 3.96847•10-3°С
-1
.
К числу недостатков ТСМ относятся малое удельное сопротивление меди
( =1,710-8 ОмМ) и интенсивная окисляемость ее при невысоких
температурах.
Чувствительность ТС характеризуется температурным коэффициентом
сопротивления.
Платиновые ТС в зависимости от назначения разделяются на эталонные,
образцовые, лабораторные (повышенной точности) и технические. Медные ТС
– только технические.
Технические ТСП изготавливаются с номинальными значениями
сопротивления при 0°С (R
o
), равными 10; 50, 100 Ом, которым присвоено
обозначение градуировки соответственно 10П, 50П и 100П (устаревшее
обозначение гр.20, гр.21 и гр.22). Предназначаются для измерения
температуры от минус 200 до плюс 650°С.
ТСП с гр.10П (Ro =10 Ом) целесообразно применять для измерения
температуры выше 200°С, для низких температур (ниже 0°С) – ТСП с гр. 50П
(Ro =50 Ом) или гр. 100П (Ro =100 Ом).
Для медных ТС величины R0 установлены также равными 10, 50 и 100
Ом, которым присвоено обозначение градуировки соответственно 10М, 50М и
100М (устаревшее обозначение гр.50М и 100М – гр.23 и гр.24). Применяются
ТСМ для измерения температуры от -50 до 200°С.
К числу достоинств ТС следует отнести: высокую степень точности
измерения температуры; возможность выпуска измерительных приборов к ним
со стандартной градуировкой шкалы; возможность централизованного
контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых
термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному
48
прибору; возможность использования их с информационно-вычислительными
машинами.
Основными недостатками ТС являются: большие размеры, не
позволяющие использовать их для измерения температуры в малых объемах,
значительная инерционность (постоянная времени до нескольких минут),
необходимость в постороннем источнике и учете сопротивления подводящих
проводов.
б) Полупроводниковые термометры сопротивления (ПТС) – в отличие
от металлов в полупроводниках наблюдается иная картина – число электронов
проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому
электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко
(обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. При
этом температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС)
полупроводников на порядок выше, чем у чистых металлов. ПТС с
отрицательным ТКС называют термисторами, а с положительным –
позисторами.
Для изготовления чувствительных элементов термисторов, используемых
для измерения температуры от минус 100 до плюс 300°С, применяют смеси
различных полупроводниковых веществ. Форма и виды изготавливаемых
термисторов разнообразны. Наиболее распространёнными видами их
являются цилиндрические, шайбовые и бусинковые. Особенности
конструкции различных термисторов представлены на лабораторном стенде и
учебных плакатах.
Промышленностью выпускаются несколько десятков терморезисторов с
разнообразными электрическими параметрами, например: медно-марганцевые
типа МMT; кобальто-марганцевые типа КМТ и ряд других, сопротивлением от
1 Ом до 1 МОм (при 20°С) с отклонением от номинала не более 20% .
Зависимость сопротивления термисторов от температуры в рабочем
интервале определяется выражением (см. рис. 4.2, кривая 3).
Коэффициент Д отрицателен, зависит от температуры и по величине в
10...I5 раз выше, чем у металлических термометров сопротивления.
ПТС малоинерционны, их чувствительность в 5...30 раз выше, чем у ТС;
номинальное сопротивление составляет единицы и сотни килоОм, что
позволяет при измерении температуры не учитывать сопротивления
подводящих проводов, – все это способствует широкому применению ПТС в
автоматике, электротехнике, термометрии.
К недостаткам ПТС следует отнести: отсутствие взаимозаменяемости,
большой разброс номинальных значений сопротивлений и ТКС даже для ПТС
одного и того же типа, нелинейный характер зависимости
электросопротивления от температуры, малая допускаемая мощность рассеяния
(0,015...1,0 Вт) при прохождении измерительного тока, необходимость
индивидуальной градуировки – экспериментального определения статической
характеристики.
49
3) Комбинированные
Комбинированные датчики включают в себя несколько полупроводников,
объединенных в единое устройство. Датчики могут иметь встроенный
цифровой интерфейс, а не только интегральные схемы с выходом. Часто
используется комбинированный датчик благодаря возможности подключения
параллельных устройств. Погрешность при расчете температуры равна 2 °С, а
при определении влажности – 5%. Проблема в таком датчике одна –
оптимизация интерфейса [2].
4) Цифровые
В цифровых датчиках устанавливается трехвыводная микросхема.
Показатели считываются с нескольких параллельно работающих датчиков, что
позволяет получить показания с точностью 0,5 °С. Работа электронного
термометра возможна от -55 до +125 °С. Единственным минусом устройства
является скорость получения результатов – 750 секунд для получения
максимально точного показателя. Определение точности прибора
осуществляется при помощи соответствующих регулировок, которые
необходимы для уменьшения количества затрачиваемого времени на получение
результата. Опрос датчика не имеет смысла, так как корпус является
инерционным.
5) Бесконтактные
Работа датчика основана на нагревании тонкой пленки, что
осуществляется благодаря воздействию инфракрасных лучей. Встретить
подобную технологию можно в пирометрических устройствах. В отличие от
контактного, получить данные можно на расстоянии.
6) Кварцевые преобразователи
Если диапазон изменяемых температур превышает стандартные значения
и достигает отметки от -80 до +250°С, то используются кварцевые
преобразователи. Такие устройства работают на принципе взаимодействия
кварца и температуры, отражаемого частотной зависимостью. Преобразователь
имеет несколько функций, которые меняются в зависимости от расположения
среза по осям кристалла.
Кварцевые датчики отличаются высокой точностью, стабильностью и
разрешением. Являются более перспективными способами измерения
температуры. Часто можно встретить в цифровых термометрах.
7) Шумовые
Шумовой датчик служит для получения показателей по принципу
разности потенциалов на резисторе, которые меняются в зависимости от
температуры. На практике подобный способ измерения имеет условие – одна из
температур должна быть известна, а вторая – измеряемая. Два полученных
шума от различных температур сравнивают и находят искомое значение.
Работа датчика возможна от -270 до +1100 °С. Из преимуществ
отмечается возможность измерения температур в термодинамике. Но минусом
является сложность реализации такого способа измерения напряжения шумом
50
из-за наличия различий с шумом усилителя.
8) Ядерного квадрупольного резонанса
Принцип работы биметаллического термометра основывается на действии
градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, вызванного
отклонением заряда от симметрии сферы. При помощи такого процесса
создается процессия ядер. Частота напрямую зависит от градиента поля
решетки. В зависимости от вещества, величина показателя может подниматься
до нескольких тысяч МГц. Чем выше температура, тем меньше частота ЯКР.
ЯКР образует ампулу с веществом, которая помещается в обмотку
индуктивности для дальнейшего соединения с контуром генератора. Если
частота генератора и частота ЯКР совпадают, то исходящая от генератора
энергия поглощается. При измерении вещества с температурой -263°С
погрешность составляет 0,02 градуса, а при температуре 27°С погрешность
равна 0,002 градуса. Из преимуществ датчика выделяют неизменную
стабильность. Минусом является значительная нелинейность преобразующей
функции.
9) Объемные преобразователи
Принцип работы иного рода биметаллического термометра построен на
свойстве веществ расширяться и сжиматься в зависимости от действующей
температуры. Диапазон действия преобразователя определяется в зависимости
от стабильности материала. Датчик может использоваться при температурах от
-60 до +400°С. Погрешность составит от 1 до 5%.
При определении температуры датчиками на жидкости погрешность
падает до 1–3% в зависимости от температурной среды. Температура закипания
и замерзания жидкости также будет влиять на интервал работы датчика.
Если датчик измеряет преобразователи на газе, то граница измерения
зависит от точки перехода газа в жидкое состояние и стойкостью баллона в
воздействующей температуре.
10) Канальный
Все цифровые термометры относятся к канальным, так как для передачи
сигналов они используют каналы. В зависимости от количества таких
“магистралей” определяется канальность устройства. Так, термометр Testo 925
относится к 1-канальным, в основе работы лежит термопара, как и у
термометра Testo 735-2 – 3-канального. А Testo 810 – 2-канальный прибор с
инфракрасным термометром.
4.3 Практическая часть
В данной работе необходимо произвести расчет термо-ЭДС термопары.
В замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных
проводников А и В, в соответствии с рис. 4.3 [8], образующих термопару,
одновременно действуют факторы, вызывающие появление в спаях 1 и 2 и
между концами каждого однородного термоэлектрода А и В термо-ЭДС в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]