Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики и сенсорная электроника. Учебно-методическое пособие
.pdf
51
зависимости от температур спаев t и t0 и материала проводников, что
определяется в соответствии с формулой
(4.2)
где –
ЭДС электрода А в паре с проводником, мВ;
–
ЭДС электрода B в паре с проводником, мВ;
–
ЭДС термопары АВ.
Рисунок 4.3 – Термоэлектрическая цепь (а); схемы измерения термо-
ЭДС термопары – без термоэлектродных проводов (б); и с термоэлектродными
проводами (в): А и В – электроды термопары; А1 и В1 – термоэлектродные
(удлиняющие провода); Т
1
– температура мест соединений электродов
термометра с термоэлектродными проводами (в); mV – милливольтметр
Рассмотрим характеристики наиболее часто используемых термопар.
Платинородий-платиновая термопара (ПП). Имеются две разновидности
термопар такого типа. В первом случае положительный электрод состоит из
сплава 90% платины и 10% родия, отрицательный – из платины. Во втором
случае положительный электрод из сплава 87% платины и 13% родия, а
отрицательный тот же. Т.ЭДС, развиваемая при 1000°С первой термопарой –
9,57 мB, для второй – 10,47 мB.
Термопары работают в интервале температур 200–1600 ºС. Применяются
для определения международной температурной шкалы, для высокоточных
измерений температуры в интервале 400–1500 ºС и в тех случаях, когда нельзя
применить термопары с более низкой температурой плавления [8].
Существенным недостатком такой термопары является нелинейная
зависимость Т. ЭДС от температуры (100 °С соответствует лишь 0,64 мB),
взаимодействие платины с углеродом, сероводородом, металлами, особенно в
восстановительной среде.
Хромель-алюмелевая термопара (ХА). ХА – термопара относится к числу
наиболее употребительных термопар. По сравнению с другими термопарами из
52
неблагородных металлов она обладает большей стойкостью к окислению и
пригодна для измерения температур от 150 до 1100°С. Чувствительность
термопары составляет 4 мкВ на градус. Т.ЭДС изменяется по линейному закону
в координатах температуры – ЭДС. Роль положительного электрода в такой
термопаре выполняет проволока из сплава хромель: 89,0 % Cr, 9,8 % Ni, 1,0 %
Fe и 0,2 % Mn, а отрицательного – из сплава алюмель: 94 % Ni, 0,5 % Fe, 2,0 %
А1, 2,5 % Mn, 1,0 % Si.
Хромель-копелевая термопара (ХК). Положительный электрод выполнен
из хромеля, отрицательный – из сплава копель: 43-44% Ni и 56-57% Cu.
Хромель-копелевая термопара позволяет измерять температуру длительно до
600°С и кратковременно до 800°С. Она успешно работает как в относительной,
так и в восстановительной среде, а также в вакууме. Т.ЭДС такой термопары
весьма велика и составляет 67 мB при 800°С.
Железо-копелевая термопара (ЖК). Положительный электрод – чистое
железо, отрицательный – сплав копель. Пределы измерения те же, что и у
хромель-копелевой термопары, условия работы аналогичны. Т.ЭДС такой
термопары меньше, чем у ХК, и составляет 30,9 мB при 500°С. Существенным
недостатком ЖК термопары является коррозия железного электрода.
Медь-копелевая термопара (МК). МК термопара используется для
измерения низких температур от -100 до +350°С. Роль положительного
электрода выполняет чистая проводниковая медь, отрицательного – сплав
копель. Кроме перечисленных термопар, для измерения высоких температур
(более 1800°С) находят применение специальные термопары:
молибденвольфрамовая, вольфрам-графитовая, карборунд-графитовая,
силитвольфрамовая.
Металлы и сплавы, используемые в изготовлении термопар и их термоЭДС, приведены в соответствии с таблицей 4.2 [9].
Таблица 4.2 – Материалы термопар и их ЭДС
Наименование
материала
ЭДС при
t=100°С;
t0=0°C, мВ
Наименование
материала
ЭДС при
t=100°С;
t0=0°C, мВ
Хромель
+2,95
Платина 0 Алюмель
-1,2
Железо
+1,8
Нихром
+2
Медь
+0,75
Платиноиридий
+1,3
Золото
+0,8
Константан
-3,4
Молибден
+1,31
Копель
-4
Вольфрам
+0,79
Величина термо-ЭДС [9]:
мВ
(4.2)
53
Перепад температур:
град
(4.3)
Температура горячего конца термопары:
град
(4.4)
где
t0 –
температура холодного конца термопары.
При точном расчете термо-ЭДС вводится поправка на температуру
холодного конца термопары:
мВ
(4.5)
Расчетная термо-ЭДС:
мВ
(4.6)
4.4 Пример расчета
Исходные данные для примера приведены в соответствии с таблицей 4.3.
Таблица 4.3 – Исходные данные для примера
№
Варианта
Материал
электрода «А»
Материал
электрода «В»
Материал
контактов «С»
21
Железо
Копель
Вольфрам
П р и м е ч а н и е – температуры t и t0 равны 100°С и 0°С
соответственно, для каждого случая
Таблица 4.4 – Материалы термопар и их ЭДС
Наименование
материала
ЭДС при
t=100°С;
t0=0°C, мВ
Наименование
материала
ЭДС при
t=100°С;
t0=0°C, мВ
Хромель
+2,95
Платина 0 Алюмель
-1,2
Железо
+1,8
Платиноиридий
+1,3
Золото
+0,8
Константан
-3,4
Молибден
+1,31
Копель
-4
Вольфрам
+0,79
Решение:
1. Термо-ЭДС в зависимости от температур спаев t и t0 и материала
проводников вычисляют по формуле 4.1.
54
.8,579,0479,08,1
),(
0
мВE
ttAB
Исходные данные для примера приведены в таблице 4.5.
№ Варианта
R
M
, Ом
RBH, Ом
t0, град
UM, мВ
E
ТАБЛ
, мВ
21
160
10
11
27
6,95
2. Величину термо-ЭДС вычисляют по формуле 4.2.
.69,28160/1016027 мВЕ
ТП
3. Перепад температур вычисляют по формуле 4.3.
.77,41295,6/10069,28 градt
ПЕР
4. Температуру горячего конца термопары вычисляют по формуле 4.4.
.77,4231177,412
1
градt
5. При точном расчете термо-ЭДС вводится поправка на температуру
холодного конца термопары согласно формуле 4.5.
.76,07645,0100/1195,6 мВЕ
П
6. Расчетную термо-ЭДС термопары с учётом поправки на температуру
холодного конца термопары вычисляют по формуле 4.6.
.45,2976,069,28 мВЕ
р
4.5 Задание для выполнения индивидуальных заданий
1. Рассчитать исходную ЭДС термопары, используя формулу (4.1) и
данные таблицы 4.6, варианты в соответствии с таблицей 4.7.
55
Таблица 4.6 – Исходные данные для выполнения индивидуальных заданий
№
Варианта
Материал
электрода «А»
Материал
электрода «В»
Материал
контактов «С»
1
Хромель
Алюмель
Платина
2
Хромель
Копель
Золото
3
Железо
Копель
Медь
4
Медь
Копель
Платина
5
Платиноиридий
Платина
Медь
6
Хромель
Алюмель
Платина
7
Хромель
Копель
Золото
8
Железо
Копель
Медь
9
Медь
Копель
Платина
10
Платиноиридий
Платина
Медь
11
Хромель
Алюмель
Платина
12
Хромель
Копель
Золото
13
Железо
Копель
Медь
14
Медь
Копель
Платина
15
Платиноиридий
Платина
Медь
16
Хромель
Алюмель
Платина
17
Хромель
Копель
Золото
18
Железо
Копель
Медь
19
Медь
Копель
Платина
20
Платиноиридий
Платина
Медь
Температуры t и t0 равны 100°С и 0°С соответственно, для каждого
случая. Необходимо сначала определить ЭДС пары электрод-контакт, после
чего вычислить исходную ЭДС термопары.
2. Рассчитать величину термо-ЭДС, перепад температуры,
температуру горячего конца.
Исходные данные в соответствии с таблицей 4.7.
56
№
Варианта
R
M
, Ом
RBH, Ом
t0, град
UM, мВ
E
ТАБЛ
, мВ
1
120
10 5 24
6,95
2
130
10 7 24
6,95
3
140
10 9 24
6,95
4
150
10
11
24
6,95
5
160
10
13
24
6,95
6
120
8
15
24
6,95
7
130
8
17
24
6,95
8
140
8
19
24
6,95
9
150
8
21
24
6,95
10
160
8
23
24
6,95
11
120
15
25
24
6,95
12
130
15
23
24
6,95
13
140
15
21
24
6,95
14
150
15
19
24
6,95
15
160
15
17
24
6,95
16
120
9
15
24
6,95
17
130
9
13
24
6,95
18
140
9
11
24
6,95
19
150 9 9
24
6,95
20
160 9 7
24
6,95
4.6 Контрольные вопросы
1. Что представляет собой термопара, принцип работы?
2. Что такое терморезистор, принцип работы?
3. Дать классификацию датчиков температуры.
4. Применение термопар.
5. Какие материалы используются для изготовления термопар?
6. Какие особенности термопары из благородных металлов
(обозначение, интервал измеряемых температур, среды, в которых
могут применяться)?
7. Что такое термо-ЭДС, и вследствие чего оно возникает?
8. Отличительные свойства платины.
9. Главный недостаток ХА-термопары, и как он нивелируется?
10. Характеристики материалов для термопар, что следует учитывать?
57
Лабораторно-практическая работа № 5
«Исследование емкостных датчиков»
5.1 Цель работы
1. Ознакомиться с основными типами и принципом работы емкостных
датчиков.
2. Рассчитать основные параметры емкостного датчика угловых
перемещений.
5.2 Теоретические сведения
Емкостные датчики относят к датчикам параметрического типа, принцип
действия которых состоит в зависимости емкости конденсатора от измеряемого
перемещения объекта.
Емкость (электрическая) – характеристика проводника, мера его
способности накапливать электрический заряд. Емкость конденсатора
измеряется в фарадах.
Принцип действия емкостных датчиков основан на свойстве
конденсатора изменять емкость с изменением геометрических размеров или
диэлектрической постоянной.
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент
включения его в цепь (происходит зарядка или перезарядка конденсатора), по
окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его
обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит
колебания переменного тока посредством циклической перезарядки
конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.
Для емкостного датчика входными величинами могут быть:
− зазор между обкладками;
− площадь перекрытия обкладок;
− диэлектрическая проницаемость.
1) Датчики с изменяемым зазором. В емкостных датчиках с изменяемым
зазором емкость изменяется в зависимости от зазора δ между обкладками.
Датчик представляет собой конденсатор, одна из обкладок которого
испытывает поперечное смещение или угловое разведение относительно
другой, вызывая изменение емкости. Схема представлена на рис. 5.1 [5].
58
а – плоский, с поперечным движением обкладок;
б – плоский с угловым движением обкладок
Рисунок 5.1 – Схема емкостного датчика с изменяемым зазором между
обкладками
2) Датчики с изменяемой площадью. В емкостных датчиках с изменяемой
площадью перекрытия обкладок емкость изменяется в зависимости от площади
S перекрытия обкладок.
Датчик представляет собой конденсатор, одна из обкладок которого
испытывает продольное или угловое α смещение относительно другой, вызывая
изменение емкости. Схема представлена на рис. 5.2 [5].
а – плоский с подвижной обкладкой; б – датчик угловых перемещений
Рисунок 5.2 – Схема емкостных датчиков с изменяемой площадью
перекрытия обкладок
3) Датчики с изменяемой диэлектрической проницаемостью. В емкостных
датчиках с изменяемой диэлектрической проницаемостью емкость изменяется
в зависимости от диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Датчик представляет собой конденсатор, в котором обкладки и
диэлектрик испытывают взаимное смещение и/или диэлектрик изменяет свои
свойства (температуру, влажность и т.п.), вызывая изменение емкости. Схема
приведена на рис. 5.3 [6].
59
а – емкостный датчик уровня; б – цилиндрический с подвижной
обкладкой; в – плоский с подвижным диэлектриком
Рисунок 5.3 – Схема емкостных датчиков с изменяемой диэлектрической
проницаемостью
Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит
только один конденсатор), дифференциальными (в их состав входят два
конденсатора) или мостовыми (здесь уже используются четыре конденсатора).
Для изготовления обкладок конденсаторов используется тонкая
металлическая фольга примерно 5…6 мкм или выше (алюминиевая, медная,
свинцовооловянная) или тонкие слои металла, нанесенные металлизацией
(цинк, алюминий, серебро и др.), толщина слоя от нескольких микрон до
0,01…0,1 мкм [7].
Диэлектрики разделяют на пять основных групп:
− слюда, стекло, керамика с низкими потерями и т.п.;
− керамика с высокой диэлектрической проницаемостью;
− бумага и металлизированная бумага;
− оксидные пленки (в электролитах);
− пленочные диэлектрики, такие как полистирол, полиэтилентерефталат
(майлар), политетрафторэтилен (тефлон).
Датчики емкостного типа имеют множество преимуществ перед другими:
− форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и
поставленными задачами;
− не требуется больших усилий для передвижения чувствительного
компонента;
− возможна длительная эксплуатация;
− отсутствуют подвижные контакты;
− повышенная чувствительность;
− малый расход электроэнергии;
− небольшие габаритные размеры и масса;
− технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и
веществ.
Емкостные датчики отличаются своей простой конструкцией, что дает
возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора
зависят всего лишь от геометрических параметров и не имеют зависимости от
60
свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора.
Недостатки:
− работа на высокой частоте;
− повышенные требования к экранированию элементов;
− малый коэффициент преобразования.
При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать
защиту от ложных срабатываний. Они возникают из-за случайного касания,
воздействия атмосферных осадков, различных жидкостей. Емкостные датчики
применяются в системах управления технологическими процессами и системах
регулировки во всех промышленных производствах. Они имеют невысокую
цену и широкий спектр направлений по использованию.
Основными областями применения датчиков стали:
− подсчет штучного товара;
− регулировка натяжения конвейера;
− сигнализация обрыва проводника при намотке;
− контроль наполнения упаковки;
− сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.
5.3 Практическая часть
Расчет параметров емкостного датчика угловых перемещений.
Максимальную емкость датчика вычисляют по формуле [11]:
Ф
(5.1)
где
С
max
–
максимальная емкость;
S
max
–
площадь взаимодействия между подвижной и одной из
неподвижных пластин;
n –
общее количество пластин;
d –
расстояние между пластинами;
ε
r
–
относительная диэлектрическая проницаемость (ε
r
=1).
Отсюда общее количество подвижных и неподвижных пластин
вычисляют по формуле:
.
189,0
max
max
штук
S
dC
n
(5.2)
Чувствительность датчика вычисляют по формуле:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]