Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Metody_I_Sredstva_Izmereniy.doc
Скачиваний:
22
Добавлен:
04.06.2015
Размер:
1.51 Mб
Скачать

5. Измерительные преобразователи температуры. Терморезисторы. Принцип работы, основное уравнение терморезистора, типы, способы подключения в измерительную цепь. Специфика применения терморезисторов.

Термосопротивлением называется проводник или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления, находящийся в теплообмене с окружающей средой, вследствие чего его сопротивление резко зависит от температуры и поэтому определяется режимом теплового обмена между проводником и средой.

Имеется 2 вида терморезисторов: металлические (медь, платина, никель) и полупроводниковые (окислы различных металлов).

ТКС металлов положительный, характеристика линейная, например медь:

  1. Основное уравнение: ,

Где –ТКС, - сопротивление при 0С.

Для 2 формулы должно соответствовать начальной температуре того интервала температур, для которого задано значение .

Рассмотрим 2 и 3 формулы, из них следует , т.о. определяется не только углом наклона, но и значением .

Tmax=180⁰C, Tmin=-50⁰C.

ТКС полупроводников больше, чем у металлов, отрицательный, характеристика нелинейная. Основное уравнение:

,

Где А – постоянная, зависящая от физических свойств п/п, размеров и формы термосопротивления.

В – const, зависящая только от физических свойств.

Т – температура в градусах абсолютной шкалы (К).

Для того, чтобы линеаризовать характеристику необходимо параллельно термистору включить термонезависимое сопротивление.

T1, T2 – диапазон температур для наиболее линейной части характеристики.

, где Т – средняя температура в измеряемом диапазоне.

Где - проводимость термистора.

Специфика применения: выбор того или иного термрсопротивления зависит от среды применения и от измеряемой температуры (медный преобразователь можно применять только до температур порядка 180°С в атмосфере, свободной от влажности и корродирующих газов, никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250-300°С, платиновую проволоку нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.). Платиновые термометры сопротивления используют обычно от — 200 до +650°С.

Схема включения:

R1R2= R3Rt, Uвых=0. При изменении температуры изменяется Rt, R1R2 R3Rt Uвых0. Дополнительные механизмы служат для уравновешивания моста. Электродвигатель перемещает движок реостата изменяя его сопротивление, одновременно отрабатывая на стрелочном указателе величину пропорциональную Uвых.

6. Измерительные преобразователи деформации. Тензорезисторы. Конструкция, принцип работы и основное уравнение, типы тензорезисторов, измерительные цепи для включения тензорезисторов, компенсация влияния температуры окружающей среды.

Принцип действия, устройство. В основе работы тензосопротивлений (тензопреобразователей) лежит явление тензоэффекта, заклю­чающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффи­циент относительной тензочувствительности , определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины провод­ника:

Где - относительное изменение сопротивления проводника,

- относительное изменение длины проводника.

Для жидких материалов, практически не меняющих своего объема в процессе деформации, — ртути, электролитов — коэффициент тензочувствительности к = 2.

;

Откуда

Где S – площадь поперечного сечения проводника;

V – объем проводника;

- удельное сопротивление материала проводника.

При деформации твердых тел изменение их длины связано с из­менением объема, причем величина изменения объема в зоне упру­гих деформаций для каждого материала постоянна и характери­зуется коэффициентом Пуассона

где — относительная величина поперечной деформации;

— поперечный размер проводника квадратного се­чения (или радиус для круглого).

Учитывая, что

Получаем (*)

А коэффициент тензочувствительности

При практических изменениях формула (*) не работает. Необходимо учесть изменение структуры материала при его деформации.

У п/п коэффициент тензочувствительности в 50-70 раз больше, чем у металла.

При использовании п/п на результат измерения влияет температура.

Типы тензосопротивлений. Наиболее широкое распространение в настоящее время находят проволочные тензосопротивления, а также появившиеся в последние годы фольговые и пленочные тензо­сопротивления.

Проволочные тензосопротивления в технике измерений неэлек­трических величин используются по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости.

Второе направление — использование тензоэффекта растяги­ваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензосопротивления применяются в виде «свободных» преобразова­телей и в виде наклеиваемых.

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензосопротивления. На по­лоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока. К кон­цам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фольгой. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Т.о., естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он приклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

«Свободные» тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной (1) (измеряемый объект) и неподвижной (2) деталями, и, как правило, выполняющих одновре­менно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение под­вижной детали.

Еще одна разновидность «мощных» тензосопротивлений – эластичные преобразователи. Они представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1 – 0,5 мм, заполненный ртутью (иногда электролитом) и снабженный проволочными выводами.наклеенный на объект измерения, такой преобразователь, деформируясь вместе с этим объектом, изменяет свое сопротивление.

Измерительные цепи.

Чаще всего измерительной цепью является делитель напряжения либо мостовая цепь. Делитель напряжения с питанием постоянным током (рис. 1) применяют лишь в том случае, когда интересуются только переменной составляющей измеряемой величины, при этом постоянная составляющая падения напряжения на сопротивлении тензопреобразователя, в сотни раз превышающая переменную составляющую, отфильтровывается разделительным конденсатором С. Во всех других случаях в качестве измерительной цепи используется цепь моста (рис. 2), питаемого постоянным или переменным током.

В мостовой цепи тензорезисторные приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при и , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода

,

Где и одинаковые тензорезисторы, при отсутствии деформации их сопротивления равны .

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда и , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода

,

Компенсация влияния температуры окружающей среды.

Погрешность может возникнуть вследствие температурных изменений сопротивления преобразователя. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления материала, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора βт и детали βД, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления

где - сопротивление тензорезистора при нормальной температуре; - его чувствительность; - температурный коэффициент сопротивления; - изменение температуры.

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциальные схемы. При измерении механических напряжений применяют схему первого типа с двумя или четырьмя тензорезистора-ми. Рабочие тензорезисторы наклеивают на исследуемую деталь вдоль ожидаемой деформации, а компенсационные - поперек нее. При измерении других величин, например силы, используется дифференциальная схема второго типа. При этом на силоизмерительную пружину с разных сторон наклеивают два тензорезистора, так что при изгибе пружины под действием силы один из них растягивается, другой - сжимается. В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопротивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность. Для увеличения чувствительности на силоизмерительную пружину можно наклеить четыре тензорезистора, причем преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.

  1. Измерительная схема – мост Уитстона – 1тензорезистор.

Где - тензорезистор, сопротивление которого изменяется пропорционально (1+Х);

Х – относительное отклонение сопротивления от номинального значения как функция деформации (R1 – номинальное при деформации равной 0).

  1. 2 тензорезистора.

  1. 4 тензорезистора.

Данный тип включения предпочтительнее, т.к.чувствительность на одну и ту же деформацию здесь выше.