ФПНЭВ / chapter_06

 Тема 6 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине«ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

В СИСТЕМАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ»для специальности: «1-38 02 03 Техническое обеспечение безопасности». Оглавление | Программа | Теория | Практика | Контроль знаний | Об авторах Оглавление Теория Содержание

Раздел 1 Тема 1

Тема 2

Раздел 2 Тема 3

Тема 4

Тема 5

Тема 6

Тема 7

Тема 8

Тема 9

Тема 10

Тема 11

Тема 12

Раздел 3 Тема 13 Тема 14

Тема 15

Раздел 4 Тема 16

Тема 17

Тема 18

Раздел 5 Тема 19

Тема 20

Тема 21

Практика Лабораторные Лабораторная №1 Лабораторная №2 Лабораторная №3 Лабораторная №4 Практиктические Практиктическая №1 Практиктическая №2

Контроль знаний

Раздел 3: "Сенсорные элементы датчиков и извещателей; Тема 6: "Тензоэффект. Теплопередача" Тензоэффект — свойство материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. При этом считается, что сопротивление проводника или полупроводника зависит (при неизменном объеме) от его длины.

Тензометрический измерительный преобразователь - параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.

Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином ив 1881 году О.Д.Хвольсоном.

В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

Рисунок 1 Схема тензопреобразователя: 1- чувствительный элемент; 2- связующее; 3- подложка; 4- исследуемая деталь; 5- защитный элемент; 6- узфел пайки (сварки); 7- выводные проводники

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:

исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;

применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.

Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.

Во втором случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5-0,05%

Наиболее ярким примером использования тензометров являются весы. Тензометрическими датчиками оснащены весы большинства российских и зарубежных производителей весов. Весы на тензодатчиках применяются в различных отраслях промышленности: цветная и черная металлургии, химическая, строительная, пищевая и другие отрасли.

Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.

Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их достоинств:

малые габариты и вес;

малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;

обладают линейной характеристикой;

позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения;

способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле дефяормаций исследуемой детали.

А их недостаток, заключающейся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

"Теплопередача"  Существуют два фундаментальных свойства теплоты, которые необходимо знать:

У тепла нет никаких специфических характеристик; это означает, что оно может иметь разную физическую природу, его можно измерить, но при этом его невозможно различить

Тепло невозможно ограничить, это означает, что оно свободно передается от теплых частей системы к холодным.

Тепловая энергия может быть передана от объекта к объекту тремя способами. теплопроводностью, конвекцией и излучением. Один из объектов, получающий или отдающий тепло, может быть детектором тепла. Его функция заключается в измерении количества тепла, поглощаемого или выделяемого объектом, для получения определенной информации об этом объекте Такой информацией может быть температура объекта, теплота химических реакций, расположение или перемещение объектов и тд.

"Теплопроводность" Для передачи тепла через механизм теплопроводности необходимо обеспечить контакт между двумя объектами. Термически возбужденные частицы теплого тела совершают энергичные колебательные движения и передают кинетическую энергию частицам более холодного тела, которые при этом переходят в возбужденное состояние. В результате теплый объект теряет тепло, а холодный — поглощает его. Передача тепла по механизму теплопроводности аналогична потоку воды или электрическому току. Например, прохождение тепла через стержень описывается выражением, похожим на закон Ома. Скорость теплового потока через поперечное сечение площадью А (тепловой «ток») пропорциональна градиенту температуры (тепловому «напряжению») по длине стержня (dT/dx):

  (3.118)

где к называется коэффициентом теплопроводности материала. Знак минус означает, что тепло течет в направлении уменьшения температуры. Хорошие проводники тепла обладают высокими коэффициентами к (большинство металлов), в то время как хорошие теплоизоляторы — низкими. Коэффициент теплопроводности материалов считается константой, хотя, на самом деле, он несколько увеличивается с ростом температуры. Для вычисления тепловых потерь за счет теплопроводности, например, через провод, необходимо знать температуру на обоих его концах: T1 и Т2:

  (3.119)

где L—длина провода. На практике часто вместо коэффициента теплопроводности используется тепловое сопротивление, определяемое как:

   (3.120)

В этом случае уравнение (3.119) принимает вид:

   (3.121)

В Приложение приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых материалов.

На рис. 3.39 показан идеальный температурный профиль внутри многослойной структуры, состоящей из материалов с разной теплопроводностью. Но в реальной жизни теплопередача через соединение двух материалов может происходить совсем по-другому. Если соединить вместе два материала и понаблюдать за распространением тепла в такой конструкции, полученный температурный профиль может выглядеть, как показано на рис. 3.40А. Если боковые поверхности соединяемых объектов имеют хорошую изоляцию, в стационарных условиях тепловые потоки в обоих материалах должны быть равны. Резкое падение температуры в зоне контакта, площадь которого равна а, объясняется наличием теплового переходного сопротивления. Передачу тепла через двухслойную структуру можно описать следующим выражением:

  (3.122)

где RAи RB- тепловые сопротивления двух материалов, aRc- переходное сопротивление:

  (3.123)

Величина hcназывается переходным коэффициентом. Для некоторых типов датчиков, в которых есть механические соединения элементов из двух разных материалов, этот коэффициент играет большое значение. Под микроскопом зона соединения может выглядеть, как показано на рис. 3.40Б. Поскольку реальные поверхности никогда не бывают идеально гладкими, все неровности на них влияют на величину переходного сопротивления.

(А)                                          (Б)

Рис. 3.40. А — температурный профиль в зоне контакта двух объектов, Б — вид поверхности контакта под микроскопом

Передача тепла в зоне контакта определяется следующими факторами:

Теплопроводностью реального физического соединения двух материалов.

Теплопроводностью газов (воздуха) в порах, созданных неровностями поверхностей

"Тепловая конвекция" Передача тепла от твердого тела подвижному агенту или внутри подвижного агента также называется конвекцией. Конвекция может быть естественной (под действием сил тяжести) или искусственной (выполняемой механическим путем). При естественной конвекции воздуха на его молекулы действуют две силы, сила тяжести и выталкивающая сила. Теплый воздух поднимается вверх, унося с собой тепло от горячих поверхностей. Более холодный воздух опускается вниз к теплым объектам. Искусственная конвекция воздуха осуществляется при помощи фена или вентилятора. Она также организуется в жидкостных термостатах для поддержания требуемого уровня температуры внутри устройства. Эффективность передачи тепла конвективным способом определяется скоростью движения промежуточного агента, градиентом температуры, площадью поверхности объекта и тепловыми свойствами окружающей среды. Объект, температура которого отличается от внешней температуры, будет получать или отдавать тепло, что можно описать при помощи уравнения, похожего на выражение передачи тепла по механизму теплопроводности:

  (3.125)

где а — коэффициент конвекции, определяемый удельной теплоемкостью текучей среды (жидкости или газа), ее вязкостью и скоростью движения. Этот коэффициент зависит не только от силы тяжести, но и от градиента температур. Для пластины, расположенной горизонтально в воздухе, значение а можно оценить при помощи следующей формулы:

  Вт/м2·К   (3.126)

а для пластины, расположенной вертикально, формула принимает вид:

  Вт/м2·К    (3.127)

Следует отметить, что эти выражения годятся только для одной стороны пластины, здесь предполагается, что пластина представляет собой поверхность бесконечного источника тепла (т.е. ее температура не зависит от потерь тепла), а окружающая среда имеет постоянную температуру. Если объем воздуха мал, например, воздушный зазор между двумя поверхностями разной температуры, движение молекул газа становится очень ограниченным, тогда конвективной передачей тепла можно пренебречь. В этом случае передача тепла осуществляется через теплопроводность воздуха и излучение.

"Тепловое излучение" Электромагнитные волны могут отражаться, фильтроваться, фокусироваться и т.д. На рис. 3.41 показан полный спектр электромагнитного излучения: от γ-лучей до радиоволн.

Длина волны связана с частотой v и скоростью света в конкретной среде с:

  (3.128)

Зависимость между длиной волны и температурой подчиняется закону Планка, открытому в 1901 году (в 1918 году немецкий физик Планк был удостоен Нобелевской Премии за открытие энергии кванта). Планк установил зависимость между плотностью потока излучения Wλ, длиной волны λ и абсолютной температурой Т. Плотность потока излучения — это мощность электромагнитного потока на единицу длины волны:

    (3.129)

где ε(λ) — излучающая способность объекта, С,=3.74×1012 Вт·см2 и С2=1.4 см × К — константы, а е — основание натурального логарифма.

Рис. 3.41. Спектр электромагнитного излучения

Температура — это результат осреднения кинетических энергий огромного количества вибрирующих частиц. Однако не все частицы вибрируют с одинаковой частотой и амплитудой. Разрешенные частоты (а также длины волн и энергии) расположены очень близко друг к другу, поэтому количество частот, на которых могут излучать различные материалы, является практически бесконечной величиной. Длины излучаемых волн бывают любыми: от очень длинных до очень коротких. Поскольку температура является статистическим выражением средней кинетической энергии, она определяет наиболее вероятную частоту и длину волны колеблющихся частиц. Наиболее вероятная длина волны определяется законом Вина (в 1911 году немецкому ученому Вильгельму Вину была присуждена Нобелевская премия за открытие законов теплового излучения). Для ее нахождения надо приравнять нулю первую производную от уравнения (3.129). В результате вычислений можно получить длину волны, в  окрестностях которой происходит наибольшая мощность излучений:

    (3.130)

   (3.131)

где λm измеряется в мкм, а Т— в Кельвинах Закон Вина утверждает, что чем выше температура, тем короче становиться длина волны излучений (рис. 3.41).

С учетом уравнения (3.128) можно сделать вывод, что наиболее вероятная частота излучения пропорциональна абсолютной температуре.

В то время как длина волны излучаемого света зависит от температуры, амплитуда излучения является функцией от излучающей способности поверхности, часто называемой коэффициентом излучения ε, которая изменяется в диапазоне 0...1. Этот коэффициент является отношением потока излучений, исходящего от поверхности, к потоку излучений от идеального излучателя при той же самой температуре. Было выведено фундаментальное соотношение, связывающее коэффициент излучения ε, коэффициент отражения ρ и коэффициент пропускания γ.

  (3.134)

В 1860 году Кирхгоф обнаружил, что излучающая и поглощающая способности являются одной и той же физической величиной. Поэтому для абсолютно черного тела (γ=0) выражение (3.134) может быть записано в виде:

 (3.135)

(3.135)

Рис. 3.43. Теплообмен между объектом и датчиком тепловых излучений  

Закон Стефана-Больцмана определяет мощность излучения, испускаемого поверхностью с температурой Т в бесконечно холодное пространство с температурой, равной абсолютному нулю. При детектировании тепловых излучений тепловыми датчиками (здесь обсуждаются только тепловые датчики, которые отличаются от квантовых детекторов, рассматриваемых в главе 13), необходимо также учитывать излучение от датчика к объекту. Тепловые датчики способны определять только полезную мощность теплового излучения (т.е. мощность излучения объекта минус мощность излучения самого датчика). Поверхность датчика, направленная в сторону объекта, обладает излучающей способностью εs, и, следовательно, его отражающая способность равна: ρs=l-εs. Поскольку датчик только частично поглощает излучение, не вся мощность излучения Фb0 является полезной. Часть мощности Фbaпоглощается датчиком, а другая часть Фbrотражается обратно к объекту (рис. 3.43). В этих рассуждениях предполагается, что в окрестности датчика нет других объектов излучения. Отраженный поток излучений пропорционален коэффициенту отражения датчика:

Знак минус указывает на то, что отраженный поток направлен навстречу основному потоку излучений. В результате полезная мощность излучения объекта может быть найдена из выражения:

  (3.136)

В зависимости от температуры собственной поверхности Тsдатчик излучает собственный тепловой поток по направлению к объекту:

(3.137)

Эти два потока, направленные в противоположные стороны, формируют полезный поток, действующий между двумя поверхностями:

  (3.138)

Это выражение описывает работу теплового датчика, который преобразует полезную мощность теплового излучения в выходной электрический сигнал. Оно также устанавливает связь между тепловым потоком Ф, поглощенным датчиком, и абсолютными температурами объекта и датчика.

"Излучающая способность" Излучающая способность среды является функцией ее диэлектрической проницаемости и, следовательно, коэффициента преломления п. Максимальная излучающая способность равна 1. Она соответствует, так называемому, черному телу — идеальному источнику электромагнитных излучений. Причиной такого названия является внешний вид объектов при нормальной комнатной температуре. Если тело является непрозрачным (γ=0) и ничего не отражает (ρ = 0), то согласно уравнению (3.134) оно представляет собой идеальный источник и поглотитель электромагнитных излучений (поскольку α = ε). Однако следует отметить, что излучающая способность объекта, как правило, зависит от длины волны излучений (рис. 3.44). Например, белый листок бумаги в видимом диапазоне спектра обладает очень хорошей отражающей способностью и почти не излучает видимого света. Однако в дальнем ИК диапазоне его отражающая способность значительно уменьшается, а излучающая способность наоборот возрастает до 0.92, что делает белую бумагу хорошим источником ИК излучений. Полиэтилен, широко используемый для изготовления линз дальнего ИК диапазона, сильно поглощает (излучает) волны очень узкого диапазона: в окрестностях длин волн, равных 3.5, 6.8 и 13 мкм, а в других областях спектра он является прозрачным (неизлучающим) материалом.

Для неполяризованного света дальнего ИК диапазона, направленного перпендикулярно поверхности, можно записать следующее выражение для коэффициента излучения:

  (3.139)

Все неметаллические материалы являются очень хорошими источниками диффузионного теплового излучения, обладающими практически постоянной излучающей способностью в пределах телесного угла ±70°, определяемой уравнением (3.139). За границами этого угла вплоть до 90° коэффициент излучения стремительно падает. В окрестности 90° он равен практически 0. На рис. 3.45А показана типичная для неметаллических материалов диаграмма направленности излучений в воздухе. Следует подчеркнуть, что все вышесказанное справедливо только для длин волн дальнего ИК диапазона спектра, и совсем несправедливо для волн видимого света.

Рис. 3.45. Диаграммы направленности излучений для неметаллических материалов (А) и полированных металлов (Б)  

Металлы ведут себя совсем по-другому. Их излучающая способность сильно зависит от способа обработки поверхности. Как правило, хорошо отшлифованные металлы плохо излучают в пределах телесного угла ±70°, а при больших углах их излучающая способность значительно возрастает (рис. 3.45Б). Это означает, что даже очень хорошие зеркала плохо отражают при углах в окрестности 90° от нормали. В Приложении приведены типичные значения коэффициентов излучения некоторых материалов для температур в диапазоне О...100°С.

В отличие от большинства твердых тел газы во многих случаях являются прозрачными для теплового излучения. Они поглощают и испускают излучения только определенного узкого спектрального диапазона. Некоторые газы, такие как 02, N2 и другие, состоящие из симметричных неполярных молекулярных структур, пропускают электромагнитные волны только при низких температурах, тогда как С02, Н20 и углеводородные газы излучают и поглощают волны в более широком диапазоне. При попадании ИК света в слой газа его поглощающая способность падает по экспоненте, подчиняясь закону Ламберта-Бера:

  (3.140)

где Ф0 — падающий тепловой поток, Фх — поток на глубине х, а αλ — спектральный коэффициент поглощения. Это отношение также называется монохроматическим коэффициентом пропускания (проницаемостью) γλ определенной длины волны λ . Если отражающая способность газа равна нулю, его коэффициент излучения определяется в виде:

                                                                     (3.141)

Следует подчеркнуть, что поскольку газы поглощают излучения только в узком спектральном диапазоне, коэффициенты излучения и пропускания соответствуют конкретным длинам волн. Например, водяной пар имеет высокий коэффициент поглощения на длинах волн 1.4, 1.8 и 2.7 мкм и является практически прозрачным на длинах волн 1.6, 2.2 и 4 мкм.

"Светоизлучение" Световое излучение — очень эффективная форма энергии, по изменению которой можно судить о многих внешних воздействиях расстоянии, движении, температуры, химическом составе и т.д. Свет имеет электромагнитную природу Его можно рассматривать, как распространение энергии квантов или электромагнитных волн Разным зонам спектра даны свои определенные названия УФ излучение, видимый свет, дальний, средний и ближний ИК диапазоны излучений, микроволны, радиоволны и т.д. Название «свет» соответствует электромагнитному излучению с длинами волн в диапазоне 0 1 100 мкм. Излучение с длиной волны, меньшей длины самой короткой волны видимого диапазона (фиолетовой), получило название ультрафиолетового, а, большей самой длиной волны света (красной), — инфракрасного. Инфракрасный диапазон, в свою очередь, разделен еще на три поддиапазона ближнего (0.915 мкм), среднего (15.4 мкм) и дальнего (4.100 мкм) ИК излучении.

Скорость света в вакууме с0 не зависит от длины волны и может быть выражена через магнитную постоянную свободного пространства μ0=4π×10 7Гн/м и его электрическую постоянную е0=8 854×1012Ф/м

 (3.145)

Частота световых волн в вакууме или любой другой среде связана с их длиной волны уравнением (3 128), которое можно переписать в виде

  (3.146)

где с — скорость света в среде

Энергия фотона связана с его частотой

E = hv,(3.147)

где А = 6.63×1034 Дж с или 4.13×1015 эВ с называется постоянной Планка Энергия Е измеряется в электрон вольтах (эВ)  1 эВ= 1.602×1019Дж.

  (С) БГУИР