Техника первичных преобразователей

Датчики температуры.

В современном промышленном производстве , научных исследование при испытаниях материалов и образцов новый техники наиболее распространенными являются измерения температуры . В диапазоне низких и средних температур используется в основном контактные методы измерения , причем наиболее широко на практике используются первичные преобразователи в виде термосопротивлений, термисторов, термопар . В настоящее время используется два вида термосопротивлений - платиновые (ТСП) и медные (ТСМ) . Для указания материалов свойственны высокая стабильность температурного коэффициента сопротивления (ТКС) , хорошая воспроизводимость характеристик . Наиболее дешевые ТСМ работают в диапазоне температур -50 + 180С.

Уравнение преобразования ТСМ:

R_T =R₀(1+T)

где

R₀ - сопротивление при 0С,

 Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)=4,26  10^-3 1/К

Т- температура в К

По величине сопротивления ТСМ выпускаются с .

R₀ =53 Ом и R₀=100 Ом

У ТСП диапазон температур выше ,они стабильнее, но значительно дороже .

Схема включения ТСМ Конструкция ТСМ

Измерение температуры поверхности

Измерение температуры газа

Зависимости сопротивления от температуры для наиболее широко используемых резистивных датчиков температуры .

Термисторы ( или терморезисторы ) - это термочувствительные резисторы , изготавливаемые из полупроводниковых материалов ( слагаемых из смесей сульфидов , селенидов , оксидов никеля , марганца , железа , кобальта , меди ,. магния , титана , урана и других металлов ). Эти материалы ­­­­сформировываются в небольшие шарики ( бусинки ) , диски , стержни ( обычно герметизированные стекольной или эпоксидной смолой и шайбой ).

Рассмотренные терморезисторы ( термисторы ) относятся к терморезисторам с так называемой положительной характеристикой есть термисторы с отрицательной характеристикой ( их сопротивление уменьшается с повышением температуры ) , и термисторы с критической характеристикой ( сопротивление резко изменяется при определенном значении температуры ).Отрицательный, критический полупроводниковый термистор

Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом используется для измерения регулируемой температуры , термокомпенсации различных элементов электрических цепей .

Есть еще с положительным температурным коэффициентом (позисторы ) на основе титаната бария , легированного различными примесями , которые в определенном интервале температур увеличивают свое сопротивление на несколько порядков .

Схема включения позисторов в качестве ограничителя тока .

Для расширения линейного участка характеристики термистора параллельно и последовательно ему включаются постоянные резисторы .

Конструкция термистора .

Линеаризация функции преобразования терморезистора.

Основное эмпирическое соотношение , используемое для описания зависимости сопротивления термистора от температуры , имеет вид

где

R_{T -} сопротивление при измеряемой температуре Т(К).

R₀ - его сопротивление при известной температуре То(К).

 - параметр , зависящий от материала (обычно 298,15 К)

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) -отношение скорости изменения сопротивления при изменении при изменении температуры к значению сопротивления при нулевой мощности рассеяния .

Этот параметр - удобная характеристика чувствительности термистора .

при уменьшении температуры нелинейно возрастает ( Его типичное значение -4,4%/С при 27C ). Как видим температурные зависимости термосопротивлений носят ярко выраженный нелинейный характер. Для их спрямления используют включение в схему линеаризующего резистора, включаемого параллельно термистору.

Если составить цепь из двух различных проводников, концами соединив их между собой, причем температуру ₁ одного места соединения сделать отличной от температуры ₂ другого, то в цепи появится ЭДС, представляющая разность функций температур мест соединения проводников ( Эффект Зеебека ).

E(₁ ₂)=f (₁) - f (₀)

Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой , а места соединений спаями (независимо получены путем спайки или сварки ). Если один спай ТП , называемый рабочим (или горячим поместить в среду с температурой другого нерабочего ( или холодного ) спая поддерживать постоянной , то

f (₀)=const = C , то E(₁ ₀)=f (₁) - С, т.е. зависит только от измеряемой температуры.

ТП перекрывают широкий диапазон температур (-270...+2500С) , хотя определенные виды ТП работают в более узком диапазоне .

В зависимости от используемых материалов различают 2 группы ТП : выполненных из неблагородных и благородных ( платина ) металлов .

Наиболее распространяемые термопары первой группы - выполнены из сплавов хромель-копель (ХК) , хромель-алюмель (ХА), где хромель сплав хрома с никелем , копель - меди с никелем , алюмель - алюминия с никелем .

Характеристики термопар .

ТТип	Обозначение	Материалы термоэлектрообразования	Пределы измерений в градусах Цельсия	Пределы термоэлектропреобразований
ХА	ХА	Хромель-алюмель	-50-1000	0-50мВ
ХК	ХК	Хромель-копель	-50-600	0-50мВ

Схема включения термопары в измерительную цепь.

R1- для линеаризации калибровочной функции схемы.

R5-для поправки показания ТП из-за отличного от нуля холодного спая .

Мост -для автоматической поправки показаний ТП на температуру свободных концов .

Как известно при измерении температуры свободные концы термопары должны находятся при постоянной температуре. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой применяется удлиняющие провода, изготовленные из металлов или сплавов , имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопар . Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов . Для благородных металлов приходится подбирать сплавы с идентичными свойствами, что очень сложно и приводит к погрешностям.

Конструкция термопары

Обозначение термопар. Тип	Металлы	Удельная термоЭДС [ мкВ/С]
Е	хромель - константан	490
J	железо - константан	230
K	хромель - алюмель	190
R	платина - платина+13% родия	64
S	платина - платина+10% родия	53
T	медь - константан	150

ТермоЭДС в мВ

Термометры на p-n - переходах.

Эффект зависимости свойств pn - переходов от температуры , нежелательный в большинстве применений ,можно с успехом использовать для ее измерения. Датчики на pn - переходах характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от t , но как и всякие полупроводниковые устройства работают только в ограниченном интервале температур .

Диодный термометр .

Прямой ток полупроводникового диода .

где

I - ток,

V - критическое напряжение на p-n переходе.

I₀ - обратный ток насыщения при отрицательном V.

Обратный ток I₀ не зависит от V, является тепловым током, зависящим

от температуры и равен 0 при абсолютной 0 К.

k - постоянная Больцмана .

q - величина заряда электрона .

а)

где М - некоторая независящая от T константа

E_q - ширина запрещенной зоны в кремнии при Т=0К.

Согласно а) напряжение на диоде линейно зависит от T

и окончательно:

Для измерения температуры полупроводниковый диод включается в прямом направлении, чем меньше стабилизированный ток через него, тем больше крутизна характеристики и чувствительнее термометр.

Часто в качестве термодатчика используют в качестве p-n - перехода - переход база-эмиттер транзистора .

Диоды обладают лучшей чувствительностью и линейностью, но меньшим рабочим диапазоном по сравнению с термопарными и резисторными термометрами.

В литературе описан диодный термометр на GaAs , обеспечивающий точность 0,,002 К в интервале температур 14 - 300 K.

Схема включения термометра на транзисторе, где датчиком служит его переход база-эмиттер

Важной характеристикой термодатчика является его постоянная времени, которая определяется как время , необходимое, чтобы указанная, например, термистором, температура изменялась на 63.2% от разности между его первоначальной температурой и новой измеряемой температурой.Тепловая постоянная в термодинамике , дается в % к конечному значению .

Как правило , чем меньше тепловой датчик , тем меньше его постоянная времени . Постоянная времени для термопары обычно меньше (550мс) , чем для диода и транзистора (10с) или интегральные микросхемы ( 1 минута ) , используемые в качестве датчиков температуры .

Термопара с открытым контактом , полученным сваркой встык провода диаметром 25 мкм , имеет постоянную времен 3мс . Постоянная времени увеличивается при увеличении диаметра провода и защитной оболочки . Тепловая постоянная зависит от конкретной компановки измерительной схемы с точки зрения эффективности теплопередачи и от характеристик окружающей среды .

Оптические датчики .

По принципу оптико-электрического преобразования можно разделить на 4 типа на основе эффектов :

• фотоэлектронной эмиссии .

• фотопроводимости .

• фотогальванического .

• пироэлектрического ( возникновение зарядов при нагреве светом ).

Фотоэлектронная эмиссия или внешний фотоэффект - испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hс/ (h - постоянная Планка, с - скорость света, - длина волны). Чем короче длина волны тем больше энергия электронов.

П

ример приборов на данном эффекте-Электронные лампы ( Фотоумножители - Уст-ва , представляющее собой комбинацию фотокатода с электронным умножителем , усиливающим поток электронов , испускаемых фотокатодом при его облучении светом . Применяется в устройствах измерения слабых лучистых потоков , счетчиках элементарных частиц

Эффект фотопроводимости. - изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости - сульфиды цинка (ZmS), свинца (PbS), кадмия CdS, арсенида галлия GaAS и др. Максимум спектр чувств CdS приходится на свет с длиной волны 500-550 нм , что соответствует приблизительной середине зоны человеческого зрения.

Фоторезисторы - СФ2-1, СФ3-1...

Вольфрамовая нить накала.

Лампы накаливания с вольфрамовой нитью - широко распространенные источники света, особенно они подходят где не нужно высокое быстродействие . Ток , проходящий через нить, разогревает ее до температур 2200-3000 К . Нить раскаляется добела и излучает свет с непрерывном спектром. . Заметим, что 90% световой энергии приходится на инфракрасный (ИК) диапазон.

Инфракрасный (ИК) - 750 - 5000нм ____________10¹²- 10¹⁴ Гц

видимый свет - 400 - 750 нм___________________10¹⁴- 10¹⁵ Гц

Ультрафиолетовый (УФ) - 10 - 400 нм ___________10¹⁵-10¹⁷ Гц

Излучаемая нитью световая мощность пропорциональна четвертой степени приложенного напряжения.

Фотогальванический эффект возникновение ЭДС на выводах p-n перехода в облучаемом светом полупроводнике. Типичные датчики - фотодиоды, фототранзисторы, (высокая чувствительность 0,1-0,5 А/лм). В качестве материала подложки чаще всего используется кремний.

Схема включения.

Вольтамперная характеристика

Характерной особенностью рабочей области вольтамперных характеристик является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения. Такой режим наступает при обратных напряжениях на диоде порядка 1 вольт.

Пироэлектрический эффект. ( от греческого pyr -пир-огонь ) - электризация поверхности некоторых кристаллических диэлектриков при их нагревании и охлаждении. Поверх. плотность возникающего электронного заряда прямо пропорциональна скорости изменения температуры и не превышает 1 мКл/м. Эффект используют для обнаружения инфракрасного излучения - регистрирует изменения температуры с точностью 10^-6 С.

Для чего используют пирометры , которые в отличие от термопар и термосопративлений используют бесконтактные методы измерения . Известно ,что интегральная интенсивность излучения для видимой части спектра приближенно равна

S⁺=T⁴

где

 - постоянный коэффициент

Т - абсолютная температура

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше этой интенсивности , если оно находится при той же температуре , что и черное тело .

Это уменьшение характеризуют коэффициентами , характеризующими состав вещества , состоянием поверхности тела

S =S^*

Пирометры - приборы , используемые для измерения температуры , яркости , цвета нагретых тел .

Радиационные (20 - 2500С)

Батарея термопар на платиновом листке , покрытом платиновой чернью .

Яркостный пирометр с исчезающей нитью .

Яркость тела > яркости нити , то нить видна в виде черной линии на ярком фоне .Наоборот - заметно свечение нити на бледном фоне .

Люкс - единица освещенности .

Люмен - единица светового потока .

Кандела (кн)= - сила света1 свечи.

Яркость экрана телевизора составляет 700-1000 кандела. Для специализированных пилотажных экранных индикаторов, чтобы не «слепли» при попадании прямых солнечных лучей до 3000 кандела.

Датчики перемещений -

делятся по диапазону входных сигналов на преобразователи малых перемещений ( до 2-3 мм (линейные) , 2-3 - узловые)

и больших: нескольких метров , нескольких десятков оборотов.

Для измерения перемещений (роль которых велика, т.к.. силу, давление, момент сначала преобразуют в перемещение, а затем в электрическую величину).

Находят применение различные типы измерительных преобразователей :реостатные, тензометрические, индуктивные , емкостные , фотометрические .

Тензометрические датчики.

Тензорезисторы находят большое применение для анализа напряжений в различных промышленных конструкциях, а также при проведении экспериментальных научно-исследовательских работ. Тензодатчики используются широко как составная часть измерительных приборов при измерении деформаций и давлений.

В качестве первичных измерительных преобразователей чаще всего используются тензорезисторы. В основе их работы лежит явление тензоэффекта, заключающееся в том, что электрическое сопротивление проводников изменяется при их деформации.

Конструктивно тензодатчики выполняются в виде проволочки, которая зигзагообразно наклеивается на тонкую бумагу или лаковую пленку, к концам проволочки припаяны медные выводы. Такой датчик приклеивается к испытуемой детали и воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Обычно, в машиностроении исследуются деформации во многих точках, для чего применяются многоканальные тензостанции.

Для того чтобы можно было сравнить рабочие характеристики различных тензочувствительных материалов вводится коэффициент тензочувствительности . Он определяется как

_G=R/R

^L/L

Материал		Коэффициент тензочувствительности G	ТКС 0С-110-5
Константан		2,1	+ 2
Изоэластик		3,52 - 3,6	+ 17
Манганин		0,3 - 0,47	+ 2
Никель		-12 -20	670
Нихром		2,1 - 2,63	10
Кремний	р - типа	100 - 170	10
	n - типа	-100 - 140	70 -700
Германий	p - типа	102
	n - типа	-150

Для полупроводниковых материалов G в 50 -70 раз больше , чем для металлов . Применение полупроводниковых датчиков с большим G « наказывается» слишком большим ТКС .

Западногерманская фирма НВМ имеет 40-летний опыт разработки тензометрических приборов и 25 патентов, подтверждающих ее лидерство в этом направлении. Фирмой выпускается целый спектр тензометрических датчиков для измерения с высокой точностью сосредоточенных и распределенных 1, 2-х и 3-х осевых усилий, поперечных и скручивающих деформаций. Датчики отличает высокий коэффициент силовой чувствительности, в которых температурный разброс подстраивается к соответствующему материалу конструкции, на которую они устанавливаются. На каждой упаковке датчиков указывается линейный температурный коэффициент расширения, к которому подстроен температурный разброс датчиков. В дополнение задается график температурного разброса, аппроксимирующие полиномы температурных зависимостей.

Когда применяют датчик к материалу, не входящему в стандартный перечень более 10 стандартных наименований (феррит-железо, закаленная сталь, алюминий, пластик титан, молибден и т.д.) применяют датчик с «самокомпенсацией». Это выражение используют, когда датчики включают в цепь запатентованного фирмой НВМ специального термокомпенсированного моста «Wheatstone». Стандартный набор тензометрических датчиков, выпускаемых фирмой НВМ, включает 4 серии для решения наиболее типичных задач.

Серия Y - стандартные датчики для виброанализа с одной измерительной сеткой. Широкая номенклатура, хорошее соотношение цена-производительность. Полиамидная подложка датчиков Y настолько гибкая, что они могут опоясывать легко лезвия бритвы. Могут быть использованы неопытным установщиком.

Серия S - никель-хромовые датчики для измерения напряжений в конструкциях в условиях экстремальных температур от -200 до +200С.

С 1,2 и 3-мя измерительными сетками, позволяющими измерять напряжения с неизвестным априори направлением главного усилия.

Серия G - специальные датчики для измерения остаточных напряжений и высоких усилий. Подложка под измерительную сетку : фенолформальдигидная смола на стекловолоконной основе.

Серия К - датчики для производства преобразователей с высоким качеством. С 1, 2 и 4-мя измерительными сетками, включающие элементы баланса и компенсации. На базе этих типов выпускаются тенозометры с различной конструкцией расположения измерительных сеток.

Т- образный датчик измеряет продольные и поперечные усилия, особенно удобен при тестировании растяжения, сжатия балок от температурных деформаций.

5. образный датчик для измерения поперечных и скручивающих деформаций. Кроме того,

тензометры с цепочечным расположением измерительных сеток, позволяющие измерять распределенные нагрузки. Находят широкое применение тензодатчики, герметизированные от влияния внешней среды с помощью специальной смолы или закрытые в специальный

корпус IP67.

Фирма НВМ выпускает весь необходимый спектр средств для установки и приборы для контроля функционирования тензометрических датчиков. К средствам установки относятся средства очистки поверхности конструкции перед установкой, средства приклеивания тензодатчиков с помощью 1 и 2-х композиционных клеев и даже сварки датчиков, имеющих подложку , выложенную на металлической фольге.

Обычно тензорезисторы включаются по мостовой схеме, выходной сигнал моста с проволочными тензорезисторами составляет не более 10 - 50 мВ при относительной деформации g _{L =} l . _{100% = 1 %} (увеличения длины проводника)

^l

Наибольшее распространение получили приборы, в которых тензорезисторы включаются в неуравновешенный мост, питаемый переменным током, или даже импульсным. ( при большей чувствительности  больше амплитуда сигнала, меньше греется тензодатчик - значит нет температурной зависимости).

Особенно перспективны полупроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью.

Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с n-проводимостью формируется круглая диафрагма. По краям диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие p - проводимость. Если к диафрагме прилагается давление, то сопротивление одной из пар резисторов увеличивается, а другой уменьшается. (за счет ИК - ориентации).

Для измерения артериального давления :

Включение датчиков (тензометров) по мостовой схеме позволяет уменьшить температурную зависимость измерительной схемы и повысить ее чувствительность.

Резистивный датчик

Нелинейность, обусловленная подключением сопротивления нагрузки к потенциометрическому преобразователю, возрастает при уменьшении сопротивления. Это влияние можно ослабить путем шунтирования верхнего плеча потенциометра резистором с сопротивлением R_m = R_L

(как показано ниже)

Потенциометрический резистивный преобразователь

.

Индуктивный датчики перемещения Емкостный датчик уровня

.

Тематика, связанная с постановкой и изучением измерительных преобразователей значительно более обширна и глубока, чем представлено в данном пособии, однако, такая задача в рамках рассматриваемого учебного курса и не могла быть поставлена. Задачей следующей темы методического пособия является рассмотрение характеристик звеньев функциональной схемы УСД.