Измерительные преобразователи температуры. Термопары. Принцип работы, основное уравнения термопары, способы компенсации температуры холодного спая, типы.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

1. Электромеханические приборы: общие сведения, приборы магнитоэлектрического типа (системы), устройство, работа и область использования.

2. Электромеханические приборы: общие сведения, электродинамические и ферродинамические приборы, устройство, работа и область использования.

3. Электромеханические приборы: общие сведения, электромагнитные и электростатические приборы, устройство, работа и область использования.

Измерительные преобразователи температуры. Термопары. Принцип работы, основное уравнения термопары, способы компенсации температуры холодного спая, типы.

Термопары относятся к категории тепловых преобразователей. (Преобразователи в которых технические параметры (температура, тепловой поток, теплоемкость) преобразовываются в величины иной физической природы (электрическая, механическая и т.д.).)

Т1

Т2

А

В

Горячий спай (рабочий) На измеряемый объект

Холодный спай (нерабочий)

Условия возникновении термо-ЭДС: наличие двух разнородных проводников, наличие разности температур. Эффект Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из двух различных проводников, спаи которых находятся при различных температурах возникает электрический ток.

Т0 хол

А

В

n

2n

Т1 гор

n

2n

Т2

2n

4n

Термопара состоит из двух проводников (п/п) с различной работой выхода электронов. Если Т0=Т1 из А в В поступит за определенное время n-электронов, обратно 2n. При температуре равновесия термо-ЭДС=0. Если Т0≠Т2 и Т2>Т1, работа выхода уменьшиться если уменьшиться на половину то из А в В поступит 2n электронов, обратно 4n. В результате на выходных зажимах возникает разность потенциалов, которая зависит от разности температур. Е _{термо-ЭДС}=к_тΔТ (к_т – коэффициент, учитывающий материал)

Типы термопар: платинородий-платина, хромель-копель, хромель-алюмель, вольфрам-молибден. (выбор термопары обусловлен значением измеряемых температур: для измерения температур до 1100⁰С используют термопары из неблагородных металлов, от 1100 до 1600 из благородных платиновой группы, более 1600 из жароупорных )

Температуру холодного спая необходимо поддерживать постоянной. Ошибка возникающая при Тхол ≠0:

∆Е

Е_изм

Е

Т,⁰С

0⁰С

β

∆T

Способ компенсации:

+U

ОУ

R

Ист питания

Rю

Т изм

Е0

Iтм

Rt

Тхк

При увеличении температуры холодного контакта ЭДС термопары увеличивается на величину ΔV и одновременно увеличивается Iтм на ΔIтм. Основная часть этого тока протекает через R и ΔIтм вызывает падение напряжения ΔUr на резисторе, которое компенсирует прибавку термо-ЭДС холодного контакта. Напряжение Е0 пропорционально Тизм и не зависит от ΔV, что и требуется для точных измерений. Rю устанавливается до десятых долей Ом.

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:

R

R₀

R_t

T₁

T_max

T⁰C

T_min

β

1. Основное уравнение: ,

2.

Где –ТКС, - сопротивление при 0⁰С.

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).

R

T

R

R_Ш

Т

п/п

T₁

T₂

R_t

R_ш

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

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

R_t

R_ш

, где Т – средняя температура в измеряемом диапазоне.

G

1/R_Ш

Т

T₁

T₂

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.

УК

Э/дв

УС

R1

Uпит

Rt

R3

R2

Схема включения:

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

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.

Тензочувствительная проволка

подложка

«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.

Ртуть (электролит)

контакт

Приклеивается на измерительный элемент  

контакт

Резиновая трубка

Дата добавления: 2015-07-08