Файл: Измерительные преобразователи может понадобится.doc

Рис.1

Преобразователи контактного сопротивления основаны на измене­нии под действием давления сопротивления между проводящими элементами, разделенными слоями полупроводящего материала. Преобра­зователь может быть выполнен в виде столбика из ряда слоев электро­проводящей бумаги, электропроводящей резины или металлических пластин, на которые путем напыления нанесен высокоомный резистивный слой. Преобразователи контактного сопротивления имеют боль­шие погрешности гистерезиса и линейности (до 10%), но очень просты конструктивно, имеют высокую надежность и достаточную выходную мощность. На рис. 1, б показана схематическая конструкция преоб­разователя, применяемого в биоэлектрическом протезе, где 1 —элек­трод; 2 — электропроводящая пластина; 3 — клей; 4 — изолятор из резины. При изменении давления от 0 до 10⁵ Па сопротивление изме­няется от 100 до 2 кОм при деформации чувствительного элемента до 50%, допустимая мощность рассеяния 0,5 Вт. Подобные преобразователи используются в тактильных датчиках роботов и манипуляторов.

7.Термоэлектрические преобразователи (принцип действия, их измерительные цепи).

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1), причем температуру одного места соедине­ния сделать отличной от температуры другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — тер­моэлектродами, а места их соединения — спаями.

Рис.1.

Термо-ЭДС при небольшом перепаде температур между спаями можно считать пропорциональной разности температур:

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, значение термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектричес­кий контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС.

Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектро­дов A и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. 1,б). Значение термо-ЭДС в этом случае определится как , так как если два любых проводника А и В имеют по отношению к третьему С термо-ЭДС и , то термо-ЭДС термопары АВ равна .

Можно разорвать также один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва (рис. 1, в). Значение термо-ЭДС в этом случае будет тем же, что и в предыдущем. Действительно: .

Таким образом, прибор для измерения термо-ЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов.

К онструктивно термопара представляет собой две проволоки из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются. Как правило, горячий спай промышленных термопар изготавливается сваркой. Пайка применяется редко и только при изготовлении нестандартных лабораторных термопар из очень тонких проволок.

Для правильного измерения необходимо соблюдать равенство температур t в точках t₁ и t₀. Это равенство обеспечивается тем, что точки t₁ и t₀ помещаются близко одна к другой в головке термопары. Спаи с температурой t₀ удалены от головки термопары на длину термоэлектродных проводов, что обеспечивает их термостатирование. Далее до измерительного прибора можно применять медные провода. Как правило, соединительные провода для термопар изготавливают из неблагородных металлов (из тех же материалов, что и сами термоэлектроды).

Создаваемая термо-ЭДС невелика: она составляет . При измерении термо-ЭДС необходимо применять высокочувствительные измерительные приборы.

При измерении температуры в широком диапозоне необходимо учитывать нелинейность функции преобразования ТЭП. Например, функция преобразования медь-константановых термопар в диапозоне температур –200 до +3000С с погрешностью 2мВ описывается следующей эмпирической формулой . А, В и С – постоянные величины, определяемые путем измерения термо-ЭДС трех известных температурах; t- температура рабочего спая (t₀=0°C).

Для всех стандартных термопар имеются градуировочные таблицы.

Термопары позволяют измерять температуру от –200 до +2200°С.

• до 1100°С используют термопары из неблагородных металлов (хромель-алюмель, медь-константан);

• от 1100°С – из благородных металлов и металлов платиновой группы;

• выше 1600°С применяются термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама - ВР 5/20).

Термосопротивления.

Омическое сопротивление проводников и полупроводников представляет собой некоторую функцию от температуры, т.е. . Вид этой функции зависит от природы материала. Измеряя сопротивление нагретого проводника или полупроводника одним из известных методов и зная вид функции для данного материала, можно определить его температуру, а следовательно, и температуру пространства или среды, в которую он помещен.

Термопреобразователями называются сопротивления, выполненные из материала, свойства которых в значительной степени зависят от температуры.

Чувствительность термосопротивлений к изменению температуры характеризуется температурным коэффициентом электросопротивления , который выражает относительное изменение сопротивления на единицу приращения температуры

Зависимость сопротивления от температуры определяется теплообменом между материалом и средой, в которой он находится. Теплообмен между термосопротивлением и окружающей средой осуществляется различными способами: конвекцией, теплопроводностью среды и самого материала, а также излучением.

Интенсивность режима обмена зависит от:

• температуры жидкой и газовой среды;

• физических свойств среды (плотность, теплопроводность);

• скорости перемещения среды;

• геометрических размеров термосопротивления.

Зависимость сопротивления материала от указанных свойств можно использовать для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую, жидкую или дисперсную среду: скорость, температура, концентрация, теплопроводность.

Термосопротивления применяются в качестве первичных преобразователей (датчиков) в различных устройствах автоматики.

Приборы для измерения температуры, в которых в качестве преобразователя используются термосопротивления, называются термометрами сопротивления. Такие термометры, в отличие от манометрических термометров, обладают рядом преимуществ:

• более высокой точности;

• имеется возможность централизации контроля температуры путем присоединения к одному измерительному прибору нескольких термометров;

• обладают меньшим запаздыванием в показаниях.

Недостаток термометров сопротивления – необходимость во внешнем источнике питания.

Основным требованием к материалам, применяемым для преобразователей термометров сопротивления, является возможно больший и стабильный температурный коэффициент сопротивления при достаточно большом удельном сопротивлении. Для изготовления термосопротивления применяются чистые металлы (платина, медь) и полупроводники.

Металлические термосопротивления – терморезисторы – изготавливаются из чистых металлов: меди, железа, никеля, платины. Сопротивление чистых металлов монотонно возрастает с увеличением температуры. Эта зависимость отличается стабильностью и приблизительно подчиняется линейному закону до температуры 100-2000С. Для многих металлов зависимость может быть представлена в виде:

, где

- ТКС металла (°С^-1).

Коэффициенты убывают с возрастанием показателя степени температуры. Для температур значительно меньших температуры плавления, слагаемыми степени выше 1-й можно пренебречь, т.е.:

.

Подчинение линейному закону изменения сопротивления чистых металлов при изменении температуры дает возможность легко справляться с градуировкой терморезисторов, т.к. шкала измерительного прибора при этом получается равномерной.

В случае наличия примесей в металле их сопротивление от температуры изменяется не линейно и значительно отличается от линейного закона. Поэтому сплавы для изготовления терморезисторов не применяются.

Наиболее стабильным и часто применяемым в автоматике является платиновое сопротивление, его характеристика в диапозоне от 50 до 600°С выражается формулой:

, где

Полупроводниковые термосопротивления изготовляются из окислов металлов (окиси меди, никеля, марганца, магния), а также из сульфидов, нитридов, и карбидов этих металлов.

Удельное сопротивление таких полупроводников зависит от их состава, но оно оказывается всегда больше сопротивления металлов и может превышать удельное сопротивление металлов в 10-100 раз. Кроме того, вследствие малой проводимости полупроводников из них можно изготовлять термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической схемы термометра. Сопротивление полупроводников уменьшается при увеличении температуры, поэтому ТКС - отрицателен.

В узком температурном интервале зависимость термистров (полупроводниковых термосопротивлений) от температуры нелинейна:

, где

и - постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств материала полупроводника, размеров и формы термистра.

и

Чувствительность термистров к изменению температуры значительно выше, чем для терморезисторов. Так, если для металлов , то для полупроводников .

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений являются:

• нелинейная зависимость сопротивления от температуры;

• слабая воспроизводимость свойств полупроводников, что исключает их взаимозаменяемсть;

• сравнительно невысокая максимальная рабочая температура;

• большой разброс по величине ТКС даже в пределах партии чувствительных элементов с одинаковыми номинальными характеристиками.

Для измерения температуры наиболее часто применяют термосопротивления типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5, КМТ-1, КМТ-4.

ММТ - сплав и окислы меди и марганца.

КМТ - сплав и окислы кобальта с марганцем.

8. Резистивные делители тока и напряжения

Резистивные делители широко применяются в электрических цепях приборов. Схемы простейших делителей тока и напряжения приве­дены на рис.1, а, б. Коэффициенты передачи, или коэффициенты деления, делителей соответственно μ_U = R₂/(R₁+R₂); μ_I = R₁/(R₁+R₂) и определяются отношением сопротивлений входящих в них резисторов, поэтому точность коэффициента деления определя­ется не точностью самих сопротивлений резисторов, а лишь точностью поддержания их отношения.

Рис.1

Приведенные выражения справедливы для случая, когда можно пренебречь внутренними сопротивлениями источников и нагрузок, полагая, что для делителя напряжения R_Н→∞, а для делителя тока R_Н→0. С учетом сопротивлений источников и нагрузок выходной ток и выходное напряжение определяются формулами:

Коэффициент деления тока не зависит от сопротивления цепи, вклю­ченной последовательно с делителем, т. е. от сопротивления источника. При постоянных сопротивлениях делителя и нагрузки изменение коэф­фициента деления учитывается формулами:

Или, учитывая, что выходные сопротивления делителей составляют R_ВЫХI=R1+R2 (Ri→∞) и R_ВЫХU=R₁R₂/(R₁+R₂) (Ri=0), коэффициенты деления можно представить в виде:

.

Из приведенных формул легко определить погрешность делителей при изменении сопротивления нагрузки или выходных сопротивлений делителей. Однако, даже если нагрузки остаются неизменными, вклю­чение нагрузок, имеющих сопротивления, сравнимые с выходными сопротивлениями делителей, крайне нежелательно, так как это при­водит к существенному возрастанию погрешностей делителей под влиянием внешних факторов.

Для ненагруженных делителей погрешности от влияния внешних факторов пренебрежимо малы, так как используемые в них резисторы идентичны и отношение Их сопротивлений является инвариантной величиной. По-разному влияют внешние воздействия на сопротивле­ния делителя и нагрузки, так как последние выполняются из различ­ных материалов, и поэтому возрастают соответствующие погрешности. Полагая, что под действием температуры относительная погрешность резисторов делителя составляет γ_R, а относительная погрешность сопротивления нагрузки γ_Rн, можно написать следующие выражения для погрешностей коэффициентов деления:

γ_μI ≈ (γ_R- γ_Rн)R_H/R_ВЫХ; γ_μU ≈ - (γ_R- γ_Rн)R_ВЫХ/ R_H.

Если на вход резистивного делителя подается переменное напря­жение достаточно высокой частоты или напряжение, содержащее высо­кочастотные гармоники, то необходимо учитывать реактивные состав­ляющие сопротивлений входящих в делитель резисторов.

Для того чтобы избежать частотной погрешности, должно выпол­няться следующее условие: R₁/R₂ = L₁/L₂ = C₂/C₁, где L₁, L₂, C₁, C₂ — параметры эквивалентной схемы резисторов (рис.1, в).

Влияние индуктивной составляющей комплексного сопротивления обычно невелико, что объясняется соответствующей конструкцией не­проволочных резисторов и бифилярной намоткой высокочастотных проволочных резисторов. Емкостная же составляющая сопротивления может вносить заметную погрешность. Эту погрешность можно исключить, выравнивая постоянные времени резисторов делителя, для чего подбирают небольшие конденсаторы, включаемые параллельно ре­зисторам. Использование подобной емкостной коррекции позволяет снизить частотную погрешность делителей до десятых долей процента для частот звукового диапазона при применении микропроволочных резисторов типа МВСГ и для частот вплоть до нескольких десятков мегагерц при использовании непроволочных резисторов.

Дальнейшее снижение частотной погрешности возможно при при­менении более сложных схем частотной коррекции.

Существенно увеличиваются частотные погрешности делителей при включении сопротивления нагрузки. В рабочем диапазоне частот, где резисторы делителя имеют чисто активные сопротивления, частот­ные погрешности, вызванные реактивными составляющими сопротивле­ний нагрузок, определяются формулами: