Электростатические преобразователи

 

Электростатический емкостной преобразователь представляет собой кон­денсатор, параметры которого зависят от измеряемой величины. Извест­но, что емкость плоского конденсатора определяется выражением:

S

С ═ ε0 ε —— .

d

где ε0–диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S - площадь обкладок конденсатора; d - рас­стояние между обкладками, т. е. толщина слоя диэлектрика. В емкостных преобразователях меняться может один из трех параметров: ε, S, d.

Изменение толщины d используется в тех случаях, когда необходи­мо измерять малые перемещения (доли мм). Зависимость C=f(d) нелиней­на.

Изменение эффективной площади S используется при измерениях больших перемещений (сантиметры). Зависимость C=f(S) линейна.

Изменение ε используется в тех случаях, когда измеряют уровень жидкости, влажность вещества, гомогенность материалов. Зависимость C=f(e) также линейна.

В одинарных емкостных датчиках между пластинами конденсатора возникает нежелательное притяжение.

Дифференциальные емкостные преобразователи обладают более высокой чувствительностью, меньшей зависимостью от условий среды и почти не подвержены влиянию притяжения подвижной пластины (усилия направлены в разные стороны). В качестве измерительной схемы исполь­зуется мостовая схема. Для питания мостовой схемы применяют напряже­ние повышенной частоты (до 1 МГц) с тем, чтобы повысить полезную мощность S=U2ωС при тех же габаритах датчика. Достоинствами элек-тростатических емкостных датчиков являются: простота конструкции, вы-сокая чувствительность, малая инерционность. К недостаткам можно от­нести малую мощность и влияние паразитных емкостей.

Тепловые преобразователи.

В качестве параметрических тепловых преобразователей используются терморезисторы – проводниковые или полупроводниковые резисторы с большим температурным коэффициентом сопротивления. Материалы, используемые для создания терморезисторов, должны отвечать следующим основным требованиям: возможно больший температурный коэффициент сопротивления ТКС и его постоянство, достаточная термостойкость, большое удельное сопротивление и устойчивость к агрессивным воздействиям внешней среды. Терморезисторы могут изготавливаться из проводниковых или полупроводниковых материалов.

Из проводниковых материалов могут использоваться медь, платина, никель. Медные терморезисторы изготавливаются из медной проволоки. В диапазоне темпера­тур (-200 ÷ +200 ) оС уравнение преобразования линейное

Ri=R0(1+αt),

где t – температура; α - температурный коэффициент, равный 4,25*10-3 1/оС; R0 - сопротивление при 0 оС. Выше 200 оС медные терморезисторы применять не следует во избежание окисления.

Платиновые терморезисторы могут работать при высоких темпера­турах до 1200 оС. Зависимость сопротивления от температуры нелиней­ная. Платину нельзя использовать в восстанавливающей среде (углерод, водород, пары кремния, калия, натрия).

Никелевые терморезисторы могут быть использованы до 300 °С. В интервале 0÷100 °С уравнение преобразования линейное с α =5*lO-3 1/°С, при более высоких температурах нелинейное.

Температурный коэффициент проводниковых терморезисторов по­ложительный.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют значи­тельно более выраженную зависимость сопротивления от температуры. Они обладают большим удельным сопротивлением и поэтому могут быть изготовлены миниатюрных размеров и, следовательно, иметь малую инерционность. Рабочий диапазон полупроводниковых терморезисторов от 100 до ÷ 300 оС. Температурный коэффициент сопротивления терморе­зисторов отрицателен. В последнее время промышленностью освоены по­лупроводниковые резисторы (позисторы), обладающие в определенном диапазоне температур положительным коэффициентом. Недостатком по­лупроводниковых термосопротивлений является нелинейность преобра­зования и разброс параметров. Функция преобразования термисторов имеет экспоненциальный характер

Rt=Ae В/tk,

где А, В - const; tk - абсолютная температура.

Рабочий ток терморезисторов должен быть мал, чтобы не вызывать дополнительный нагрев, обычно до 10 мА для проводников и до 0,5 мА для полупроводников.

Номинальные значения сопротивлений при 0 оС терморезисторов стандартизированы в пределах от 1 до 500 Ом. Инерционность терморезисторов составляет oт нескольких секунд до нескольких минут.

Терморезистор совместно с измерительным устройством, обычно мостовой схемой, представляет собой термометр сопротивления. Простейшая двухпроводная мостовая схема для измерения температуры с помощью терморезистора показана на рис.11.7. В этой схеме существует погрешность, обусловленная изменением сопротивления подводящих проводов при колебаниях температуры окружающей среды.

Для уменьшения этой погрешности применяется трехпроводная линия – рис.11.8. В этой схеме два соединительных провода включены в соседние плечи моста, а третий – в диагональ питания. При равновесии моста и при выполнении условий R1=R3, Rn1=Rn2 погрешность от подводящих проводов отсутствует.

 

RЛ1 R1

RЛ2 mV

 

Rt R2 R3

 

 

Un

 

Рис.11.7. Схема включения терморезистора в двухпроводную

мостовую измерительную цепь.

 

RЛ1 R1

RЛ2 mV

RЛ3

Rt R2 R3

 

 

Un

 

Рис.11.8. Схема включения терморезистора в трехпроводную

мостовую измерительную цепь.

 

2 3

 

 

Рис. 11.10. Термопара: 1 – горячий (рабочий) конец; 2,3 – холод-

ные (свободные) концы.

 

Существуют и другие измерительные схемы термометров сопротивления. Широко применяются автоматические регистрирующие мосты.

В качестве генераторных тепловых преобразователей

используются термопары, обладающие теромоэлектрическим эффектом. Сущность термоэлектрического эффекта заключается в том, что в месте соединения двух разнородных металлов или полупроводников возникает термо ЭДС, величина которой зависит от вида материалов и от температуры места соединения, вернее, от разности температур рабочего и свободных концов термопары. На рис.11.9 показано условное обозначение термопары. Здесь 1 - рабочий конец термопары, а 2 и 3 - свободные концы термопары. Чтобы термо ЭДС зависела только от температуры горячего конца, температуру свободных концов необходимо поддерживать одинаковой и неизменной.

Устройство, состоящее из термопары, линии связи и измерительной схемы, называется термоэлектрическим термометром. Градуировка термоэлектрических преобразователей производится при температуре свободных концов 0оС. При других условиях измерения надо вводить поправку на температуру свободных концов. Такие поправки вводятся автоматически при использовании специальных схем измерения. например, схемы по рис.11.10. Термопару включают в измерительную диагональ моста, питаемого стабильным напряжением Uп . Три плеча моста изготовлены из манганиновой проволоки и поэтому имеют стабильное сопротивление, а четвертое Rt изготовлено из медной проволоки и расположено рядом со свободным концом термопары и имеет температуру t0 свободных концов. Мост уравновешен при температуре резистора Rt , равной 0 оС. Изменение температуры среды t0 вызовет разбалланс моста на величину ΔU, компенсирующую рост ЭДС термопары от изменения температуры свободных концов.

 

ΔU

 

mV Un

 

tc tc Rc

 

tp

 

Рис.11.10. Схема включения термопары с автоматической

компенсацией погрешности от температуры

свободных концов.

 

Для измерения ЭДС термопар используются милливольтметры и потенциометры, в т.ч. автоматические.

Инерционность термопар в арматуре составляет единицы минут.

Основные, наиболее употребляемые термопары, их состав и величина удельной термо ЭДС Еt :

1. Платина-Платинородий (ПП), 90% Pt+10% Rh – Pt, Et=0,64 мВ/оС, tmax=1700 oC.

2. Хромель-Алюмель (ХА), 89% Ni

 

3. Хромель-Копель(ХК)

 

4. Железо-Копель(ЖК)

 

5. Медь-константан

При использовании термоэлектрических преобразователей на низких температурах используются специальные термопары: серебро-золото (до 800 оК), сплавы Кондо (твердые растворы редкоземельных металлов в обычных металлах) (до 20 оК), медь-константан(2 – 273 оК). На очень высоких температурах ( до 2200 – 2500 оК) используются специальные термопары иридий-рений, вольфрам-рений.

 

 

Литература.

 

1. Попов В.С. Электрические измерения. – М.: Энергия, 1974 год.

 

2. Электрические измерения. Под ред. А.Фремке и Е.М.Душина. – Л.: Энергия, 1980 год.

 

3. Электрические измерения. Под ред. Е.Г.Шрамкова. – М.: Высшая школа, 1972 год.

 

4. Основы электроизмерительной техники. Под ред. М.И.Левина.: - М.: Энергия, 1972 год.

 

5. Электрические измерения. Под ред. В.Н.Малиновского. – М.: Энергоиздат, 1982 год.