Что такое генераторные измерительные преобразователи. Как работают термоэлектрические преобразователи. Какие виды термопар существуют. Как устроены пьезоэлектрические преобразователи. Где применяются генераторные преобразователи.

Принцип работы генераторных измерительных преобразователей

Генераторные измерительные преобразователи — это устройства, которые преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в электрический сигнал (ЭДС или электрический заряд). Их основная особенность заключается в том, что они сами являются источниками электрической энергии и не требуют внешнего питания для работы.

Выходной величиной генераторных преобразователей является ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной. Это позволяет преобразовывать различные физические параметры в электрические сигналы для дальнейшей обработки и измерения.

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Термоэлектрические преобразователи, также известные как термопары, являются одним из наиболее распространенных видов генераторных преобразователей. Они используются для измерения температуры и основаны на термоэлектрическом эффекте.

Принцип действия термопары

Термопара состоит из двух разнородных проводников, соединенных между собой в двух точках, называемых спаями. Принцип ее работы основан на эффекте Зеебека — возникновении ЭДС в замкнутой цепи из разнородных проводников, если температура мест соединения различна.

При нагреве одного из спаев (рабочего) относительно другого (холодного) в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой зависит от разности температур спаев:

E = f(t1 — t2)

где E — возникающая ТЭДС, t1 — температура горячего спая, t2 — температура холодного спая.

Измерение температуры с помощью термопары

Для измерения температуры с помощью термопары необходимо:

1. Поддерживать температуру холодного спая постоянной (обычно 0°C)
2. Измерять возникающую ТЭДС с помощью милливольтметра или потенциометра
3. По градуировочной таблице или графику определять измеряемую температуру

Чем больше разница температур между горячим и холодным спаями, тем выше значение возникающей ТЭДС и, соответственно, точность измерения.

Виды и характеристики термопар

Промышленностью выпускается несколько стандартных типов термопар, различающихся материалами термоэлектродов и диапазоном измеряемых температур:

• Медь-копель (МК): -200…+100°C
• Хромель-копель (ХК): -200…+600°C
• Хромель-алюмель (ХА): -200…+1000°C
• Платинородий-платина (ПП): 0…+1300°C
• Платинородий-платинородий (ПР): +300…+1600°C
• Вольфрамрений-вольфрамрений (ВР): 0…+2200°C

Термопары из благородных металлов (ПП, ПР) обеспечивают более высокую точность измерений, но имеют высокую стоимость. Для измерения сверхвысоких температур применяются термопары ВР.

Особенности конструкции и применения термопар

Конструктивно термопары выполняются в виде двух изолированных термоэлектродов с рабочим спаем, полученным сваркой. Они помещаются в защитную арматуру для предохранения от внешних воздействий. Основные конструктивные особенности термопар:

• Наличие защитной арматуры
• Изоляция термоэлектродов
• Сварной рабочий спай
• Головка с зажимами для подключения

Термопары могут иметь разную тепловую инерционность — от долей секунды до нескольких минут. Это ограничивает их применение для измерения быстроменяющихся температур.

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи — еще один важный тип генераторных измерительных преобразователей. Они основаны на прямом пьезоэлектрическом эффекте — появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при их деформации.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей

При воздействии механической силы на пьезоэлемент на его гранях возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна приложенной силе:

Q = Kп * F

где Q — величина заряда, Kп — пьезоэлектрический модуль, F — приложенная сила.

Пьезоэффект является обратимым — при изменении направления силы меняется знак возникающих зарядов.

Материалы для пьезоэлектрических преобразователей

В качестве пьезоэлектрических материалов используются:

• Природные кристаллы (кварц, турмалин)
• Искусственные кристаллы (сегнетова соль)
• Пьезокерамика (титанат бария, цирконат-титанат свинца)

Пьезокерамика имеет более высокие пьезоэлектрические коэффициенты, но меньшую температурную стабильность по сравнению с кварцем.

Применение генераторных измерительных преобразователей

Генераторные измерительные преобразователи нашли широкое применение в различных областях измерительной техники:

• Измерение температуры (термопары)
• Измерение давления (пьезоэлектрические датчики)
• Измерение вибрации и ускорения (пьезоакселерометры)
• Измерение акустических сигналов (пьезомикрофоны)
• Измерение механических напряжений (тензодатчики)

Их основные преимущества — отсутствие необходимости в питании, высокая чувствительность и широкий динамический диапазон.

Преимущества и недостатки генераторных преобразователей

Генераторные измерительные преобразователи имеют ряд достоинств и ограничений:

Преимущества:

• Не требуют внешнего источника питания
• Простота конструкции
• Высокая надежность
• Широкий диапазон измерений

Недостатки:

• Низкий уровень выходного сигнала
• Необходимость в усилении сигнала
• Зависимость от внешних факторов (для термопар)
• Нелинейность характеристик (для некоторых типов)

Несмотря на ограничения, генераторные преобразователи остаются незаменимыми во многих областях измерительной техники благодаря своей простоте и надежности.

Заключение

Генераторные измерительные преобразователи играют важную роль в современной измерительной технике. Они позволяют преобразовывать различные физические величины в электрические сигналы без необходимости внешнего питания. Термопары и пьезоэлектрические преобразователи являются наиболее распространенными типами таких устройств, находя применение в измерении температуры, давления, вибрации и других параметров.

Понимание принципов работы и особенностей применения генераторных преобразователей необходимо для правильного выбора и эффективного использования этих устройств в различных измерительных системах. Дальнейшее развитие технологий и материалов позволит расширить возможности и улучшить характеристики генераторных преобразователей, открывая новые области их применения.

Генераторные измерительные преобразователи

Термоэлектрические преобразователи (термопары). Эти преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия термопары поясняется рис. 5.2а, где изображена термоэлектрическая цепь, составленная из двух разнородных проводников А и В. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. Если температуры t спаев 1 и 2 одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутствует. Если же температура одного из спаев (например, спая 1) выше, чем температура спая 2, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) Е, зависящая от разности температур спаев

Е=f(t₁—t₂)

Если поддерживать температуру спая 2 постоянной, то

Е=f(t₁)_. Эту зависимость используют для измерения температуры с помощью термопар. Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор включают в разрыв спая 2 (рис. б). Спай 1 называют горячим (рабочим) спаем, а спай 2 — холодным (концы — 2 и 2′ называют свободными концами).

Чтобы ТЭДС термопары однозначно определялась температурой горячего спая, необходимо температуру холодного спая поддерживать всегда одинаковой.

Для изготовления электродов термопар используют как чистые металлы, так и специальные сплавы стандартизованного состава. Градуировочные таблицы для стандартных термопар составлены при условии равенства температуры

Рис. 5.2. Термоэлектрические цепи

свободных концов 0 °С. На практике не всегда удается поддерживать эту температуру. В таких случаях в показания термопары вводят поправку на температуру свободных концов. Существуют схемы для автоматического введения поправок.

Конструктивно термопары выполняются в виде двух изолированных термоэлектродов с рабочим спаем, получаемым способом сварки, помещенных в защитную арматуру, предохраняющую термопару от внешних воздействий и повреждений. Рабочие концы термопары выведены в головку термопары, снабженную зажимами для включения термопары в электрическую цепь.

В зависимости от конструкции термопары могут иметь тепловую инерцию, характеризуемую постоянной времени от единиц секунд до нескольких минут, что ограничивает возможность их применения для измерения быстроменяющихся температур.

Кроме включения измерительного прибора в спай термопары возможно включение прибора «в электрод»; т.е. в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 5.2

в). Такое включение позволяет измерять разность температур. Например, может быть измерен перегрев обмоток трансформатора над температурой окружающей среды при его испытаниях. Для этого рабочий спай термопары заделывают в обмотку, а свободный спай оставляют при температуре окружающей среды.

Требование постоянства температуры свободных концов термопары вынуждает по возможности удалять их от места измерения. Для этой цели применяют так называемые удлиняющие или компенсационные провода КП, подключаемые к свободным концам термопары с соблюдением полярности (рис. 5.2г). Компенсационные провода составляются из разнородных проводников, которые в интервале возможных колебаний температуры свободных концов развивают в паре между между собой такую же ТЭДС, как и термопара. Максимальная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС составляет от единиц до десятков милливольт.

Пьезоэлектрические преобразователи. Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическим эффектом обладают также некоторые поляризованные керамические материалы титанат бария, цирконат-титанат свинца).

Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями, расположенными перпендикулярно оптической Оz, механической Оу и электрической Ох осям кристалла (рис. 5.3),

Рис. 5.3. Пластина из кристалла кварца

то при воздействии на пластину усилия F_x, направленного вдоль электрической оси, на гранях х появляются заряды

Q_x=K_пF_x

где К_п — пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия F_у вдоль механической оси, на тех же гранях х возникают заряды

Q_у=K_пF_уа/в,

где а и Ь — размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси появления зарядов не вызывает.

Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным: при изменении направления прилагаемого усилия знаки зарядов на поверхности граней меняются на противоположные. Материалы сохраняют свои пьезоэлектрические свойства только при температурах ниже точки Кюри.

Керамические датчики производят по технологии, обычной для радиокерамических изделий — путем прессования или литья под давлением; на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводы. Для поляризации керамические изделия помещают в сильное электрическое поле, после чего они приобретают свойства пьезоэлектриков.

Электродвижущая сила, возникающая на электродах пьезоэлектрического преобразователя, довольно значительна — единицы вольт. Однако, если сила, приложенная к преобразователю постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна и при этом период изменения силы много меньше постоянной времени разряда, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки, то процесс утечки почти не влияет на выходное напряжение преобразователя. При изменении силы F по закону F=F_m sin ωt ЭДС также изменяется синусоидальному закону.

studfile.net

Генераторные измерительные преобразователи

Описание: Термоэлектрические преобразователи термопары. Основаны на термоэлектрическом эффекте возникающем в цепи термопары. Принцип действия термопары поясняется рис. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары.

Дата добавления: 2015-01-12

Размер файла: 172.86 KB

Работу скачали: 24 чел.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

ЛЕКЦИЯ  15.

Генераторные  измерительные  преобразователи

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Термоэлектрические преобразователи (термопары).

Основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары. Эти преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия термопары поясняется рис. 15.1,а, где изображена термоэлектрическая цепь, составленная из двух разнородных проводников А и В. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. Если температуры t спаев 1 и 2 одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутствует. Если же температура одного из спаев (например, спая 1) выше, чем температура спая 2, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) Е, зависящая от разности температур спаев

Е = f(t1 – t2).      (15.1)

Если поддерживать температуру спая 2 постоянной, то

Е = f(t1).

Эту зависимость используют для измерения температуры с помощью термопар. Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор включают в разрыв спая 2 (рис. 15.1, б). Спай 1 называют горячим (рабочим) спаем, а спай 2 – холодным (концы 2 и 2’ называют свободными концами).

Чтобы ТЭДС термопары однозначно определялась температурой горячего спая, необходимо температуру холодного спая поддерживать всегда одинаковой.

Для изготовления электродов термопар используют как чистые металлы, так и специальные сплавы стандартизованного состава. Градуировочные таблицы для стандартных термопар составлены при условии равенства температуры свободных концов 0оС. На практике не всегда удается поддерживать эту температуру. В таких случаях в показания термопары вводят поправку на температуру свободных концов. Существуют схемы для автоматического введения поправок.

Конструктивно термопары выполняются в виде двух изолированных термоэлектродов с рабочим спаем, получаемым способом сварки, помещенных в защитную арматуру, предохраняющую термопару от внешних воздействий и повреждений. Рабочие концы термопары выведены в головку термопары, снабженную зажимами для включения термопары в электрическую цепь.

В табл. 15.1 приведены характеристики термопар, выпускаемых промышленностью. Для измерения высоких температур применяют термопары ПП, ПР и ВР. Термопары из благородных металлов используют при измерении с повышенной точностью.

В зависимости от конструкции, термопары могут иметь тепловую инерцию, характеризуемую постоянной времени от секунд до нескольких минут, что ограничивает возможность их применения для измерения быстроменяющихся температур.

Кроме включения измерительного прибора в спай термопары возможно включение прибора в «электрод», т.е. в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 15.1, в). Такое включение, в соответствии с (15.1), позволяет измерять разность температур t1 – t2. Например, может быть измерен перегрев обмоток трансформатора над температурой окружающей среды при его испытаниях. Для этого рабочий спай термопары заделывают в обмотку, а свободный спай оставляют при температуре окружающей среды.

Т а б л и ц а 15.1. Характеристики термопар

Термопара	Обозначение	Диапазон применения, оС
Медь – копель	МК	-200…100
Хромель – копель	ХК	-200…600
Хромель – алюмель	ХА	-200…1000
Платинородий (10% Rh) – платина	ПП	0…1300
Платинородий (30% Rh) – платинородий (6% Rh)	ПР	300…1600
Вольфрамрений (5% Re) – вольфрамрений (20% Re)	ВР	0…2200

Требование постоянства температуры свободных концов термопары вынуждает по возможности удалять их от места измерения. Для этой цели применяют так называемые удлиняющие или компенсационные провода КП, подключаемые к свободным концам термопары с соблюдением полярности (рис. 15.1,г). Компенсационные провода составляются из разнородных проводников, которые в интервале возможных колебаний температуры свободных концов развивают в паре между собой такую же ТЭДС, как и термопара. Поэтому, если места подключения компенсационных проводов находятся при температуре t2, а температура в месте подключения термопары к прибору t0, то ТЭДС термопары будет соответствовать ее градуировке при температуре свободных концов t0.

Максимальная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС составляет от единиц до десятков милливольт.

Для измерения ТЭДС могут применяться магнитоэлектрические, электронные (аналоговые и цифровые) милливольтметры и потенциометры постоянного тока. При использовании милливольтметров магнитоэлектрической системы следует иметь в виду, что измеряемое милливольтметром напряжение на его зажимах

U = IRV,

где I – ток в цепи термопары, а RV – сопротивление милливольтметра.

Так как источником тока в цепи является термопара, то

I = E/(RV+RВН),

где RВН – сопротивление участка цепи внешнего по отношению к милливольтметру (т.е. электродов термопары и компенсационных проводов). Поэтому измеряемое милливольтметром напряжение будет равно

U = E/(1+RВН/RV).

Таким образом, показания милливольтметра тем больше отличаются от ТЭДС термопары, чем больше отношение RBH/RV. Для уменьшения погрешности от влияния внешнего сопротивления милливольтметры, предназначенные для работы с термопарами (так называемые пирометрические милливольтметры) градуируются для конкретного типа термопар и при определенном номинальном значении RBH, указываемом на шкале прибора. Пирометрические милливольтметры серийно выпускаются классов точности от 0.5 до 2.0.

Входное сопротивление электронных милливольтметров очень велико, и влияние сопротивления RBH  на показания пренебрежимо мало.

Пьезоэлектрические преобразователи.

Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическим эффектом обладают также некоторые поляризованные керамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца).

Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями, расположенными перпендикулярно оптической 0z, механической 0y и электрической 0х осям кристалла (рис. 15.2), то при воздействии на пластинку усилия Fх, направленного вдоль электрической оси, на гранях х появляются заряды

Qx = KпFx,      (15.2)

где Кп – пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия Fу вдоль механической оси, на тех же гранях х возникают заряды

Qy = KпFy a/b,

где а и b – размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси появления зарядов не вызывает.

Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным; при изменении направления прилагаемого усилия знаки зарядов на поверхности граней меняются на противоположные. Материалы сохраняют свои пьезоэлектрические свойства только при температурах ниже точки Кюри.

Величина пьезоэлектрического коэффициента (модуля) Кп и температура точки Кюри для кварца и распространенных керамических пьезоэлектриков приведены в табл. 15.2.

Изотовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические датчики производят по технологии, обычной для радиокерамических изделий – путем прессования или литья под давлением; на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводы. Для поляризации керамические изделия помещают в сильное электрическое поле, после чего они приобретают свойства пьезоэлектриков.

Электродвижущая сила, возникающая на электродах пьезоэлектрического преобразователя, довольно значительна – единицы вольт. Однако, если сила, приложенная к преобразователю, постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна и при этом период изменения силы много меньше постоянной времени разряда, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки, то процесс утечки почти не влияет на выходное напряжение преобразователя. При изменении силы F по закону F = Fmsin t ЭДС также изменяется синусоидально.

Таким образом, измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в переменную силу, действующую на пьезоэлектрический преобразователь, сводится к измерению переменного напряжения или ЭДС.

Т а б л и ц а  15.2. Параметры кварца и керамических пьезоэлектриков

Материал (марка)	Кп, Кл/Н	Точка Кюри, оС
Кварц Титанат бария (ТБ-1) Цирконат-титанат свинца (ЦТС-19)	2.3х10-12 70.0х10-12 119.0х10-12	530 120 290

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи находят широкое применение для измерения параметров движения: линейного и вибрационного ускорения, удара, акустических сигналов.

Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя представлена на рис. 15.3,а) в виде генератора с внутренней емкостью С. Поскольку мощность такого пьезоэлемента чрезвычайно мала, то для измерения выходного напряжения необходимо применять приборы с большим входным сопротивлением (1011…1015 Ом).

Для увеличения полезного сигнала пьезодатчики выполняются из нескольких, последовательно соединенных элементов.

Устройство пьезоэлектрического датчика для измерения вибрационного ускорения показано на рис. 15.3,б). Пьезоэлемент (обычно из пьезокерамики), нагруженный известной массой m, помещен в корпус 1 и через выводы 2 включен в цепь электронного милливольтметра V. Подставив в формулу для возникающего на гранях заряда выражение F = ma, где а – ускорение, и учтя (15.2), получим

    U = Ku a,

где Ku – коэффициент преобразования датчика по напряжению.

PAGE  6

EMBED Visio.Drawing.6  

EMBED Visio.Drawing.6  

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>

6172. ЛекцияПараметрические измерительные преобразователи137.84 KB  Параметрические измерительные преобразователи Термометры сопротивления. Термометры сопротивления как и термопары предназначены для измерения температуры газообразных твердых и жидких тел а также температуры поверхности…2366. ЛекцияПАССИВНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ782.49 KB  Первичные измерительные преобразователи тока. К измерительным органам ток обычно подводится от первичных измерительных преобразователей тока обеспечивающих изоляцию цепей тока измерительных органов от высокого напряжения и позволяющих получить стандартное значение вторичного тока независимо от номинального первичного тока. Наибольшее распространение получили измерительные трансформаторы тока ТА. В системах электроснабжения применяют также измерительные преобразователи тока названные магнитными трансформаторами тока МТТ.9450. ЛекцияПреобразователи частоты105.95 KB 3 Преобразователи частоты 2.1 Принципы построения преобразователей частоты Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра полезного сигнала по оси частот.1 приведен пример изменений тонально модулированного колебания во временной и частотной областях при преобразовании частоты “внизâ€. Из рисунка видно что полезная информация которая заключена в амплитуде начальной фазе и частоте огибающей при преобразовании частоты не изменилась.6176. ЛекцияАналого-цифровые преобразователи503.8 KB  Задача АЦП автоматически трансформировать бесконечное множество возможных значений входной аналоговой величины в конечное множество в ограниченный набор цифровых эквивалентов кодов. Разрядность АЦП его погрешности чувствительность быстродействие надежность в значительной мере определяют окончательную достоверность результатов измерения и регистрации возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом. В любом АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части В цифровой части производится кодирование сравнение…21709. РефератУЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ34.95 KB  Они могут быть использованы для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. В качестве материалов для преобразователей применяются вещества с сильно выраженной связью упругого и электрического или магнитного состояний. выше порога слышимости для человеческого уха то такие колебания называют ультразвуковыми УЗК. Для получения УЗ-колебаний применяют пьезоэлектрические магнитострикционные электромагнитно-акустические ЭМА и другие преобразователи.6187. ЛекцияИнформационно-измерительные системы97.21 KB  Для этого применяется специальный вид средства измерения – информационно-измерительные системы ИИС. В зависимости от назначения ИИС подразделяются на: системы сбора измерительной информации от исследуемого объекта; такие системы часто называют просто измерительными системами; системы автоматического контроля предназначенные для контроля за работой разного рода машин агрегатов или технологических процессов; системы технической диагностики предназначенные для выявления технической неисправности различных изделий; телеизмерительные…14703. ЛекцияКонтрольно-измерительные приборы автомобиля1.08 MB  Для измерения уровня жидкости в частности бензина в баке применяются поплавковые реостатные датчики устройство которых показано на рис. Измерение температуры производится терморезистивными датчиками типа ТМ100А показанного на рис. Если требуется отслеживать некоторое фиксированное значение температуры то применяют термобиметаллические датчики рис. рис.17380. РефератИзмерительные трансформаторы напряжения и тока74.9 KB  Измерительные трансформаторы тока. Введение Трансформатор тока представляет собой аппарат первичная обмотка которого включена в цепь последовательно. В трансформаторах тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной и от земли на полное рабочее напряжение.17496. КонтрольнаяАвтоматизация измерений. Информационно-измерительные приборы и системы610.27 KB Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов измерительной информации стала одной из основных причин появления таких средств измерений как информационно-измерительные приборы виртуальные приборы и измерительные системы ИС. Автоматизированными средствами…20275. КурсоваяЭлектромеханические измерительные приборы. Общие сведения и классификация. Условные обозначения на шкалах приборов81.28 KB  Мерой называется средство измерения предназначенная для воспроизведения физической величины заданного размера значения. представляют собой объединение однозначных и многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений измеряемой величины магазин мер набор мер конструктивно объединенных в одно целое переключающим устройством для воспроизведения ряда одноименных величин различного значения размера. Эталон – это средство измерения предназначенное для воспроизведения и или хранения…

refleader.ru

Генераторные измерительные преобразователи

ЛЕКЦИЯ 15.

 

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Термоэлектрические преобразователи (термопары).

Основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары. Эти преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия термопары поясняется рис. 15.1,а, где изображена термоэлектрическая цепь, составленная из двух разнородных проводников А и В. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. Если температуры t спаев 1 и 2 одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутствует. Если же температура одного из спаев (например, спая 1) выше, чем температура спая 2, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) Е, зависящая от разности температур спаев

Е = f(t₁ – t₂). (15.1)

Если поддерживать температуру спая 2 постоянной, то

Е = f(t₁).

Эту зависимость используют для измерения температуры с помощью термопар. Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор включают в разрыв спая 2 (рис. 15.1, б). Спай 1 называют горячим (рабочим) спаем, а спай 2 – холодным (концы 2 и 2’ называют свободными концами).

Чтобы ТЭДС термопары однозначно определялась температурой горячего спая, необходимо температуру холодного спая поддерживать всегда одинаковой.

 

 

Для изготовления электродов термопар используют как чистые металлы, так и специальные сплавы стандартизованного состава. Градуировочные таблицы для стандартных термопар составлены при условии равенства температуры свободных концов 0^оС. На практике не всегда удается поддерживать эту температуру. В таких случаях в показания термопары вводят поправку на температуру свободных концов. Существуют схемы для автоматического введения поправок.

Конструктивно термопары выполняются в виде двух изолированных термоэлектродов с рабочим спаем, получаемым способом сварки, помещенных в защитную арматуру, предохраняющую термопару от внешних воздействий и повреждений. Рабочие концы термопары выведены в головку термопары, снабженную зажимами для включения термопары в электрическую цепь.

В табл. 15.1 приведены характеристики термопар, выпускаемых промышленностью. Для измерения высоких температур применяют термопары ПП, ПР и ВР. Термопары из благородных металлов используют при измерении с повышенной точностью.

В зависимости от конструкции, термопары могут иметь тепловую инерцию, характеризуемую постоянной времени от секунд до нескольких минут, что ограничивает возможность их применения для измерения быстроменяющихся температур.

Кроме включения измерительного прибора в спай термопары возможно включение прибора в «электрод», т.е. в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 15.1, в). Такое включение, в соответствии с (15.1), позволяет измерять разность температур t₁ – t₂. Например, может быть измерен перегрев обмоток трансформатора над температурой окружающей среды при его испытаниях. Для этого рабочий спай термопары заделывают в обмотку, а свободный спай оставляют при температуре окружающей среды.

 

Т а б л и ц а 15.1. Характеристики термопар

 

Термопара	Обозначение	Диапазон применения, оС
Медь – копель	МК	-200…100
Хромель – копель	ХК	-200…600
Хромель – алюмель	ХА	-200…1000
Платинородий (10% Rh) – платина	ПП	0…1300
Платинородий (30% Rh) – платинородий (6% Rh)	ПР	300…1600
Вольфрамрений (5% Re) – вольфрамрений (20% Re)	ВР	0…2200

 

Требование постоянства температуры свободных концов термопары вынуждает по возможности удалять их от места измерения. Для этой цели применяют так называемые удлиняющие или компенсационные провода КП, подключаемые к свободным концам термопары с соблюдением полярности (рис. 15.1,г). Компенсационные провода составляются из разнородных проводников, которые в интервале возможных колебаний температуры свободных концов развивают в паре между собой такую же ТЭДС, как и термопара. Поэтому, если места подключения компенсационных проводов находятся при температуре t₂, а температура в месте подключения термопары к прибору t₀, то ТЭДС термопары будет соответствовать ее градуировке при температуре свободных концов t₀.

Максимальная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС составляет от единиц до десятков милливольт.

Для измерения ТЭДС могут применяться магнитоэлектрические, электронные (аналоговые и цифровые) милливольтметры и потенциометры постоянного тока. При использовании милливольтметров магнитоэлектрической системы следует иметь в виду, что измеряемое милливольтметром напряжение на его зажимах

U = IR_V,

где I – ток в цепи термопары, а R_V – сопротивление милливольтметра.

Так как источником тока в цепи является термопара, то

I = E/(R_V+R_ВН),

где R_ВН – сопротивление участка цепи внешнего по отношению к милливольтметру (т.е. электродов термопары и компенсационных проводов). Поэтому измеряемое милливольтметром напряжение будет равно

U = E/(1+R_ВН/R_V).

Таким образом, показания милливольтметра тем больше отличаются от ТЭДС термопары, чем больше отношение R_BH/R_V. Для уменьшения погрешности от влияния внешнего сопротивления милливольтметры, предназначенные для работы с термопарами (так называемые пирометрические милливольтметры) градуируются для конкретного типа термопар и при определенном номинальном значении R_BH, указываемом на шкале прибора. Пирометрические милливольтметры серийно выпускаются классов точности от 0.5 до 2.0.

Входное сопротивление электронных милливольтметров очень велико, и влияние сопротивления R_BH на показания пренебрежимо мало.

Пьезоэлектрические преобразователи.

Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическим эффектом обладают также некоторые поляризованные керамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца).

Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями, расположенными перпендикулярно оптической 0z, механической 0y и электрической 0х осям кристалла (рис. 15.2), то при воздействии на пластинку усилия F_х, направленного вдоль электрической оси, на гранях х появляются заряды

Q_x = K_пF_x, (15.2)

где К_п – пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия F_у вдоль механической оси, на тех же гранях х возникают заряды

Q_y = K_пF_y a/b,

где а и b – размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси появления зарядов не вызывает.

Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным; при изменении направления прилагаемого усилия знаки зарядов на поверхности граней меняются на противоположные. Материалы сохраняют свои пьезоэлектрические свойства только при температурах ниже точки Кюри.

Величина пьезоэлектрического коэффициента (модуля) К_п и температура точки Кюри для кварца и распространенных керамических пьезоэлектриков приведены в табл. 15.2.

Изотовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические датчики производят по технологии, обычной для радиокерамических изделий – путем прессования или литья под давлением; на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводы. Для поляризации керамические изделия помещают в сильное электрическое поле, после чего они приобретают свойства пьезоэлектриков.

Электродвижущая сила, возникающая на электродах пьезоэлектрического преобразователя, довольно значительна – единицы вольт. Однако, если сила, приложенная к преобразователю, постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна и при этом период изменения силы много меньше постоянной времени разряда, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки, то процесс утечки почти не влияет на выходное напряжение преобразователя. При изменении силы F по закону F = F_msin wt ЭДС также изменяется синусоидально.

Таким образом, измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в переменную силу, действующую на пьезоэлектрический преобразователь, сводится к измерению переменного напряжения или ЭДС.

 

Т а б л и ц а 15.2. Параметры кварца и керамических пьезоэлектриков

 

Материал (марка)	Кп, Кл/Н	Точка Кюри, оС
Кварц Титанат бария (ТБ-1) Цирконат-титанат свинца (ЦТС-19)	2.3х10-12 70.0х10-12 119.0х10-12

 

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи находят широкое применение для измерения параметров движения: линейного и вибрационного ускорения, удара, акустических сигналов.

Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя представлена на рис. 15.3,а) в виде генератора с внутренней емкостью С. Поскольку мощность такого пьезоэлемента чрезвычайно мала, то для измерения выходного напряжения необходимо применять приборы с большим входным сопротивлением (10¹¹…10¹⁵ Ом).

Для увеличения полезного сигнала пьезодатчики выполняются из нескольких, последовательно соединенных элементов.

Устройство пьезоэлектрического датчика для измерения вибрационного ускорения показано на рис. 15.3,б). Пьезоэлемент (обычно из пьезокерамики), нагруженный известной массой m, помещен в корпус 1 и через выводы 2 включен в цепь электронного милливольтметра V. Подставив в формулу для возникающего на гранях заряда выражение F = ma, где а – ускорение, и учтя (15.2), получим

U = K_u a,

где K_u – коэффициент преобразования датчика по напряжению.

 

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

poisk-ru.ru

Генераторный преобразователь — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Генераторный преобразователь

Cтраница 1

Генераторные преобразователи по сравнению с параметрическими преобразователями образуют менее многочисленную группу.  [1]

Другие генераторные преобразователи описаны Вудкоком.  [2]

Различают параметрические и генераторные преобразователи. В первых измеряемая неэлектрическая величина вызывает изменение одного из электрических параметров элемента электрической цепи, которым является преобразователь, во вторых она преобразуется в ЭДС.  [3]

Использование генераторных преобразователей в приемной части волнографа более выгодно, чем гидравлических, поскольку первые не нуждаются в источниках питания. Наиболее перспективен электрокинетический преобразователь ( ЭКП), работа которого основана на создании потенциала при движении жидкости через пористую перегородку. Природа электрокинетических явлений связана с тем, что на границе раздела фаз различных жидкостей имеется двойной электрический слой, являющийся причиной скачка потенциала на этой границе. Внутреннее электрическое сопротивление преобразователя имеет преимущественно активный характер, поэтому ЭКП не зависит от частоты. Благодаря этому ЭКП по сравнению с другими генераторными датчиками имеет более широкий рабочий диапазон частот, охватывающий область от тысячных долей герца до ультразвуковых частот.  [5]

Уравнения емкостного генераторного преобразователя ( рис. 7.1) могут быть получены исходя из следующих соображений.  [6]

К генераторным преобразователям относятся такие, которые для своей работы не требуют постороннего источника питания.  [7]

В генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.  [9]

В генераторных преобразователях энергия, необходимая для формирования выходной величины и, отбирается у измеряемого объекта. К преобразователям этого типа относятся пьезоэлектрические, генераторные магнитоупругие, а также электродинамические преобразователи, причем последние в силоизмерительной технике практически не используются.  [10]

В генераторных преобразователях энергия, необходимая для создания выходной величины, отбирается у измеряемого объекта. У генераторных датчиков постоянная электрическая мощность может отбираться только тогда, когда источник силы обеспечивает необходимое непрерывное питание. Такое состояние возможно лишь в том случае, когда существуют временные изменения измеряемой силы.  [11]

В генераторных преобразователях энергия, необходимая для создания выходной величины, отбирается у измеряемого объекта. У генераторных датчиков постоянная электрическая мои-ность может отбираться только тогда, когда источник силы обеспечивает необходимое непрерывное питание. Такое состояние возможно лишь в том случае, когда существуют временные изменения измеряемой силы.  [12]

В генераторных преобразователях индукционного типа измеряемая неэлектрическая величина, например, скорость, линейные или угловые перемещения преобразуются в эдс. Например, индукционный тахометр, служащий для измерения частоты вращения, преобразует измеряемую величину в пропорциональную ей эдс.  [13]

Принцип работы генераторных преобразователей основан на электрических явлениях в твердых телах, заключающихся в появлении электрических сигналов в твердых телах при внешних воздействиях.  [14]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Генераторные преобразователи

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС, возникающая в результате действия входной величины. К числу генераторных относятся пьезоэлектрические и индукционные преобразователи.

Пьезоэлектрические преобразователи

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на явлении пьезоэффекта, который возникает в результате взаимодействия между электрическими и механическими свойствами некоторых диэлектрических материалов, называемых пьезоэлектриками. Различают прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.

Прямой пьезоэффект проявляется в возникновении электрических зарядов на гранях пьезоэлектриков под влиянием механических напряжений и исчезновении зарядов после снятия внешней нагрузки.

Обратный пьезоэффект заключается в изменении формы и геометрических размеров пьезоэлектриков, помещенных в электрическое поле.

Способность различных материалов к пьезоэффекту характеризуется пьезоэлектрической постоянной К_ПЭ, численно равной величине заряда (в кулонах), возникающего при действии внешней силы в 1 Н. Наиболее сильно пьезоэлектрический эффект выражен у сегнетоэлектриков – кристаллических веществ с аномально высокой диэлектрической проницаемостью и аномально большими значениями К_ПЭ (сегнетова соль, кварц, турмалин и др.).

В промысловой геофизике пьезоэлектрические преобразователи используют для изучения особенностей распространения упругих колебаний в околоскважинном пространстве.

Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются простотой конструкции и малыми размерами, однако их применение в условиях скважины невозможно без жесткой оболочки, защищающей чувствительный элемент от механических повреждений, проникновения промывочной жидкости, контакт с которой приводит к замыканию электродов преобразователя, уменьшения гидростатического давления и т.п.

В аппаратуре акустического каротажа пьезоэлектрические преобразователи используют преимущественно в качестве приемников упругих волн. В скважинном акустическом телевизоре, а также акустических каверномерах и профилемерах они служат приемоизлучателями.

Индукционные преобразователи

Принцип действия индукционных преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции, которая возникает при движении катушки в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом. При применении магнитного потока Ф, сцепленного с витками катушки, в ней индуцируется ЭДС

,

где w – число витков катушки.

Таким образом, входной величиной х индукционного преобразователя является скорость линейных или угловых перемещений.

По принципу действия индукционные преобразователи подразделяются на две группы. В преобразователях первой группы (рис а) сопротивление на пути магнитного потока остается постоянным, а изменение индуцированной ЭДС определяется перемещениями катушки 2 и магнита 1 относительно друг друга.

В преобразователях второй группы катушка 2 и магнит 1 неподвижны, а величина индуцированной эдс определяется изменением магнитного потока в результате изменения сопротивления магнитной цепи. Это изменение обычно осуществляет кольцо 3 (рис. б) или якорь 4 (рис. в) из ферромагнитного материала, связанные с изучаемым объектом.

Рис. Индукционные преобразователи первой (а) и второй (б, в) групп

К индукционным преобразователям относятся сельсины и тахогенераторы, применяющиеся в геофизической практике соответственно для дистанционной передачи вращения мерного ролика блок-баланса и контроля скорости перемещения приборов (зондов) по стволу скважины. Тахогенераторы используют также в некоторых типах автоматических потенциометров.

studfile.net

58. Параметрические измерительные преобразователи.

1)Реостатные

Это устр-ва, в которых под действ-м механического перемещения движок реостата перемещается, в результате чего меняется сопротивление:

R=f(α)

2) Тензорезисторы

Используются для контроля малых механ-х перемещений (на мостах, зданих)

Применяются для измерения давления. Такие датчики характеризуются относительной тензочувствительностью:

3) Электростатические преобразователи (емкостные):

Можно измерять уровень жидкости в баке:

(С₀-С₁)≈h

4) Индуктивные

Конструктивно выглядят следующим образом:

W – колич-во витков в катушке,

ω – частота,

R_H – сопротивление затвора(???)

R_M– сопротивление магнитопровода(?)

59. Генераторные измерительные преобразователи

1) Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления, скорости и ускорения

В основе работы таких приборов лежит следующее: Если на кристалл

оказывается давление, то на его поверхности создается заряд:

Это прямой пьезоэффект. Если же подать на пластину ток, то она изменит свои размеры – это обратный пьезоэффект.Прямой пьезодатчик – датчик давления, силы и т.п.(d11 – пьезомодуль).

2) Термоэлектрические преобразователи

θ₁— θ₂=Е_(БВ)

Е_(БВ)≈f(θ₁— θ₂)

Это называется термопарой. В качестве материала может быть никель, хром.

КПД таких термопар невысок, но достоинство их состоит в том, что они просты, позволяют измерять температуры от 0К до тысяч К.

60. Измерительные цепи для работы параметрических преобразователей.

Простейшей является цепь последовательных включений.

Недостаток – нелинейная зависимость.

Для устранения нелинейности :

1. используют градуировочные таблицы;

2. Используется нелинейная шкала;

3. Работают на малых участках, чтобы зависимость была близка линейной.

Вопрос 61. Автоматизация измерений и контроля. Измерительные вычислительные и измерительные информационные системы.

Необходимость измерения и обработки информации в небольшой промежуток времени, которая появляется в процессе производства, в науке и др. потребовало создания таких средств измерения, которые могли бы производить такие измерения и контроль при одновременном исключении из результата погрешностей.

1. Необходимо, чтобы все настройки и регулировки происходили автоматически

2. Необходимо все косвенные методы заменить прямыми.

3. Создание многофункциональных приборов

4. Разработка панорамных измерительных приборов.

5. Применение процессоров.

6. Разработка измерительных вычислительных комплексов (ИВК).

7. Разработка информационных измерительных систем (ИИС).

Под ИВК понимается автоматизированное средство измерения, управляемое процессором.

Структура ИВК:

Кол – во измеряемых параметров на исследуемом объекте может быть от нескольких единиц до нескольких сотен, а число исследуемых объектов может быть от одного до нескольких сотен. Часто объекты исследования могут быть рассредоточены в пространстве, в этом случае используют многоуровневые ИВК.

Для ИИС характерны не только регистрация, сбор и переда измерений на обработку, но и проведение измерительных экспериментов при активном воздействии на объект исследования. В этом случае оператору предоставлена возможность вмешиваться в работу (в режиме диалога). Обобщенная схема ИИС:

Для ИИС характерны не только регистрация, сбор и переда измерений на обработку, но и проведение измерительных экспериментов при активном воздействии на объект исследования. В этом случае оператору предоставлена возможность вмешиваться в работу (в режиме диалога). Обобщенная схема ИИС:

Разнообразие ИИС и условий их функционирования потребовало агрегатного способа конструирования ИИС из агрегатных узлов. Типовые устройства ИИС определяют ??? и используемых ИВК.

К типовым устройствам могут относится:

1) Датчики – воспринимающие измеряемые величины от объекта и преобразующие их в некоторый параметр выходного сигнала .

2) Нормализующие преобразователи, необходимые для преобразования неунифицированных сигналов в унифицированные.

3) АЦП – преобразующий в код временные или амплитудные сигналы

4) Коммутаторы – осуществляющие поочередное подключение выходных сигналов с датчиков на общий выход.

5) Линии связи для передачи данных в цифровой или аналоговой форме.

6) Процессоры (ЭВМ) со всеми периферийными устройствами.

studfile.net

1 Цель работы

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра метрологии и стандартизации

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе Э.6А

«ГЕНЕРАТОРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ»

для студентов электро- и радиотехнических специальностей

Минск 2000

УДК 621.317.39

Методические указания к лабораторной работе Э.6А «Генераторные измерительные преобразователи» для студентов электро- и радиотехнических специальностей / Сост. В.Т.Ревин. — Мн.: БГУИР — 27 с.

Методические указания к лабораторной работе Э.6А «Генераторные измерительные преобразователи» для студентов радиотехнических специальностей содержат цель работы, краткие сведения из теории, описание лабораторной установки и приборов, используемых при выполнении лабораторной работы, лабораторное задание и порядок выполнения работы, а также указания по оформлению отчета, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы. В них рассмотрены основные виды генераторных измерительных преобразователей (термоэлектрические и фотоэлектрические), их основные характеристики и схемы включения в измерительную цепь с целью создания измерительных приборов для измерения неэлектрических величин. Предусмотрена оценка погрешности полученных результатов преобразования и сравнительная метрологическая характеристик приборов для измерения неэлектрических величин, в основу работы которых положены рассмотренные измерительные преобразователи.

Ил. 13, табл.12, список лит. — 5 назв.

Составитель: Ревин В.Т.

© Составление Ревин В.Т., 2000

1.1 Изучение принципа действия, конструкции и основных характеристик термоэлектрических и фотоэлектрических измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

1.2 Изучение методов измерения неэлектрических величин с помощью термоэлектрических и фотоэлектрических измерительных преобразователей.

1.3 Практическое определение основных технических и метрологических характеристик генераторных измерительных преобразователей и измерение с их помощью неэлектрических величин (температуры и скорости вращения вала двигателя).

2 Краткие сведения из теории

Особенностью электрических средств измерений, предназначенных для измерения неэлектрических величин, является обязательное наличие первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую. Первичный измерительный преобразователь (ПИП) устанавливает однозначную функциональную зависимость естественной выходной величины а от естественной входной величины X. В генераторных измерительных преобразователях естественной выходной величиной являются ЭДС, ток или напряжение выходного сигнала, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

К генераторным измерительным преобразователям относятся термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, гальванические и индукционные преобразователи. В данной лабораторной работе рассматриваются термоэлектрические и фотоэлектрические измерительные преобразователи, которые используются для измерения температуры и скорости вращения физических объектов.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на термоэлектрическом эффекте, открытым в 1823 году Зеебеком, и заключается в следующем. При разности температур точек 1, 2 параллельного соединения двух различных проводников (или полупроводников) А и Б (рисунок 2.1) в цепи будет протекать ток под воздействием термо-ЭДС. Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой; проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.

Термо-ЭДС определяется разностью функций температур спаев термоэлектродов

Е_АБ(₁, ₂) = f(₁) — f(₂), (2.1)

а ее значение зависит только от типа термоэлектродов, образующих термопару, и разности температур спаев. При неизменной температуре, например, точки соединения 2 (₂ = const), Е_АБ⁼ f(₁) — С = f₁(₁), где ₁ — температура точки соединения 1; С = f(₂). Эту зависимость используют в термоэлектрических преобразователях при измерении температуры различных объектов.

Рисунок 2.1

Рисунок 2.2

Рисунок 2.3

Для измерения термо-ЭДС измерительный прибор включается в цепь термопары (рисунок 2.2 и 2.3). Точку соединения термоэлектродов 1 называют рабочим спаем, а точку 2 — свободным или холодным спаем. Чтобы термо-ЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего спая, температуру свободного спая термопары необходимо поддерживать одинаковой и неизменной.

Градуировку (определение функции преобразования) термоэлектрических преобразователей производят при температуре свободного спая 0 °С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при температуре холодных спаев, равных 0 °С. При практическом применении термоэлектрических преобразователей температура холодных спаев термопары обычно не равна 0° С и поэтому в результат измерения термо-ЭДС необходимо вводить поправку.

Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используют в основном специальные сплавы. В таблице 2.1 приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616-74. Для измерения высоких температур используют термопары ТПП, ТПР и ТВР. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют при измерениях с повышенной точностью. В остальных случаях применяют термопары из неблагородных металлов (ТХА и ТХК).

Для удобства стабилизации температуры свободных спаев термопару удлиняют с помощью так называемых удлинительных проводов, выполненных либо из соответствующих термоэлектродных материалов, либо из специально подобранных материалов, более дешевых, чем термоэлектродные, и удовлетворяющих условию термоэлектрической идентичности с основной термопарой в диапазоне возможных температур свободных спаев (обычно от 0 °С до 100 °С). Иначе говоря, удлинительные провода должны иметь в указанном интервале температур такую же зависимость термо-ЭДС от температуры, как и у основной термопары.

Так для термопары планиродий — платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную основной термопаре в диапазоне температур до 150 °С. Для термопары хромель-алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана. Для термопары хромель-копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводников. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает весьма существенная погрешность.

Таблица 2.1 – Основные типы термоэлектрических преобразователей

Тип термопары	Материалы электродов термопар	Термо-ЭДС (при Р.С = 100 °С, С.С = 0 °C), мB	Верхний предел измеряемой температуры, °С
			Длительно	Кратковременно
ТПП	Платинородий (10 % родия) -платина	0,64	1300	1600
ТПР	Платинородий (30 % родия) -платинородий (6 % родия	13,81 (при Р.С = = 1800°С)	1600	1800
ТХА	Хромель (90% Ni + 10% Сг) -алюмель (94,83 % Ni + 2 % А1 + 2 % Мп + 1 % Si + 0,17 % Fe)	4,10	1000	1300
ТХК	Хромель — копель (56 % Си + 44 % Ni)	6,90	600	800
ТВР	Вольфрамрений (5 % рения) -вольфрамрений (20 % рения)	1,33	2200	2500

Примечание. _Р.С — температура рабочего спая; _С.С — температура свободного спая.

Одним из источников погрешности термоэлектрического преобразователя является несоответствие температуры свободного спая термопары температуре, при котором проводилась ее градуировка (₀ С). Если температура свободного спая ₁ будет отличаться от температуры ₀ С, то термо-ЭДС Е_ИЗМ будет отличаться от термо-ЭДС Е_ТР, что приведет к возникновению систематической погрешности измерения температуры. Для ее исключения необходимо внести поправку, определение численного значения которой основано на третьем свойстве термоэлектрических преобразователей [4] и приближенно может быть вычислена по следующей формуле:

 = k(₁ – ₀), (2.2)

где k — коэффициент, зависящий от измеряемой температуры и вида термопары.

Для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах от 0,8 до 1; для хромель-алюмелиевой — в пределах от 0,98 до 1,11; для платинородий-платиновой — в пределах от 0,82 до 1,11. При малых значениях  = k(₁ — ₀) в ряде случаев можно принять k = 1. Это позволяет вводить поправку в показания измерительного прибора с помощью корректировки нуля.

Погрешность, обусловленная изменением температуры свободных концов термопары.

Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического термометра температура свободных спаев будет отличаться от 0 °С на значение +₀, то измеренная термо-ЭДС будет меньше и необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.

Однако из-за нелинейности зависимости ЭДС термопары и температуры рабочего спая поправка  к показаниям указателя ’ не будет равна температуре ₀ свободного спая (рисунок 2.4). Для определения температуры необходимо воспользоваться градуировочной таблицей для данной термопары, определить ЭДС Е как Е = Е_ИЗМ + E(₀) и затем по скорректированному таким образом значению Е найти .

Рисунок 2.4 – Определение погрешности термопары из-за влияния

температуры свободного спая

Для введения поправки на температуру свободных спаев применяется устройство, приведенное на рисунке 2.5. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор R_, помещенный в непосредственной близости от свободного спая термопары (остальные плечи v моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре ₀ мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры свободного спая сопротивление R_ изменяется, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста компенсирует уменьшение термо-ЭДС термопары. Уравновешивание моста при температуре терморезистора, равной нулю, производится изменением сопротивления одного из манганиновых резисторов. Изменение выходного напряжения U_ВЫХ моста при температуре терморезистора  до значения, равного уменьшению термоЭДС Е, производится изменением напряжения питания моста, т.е. сопротивления R. При этом должно выполняться равенство U_ВЫХ() — Е() = 0. Вследствие нелинейности характеристики термопар полной коррекции погрешности при помощи описываемого устройства получить не удается, однако погрешность существенно уменьшается.

Рисунок 2.5 – Введение поправки на температуру свободного спая термопары

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, преобразователи с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи последних двух типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относят вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и фотокатод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света происходит эмиссия электронов. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток, который называется фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е = vh, где v – частота света; h – постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота v_ГР = Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ей длина волны (с — скорость света) – длинноволновым порогом фотоэффекта. Если > _ГР, то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости, в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области; например для сернисто-свинцовых _ГР = 2,7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

, (2.3)

где 1_Ф – фототек, U – напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

, (2.4)

где R_T – темновое сопротивление, т.е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R₂₀₀ – сопротивление преобразователя при освещенности, равной 200 лк.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фоторезисторов линейна, т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Инерционность преобразователей характеризуется постоянной времени . У сернисто-кадмиевых преобразователей  лежит в пределах от 1 до 140 мс, у селенисто-кадмиевых – от 0,5 до 20 мс.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность, однако их сопротивление зависит от температуры. Для уменьшения температурной погрешности два идентичных фотоэлектрических преобразователя включаются в смежные плечи мостовой измерительной цепи.

Фотогальванические преобразователи представляют собой фотоэлектронные приборы с р-n переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в n-слое. Это приводит к усилению их диффузии к р-n переходу и в самом переходе. У диода, подключенного к запирающему напряжению (рисунок 2.6), под действием света возрастает обратный ток.

Вольт-амперная характеристика германиевого фотодиода приведена на рисунке 2.7. При отсутствии освещения она не отличается от характеристики обычного диода, а при освещении смещается вверх пропорционально значению светового потока. Наиболее распространены германиевые и кремниевые фотодиоды. Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых фотодиодов до _ГР = 2 мкм, для кремниевых фотодиодов до _ГР = 1,2 мкм).

Рисунок 2.6 – Схема включения фотодиодного преобразователя

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь включают в измерительную цепь, и фотодиод работает как параметрический измерительный преобразователь. Под действием света изменяется его сопротивление, что приводит к увеличению обратного тока через него. В генераторном режиме фотодиод сам является источником тока и включается в измерительную цепь, приведенную на рисунке 2.6.

_

Рисунок 2.7

Фотоэлектрические преобразователи нашли широкое применение для измерения неэлектрических величин. Основными их достоинствами являются: возможность проведения измерений без непосредственного контакта с объектом измерения; отсутствие механического воздействия на объект измерения; чувствительность к силе света и его спектру. Основным их недостатком является большая погрешность преобразования, обусловленная, в основном, усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этого фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном при решении следующих измерительных задач.

1 При измерениях, в которых преобразователь работает в импульсном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала электродвигателя, имеющего диск с отверстиями (рисунок 2.8). Диск прерывает луч света, падающего на фотоэлектрический преобразователь. В этом случае измеряемая скорость вращения вала преобразуется в частоту повторения электрических импульсов.

Рисунок 2.8 – Схема включения фотоэлектрического преобразователя

при измерении скорости вращения вала электродвигателя

2 В качестве прямого преобразователя в измерительных приборах сравнения.

3 При измерении неэлектрических величин, когда промежуточной величиной является световая величина. Например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.

Более подробно генераторные измерительные преобразователи описаны в [1-4].

3 ПРИБОРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ

3.1 Источник питания универсальный.

3.2 Вольтметр универсальный В7-65/5.

3.3 Лабораторные макеты M1 и М2.

4 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В качестве лабораторной установки при выполнении работы используются макеты M1 и М2.

Макет M1 обеспечивает исследование основных характеристик фотоэлектрических измерительных преобразователей. В состав макета (рисунок 4.1.) входят встроенные универсальный источник питания постоянного тока, источник питания +5 В, электродвигатель постоянного тока и фотоэлектрический измерительный преобразователь.

При включении универсального источника питания в сеть с его выхода на встроенный стабилизированный источник питания + 5 В подается переменное напряжение и одновременно с его основного выхода на вход двигателя поступает постоянное напряжение, изменение выходного напряжения которого позволяет регулировать скорость вращения вала двигателя постоянного тока. Милливольтметр (mV), выполненный на базе магнитоэлектрического прибора, предназначен для контроля выходного напряжения универсального источника питания и повышения точности измерения питающего двигатель напряжения.

Рисунок 4.1 Функциональная схема макета М1

Фотоэлектрический измерительный преобразователь выполнен на основе фотодиодной пары (светодиод АЛ118А + фотодиод ФД-269) и состоит из трех основных частей: светодиода V1, диска с отверстием и фотодиода V2.

На конце вала двигателя укреплена муфта диаметром d₁, а на оси диска укреплена муфта диаметром d₁. Передача вращательного движения от оси двигателя к оси диска преобразователя производится с помощью шкива. За счет разности диаметров d₁ и d₂ муфт двигателя и диска создается необходимое передаточное отношение N. Численные значения диаметров муфт d₁ и d₂ в соответствии с вариантом выполнения лабораторной работы приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Лабораторное задание

Параметр	Номер бригады
	1	2	3	4	5	6	7	8
	Вариант
	1	2	3	4	2	1	4	3
d1, мм	4	6	2	3	6	4	3	2
d2, мм	2	9	4	2	9	2	2	4
N

Диск прерывает луч света, падающий от светодиода на фотодиод. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов, формируемых из выходного сигнала фотодиода с помощью микросхемы D1 типа К561ТЛ1. Импульсы с выхода микросхемы D1 поступают на выход макета M1.

Макет М2 обеспечивает исследование основных характеристик термоэлектрических измерительных преобразователей. В состав макета (рисунок 4.2) входят: понижающий трансформатор напряжения (220 В/48 В) для питания нагревательного элемента с нормальной и пониженной мощностью переменного тока, нагревательный элемент, ртутный термометр, термоэлектрический преобразователь (термопара хромель-алюмель, градуировочная характеристика которой приведена в приложении 2 настоящих методических указаний). Ртутный термометр и термоэлектрический преобразователь находятся в непосредственном контакте с нагревательным элементом, что обеспечивает снятие градуировочной характеристики (функции преобразования) преобразователя.

Включение макета осуществляется с помощью тумблера СЕТЬ путем перевода его в верхнее положение. Индикацией включения макета является освещение шкалы ртутного термометра, расположенного на передней панели макета. При включении макета начинается нагрев нагревательного элемента и соответственно рост его температуры, что фиксируется с помощью ртутного термометра. При этом увеличивается также термоЭДС измерительного преобразователя. Одновременное снятие показаний ртутного термометра и выходной термоЭДС измерительного преобразователя позволяет получить его градуировочную характеристику (функцию преобразования).

Точки А и Б являются местами соединения термоэлектродов термопары и соединительных проводников, обеспечивающих вывод термо-ЭДС термоэлектрического измерительного преобразователя на выход макета M1.

Рисунок 4.2 – Функциональная схема макета М2

Схематическое изображение передних панелей макетов M1 и М2 и расположение основных органов управления и регулировки, а также измерительных устройств приведено на рисунках 4.3 и 4.4 соответственно.

5 ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

5.1 По рекомендуемой литературе детально изучить устройство, принцип действия и схемы включения в измерительную цепь генераторных измерительных преобразователей (термоэлекрических и фотоэлектрических).

Рисунок 4.3 – Внешний вид макета М1

5.2 По приложению настоящих методических указаний изучить устройство, принцип действия и порядок работы с прибором В7-65/5, а также методики проведения с его помощью измерений напряжений, токов, частоты и периода исследуемых сигналов и оценки погрешностей полученных результатов измерений.

Рисунок 4.4 – Внешний вид макета М2

5.3 Ответить на контрольные вопросы.

5.4 Сделать заготовку отчета (одну на бригаду) по лабораторной работе в соответствии с требованиями настоящих методических указаний.

5.5 Для вашего варианта выполнения лабораторной работы по данным таблицы 4.1 рассчитать передаточное отношение от вала двигателя до оси диска измерительного преобразователя N. Исходные данные и результаты расчетов привести в заготовке отчета для последующего использования при определении скорости вращения вала двигателя.

5.6 Решить задачу.

Генераторный измерительный преобразователь, имеющий внутреннее сопротивление rj подключен к измерительному прибору с входным сопротивлением R_H. Определить коэффициент передачи мощности К_р и мощность Р_н, передаваемую в измерительный прибор, если собственная ЭДС преобразователя равна ej. Привести эквивалентную схему включения генера­торного измерительного преобразователя и сделать вывод, соответствует ли ре­жим работы преобразователя согласованию по мощности. Данные о значениях Ri, R_H и ej приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Параметр	Вариант
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Rb Ом	10	50	20	10	20	50	100	40	30	70
RH, Ом	10	100	20	20	10	50	60	40	50	70
ej, мВ	200	300	100	150	250	400	240	160	500	460

Примечание. Решение задачи для заданного варианта привести в заготовке отчета по лабораторной работе.

studfile.net