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

R_i=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

R_t=Ae ^В/tk,

где А, В - const; t_k - 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, R_n1=R_n2 погрешность от подводящих проводов отсутствует.

R_Л1 R₁

R_Л2 mV

R_t R₂ R₃

Un

Рис.11.7. Схема включения терморезистора в двухпроводную

мостовую измерительную цепь.

R_Л1 R₁

R_Л2 mV

R_Л3

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 0^оС. 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 U_п . Три плеча моста изготовлены из манганиновой проволоки и поэтому имеют стабильное сопротивление, а четвертое R_t изготовлено из медной проволоки и расположено рядом со свободным концом термопары и имеет температуру t₀ свободных концов. Мост уравновешен при температуре резистора R_t , 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

t_c t_c R_c

t_p

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 Е_t :

1. Платина-Платинородий (ПП), 90% Pt+10% Rh – Pt, E_t=0,64 мВ/^оС, t_max=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.