Принцип действия ионизационных преобразователей

Рисунок 2.2 Устройство полупроводниковых термосопротивлений

А) ММТ-1, КМТ-1 и б) ММТ-4, КМТ-4

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температуры ма­лых объектов и измерения переменных во времени температур. В качестве примера миниатюрного термосопротивления на рисунке 2.3 изображено термосопротивление МКМТ-16 бусинкового типа.

Рисунок 2.3 Устройство термосопротивления МКМТ-16

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений являются нелинейность зависимости их сопротивления от температуры

Рисунок 3.2 Платиновый датчик термометра сопротивления

Список литературы:

1. П.В.Новицкий “Методы измерения физических величин ”. Учебное пособие для вузов. –Л: Энергоатомиздат, 1989.

2. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: методы измерений: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1987. – 320 с., ил.

3. Евтихиев Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин: учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 стр.: ил.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Явление термоэлектричества, открытое в начале прошлого века русским академиком Эпинусом, заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис.1), причем температуру t₁ одного места соединения сделать отличной от температуры t₀ другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и являющаяся разностью функций температур мест соединения проводников:

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

Термопара может быть применена для измерения температуры. Если один спай термопары, называемый рабочим спаем, поместить в среду с температурой t₁, подлежащей измерению, а температуру другого – нерабочего – спая поддерживать постоянной, то и

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т.д.). Последняя взаимосвязь и положена в основу измерения температур при помощи термопар. Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура t₁ ее рабочего спая, а выходной величиной термо-э.д.с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре t₀ нерабочего спая.

Приборы, представляющие собой сочетание термопары и указателя, используемые для измерения температуры, часто называют не термометрами, а термоэлектрическими пирометрами, хотя никакого принципиального различия между этими терминами нет.

Включить указатель в цепь термопары можно как по наиболее часто применяемой схеме рис.2,а (здесь два нерабочих спая), так и по схеме рис.2,б. Для того чтобы включение в цепь термопары указателя (т.е. третьего проводника) не изменило значения термо-э.д.с., места соединения указателя с термоэлектродами должны иметь одинаковую температуру.

Рис.1. Термоэлек­трическая цепь

Рис. 2. Включение указателя в термоэлектрическую цепь

Материалы, применяемые для термопар.Для измерения температур до 1100°С используют в основном термопары из неблагородных металлов, а для измерения температур выше 1100 и до 1600°С – термопары из благородных металлов платиновой группы и, наконец, для измерения температур более 1600°С – различные термопары, изготовленные из очень жароупорных материалов.

В табл.1 приведены термо-э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая t₁=100°C и температуре нерабочих спаев t₀=0°C.

Таблица 1

Материал	Термо-э.д.с., мв	Материал	Термо-э.д.с., мв
Кремний	+44,8	Свинец	+0,44
Сурьма	+4,7	Олово	+0,42
Хромель	+2,4	Магний	+0,42
Нихром	+2,2	Алюминий	+0,40
Железо	+1,8	Графит	+0,32
Сплав (90% Pt+10% Ir)	+1,3	Уголь	+0,30
Молибден	+1,2	Ртуть	0,00
Кадмий	+0,9	Палладий	-0,57
Вольфрам	+0,8	Никель	-1,5
Манганин	+0,76	Алюмель	-1,7
Медь	+0,76	Сплав (60%Au+30%Pd+10%Pt)	-2,31
Золото	+0,75	Константан	-3,4
Цинк	+0,75	Копель	-4,5
Серебро	+0,72	Висмут ^ оси	-5,2
Иридий	+0,65	Висмут // оси	-7,7
Родий	+0,64	Пирит	-12,1
Сплав (90% Pt+10% Rh)	+0,64	Молибденит	От –69 до -104

Примечание: состав сплавов: хромель 90%Ni+10%Cr;алюмель 1%Si+2%Al+0,17%Fe+Ni(остальное); копель 56,5%Cu+43,5%Ni.

Для измерения температур до 1800°С применяют термопары из платинородиевых сплавов с различным содержанием родия, например термопару ПР 30/6. В ней положительным термоэлектродом является сплав, состоящий из 70%Pt и 30%Rh, а отрицательным термоэлектродом – сплав из 94%Pt и 6%Rh. Верхним пределом кратковременно измеряемой температуры для этой термопары можно принять температуру 1750°С. Термопара ПР30/6 развивает при 1546°С термо-э.д.с., равную 10,82 мв. Термопары с другим содержанием родия (ПР40/10, ПР30/13 и ПР40/20) развивают несколько меньшую термо-э.д.с., чем термопара ПР30/6, но пригодны для измерения немного более высоких температур (до 1800 - 1850°С).

Термопары из неблагородных металлов и других материалов.Из числа термопар этой группы стандартными являются четыре термопары, основные характеристики которых указаны в таблице 2.

Таблица 2

Наименование термопары	Термо-э.д.с. при t1=100 °C, t0=0 °C, мв	Верхний предел измеряемой температуры, °С
При длительном измерении	При кратковременном измерении
Медь – копель	4,75
Железо – копель	5,75
Хромель – копель	6,90
Хромель - алюмель	4,10

Особенно широко применяется термопара хромель – алюмель. Эта термопара хорошо работает в окислительной среде благодаря возникновению при нагреве тонкой защитной пленки окислов, препятствующей проникновению кислорода внутрь металла. Восстановительная среда, напротив, вредно действует на эту термопару, разрушая пленку окислов.

Большой интерес для измерения высоких температур в условиях воздействия различных агрессивных сред представляет термопара из борида и карбида циркония (ZrB₂ и ZrC) – твердых тугоплавких соединений. Борид и карбид циркония обладают при относительно высокой прочности низким электрическим сопротивлением и хорошей теплопроводностью. Они устойчивы против действия водорода, окиси углерода, смеси окиси углерода с азотом, расплавленных цветных и черных металлов, а также некоторых расплавленных солей и шлаков. Термопара с электродами из борида и карбида циркония, как показали исследования, имеет практически линейную термоэлектрическую характеристику и развивает термо-э.д.с. около 16 мв при 1800°С.

Рис. 4. Конструкция термопар с термоэлектродами из неблагородных

металлов

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗАЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

К ионизационным преобразователям обычно относят большую группу преобразователей, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током ионной проводимости газа, возникающим под действием излучения радиоактивных веществ или рентгеновских лучей. Рисунок 1 поясняет принцип действия прибора с ионизационным преобразователем для измерения толщины листа. В приборе имеется радиоактивный источник 1, создающий излучение, и приемник излучения 2, выходной ток которого пропорционален числу попавших в него радиоактивных частиц. При прочих равных условиях очевидно, что число частиц, т.е. интенсивность облучения приемника, функционально связана с толщиной листа 3. Таким образом, источник излучений и приемник излучений являются обязательными элементами любого Рис.1 Принципиальная схема ионизационного преобразователя.

прибора с ионизационным преобразователем

для измерения толщины листа

В измерительных приборах используются различные виды ядерных излучений (альфа-, бета-, гамма- и нейтронное излучение). Источниками ядерных излучений служат естественные и искусственные изотопы.

Основные соотношения при использовании a-лучей.Эти лучи являются ядрами атома гелия и несут положительный заряд. Энергия a-частиц Е_а составляет 3 –11 Мэв. Проникающая способность их очень мала.

Наибольшая длина пробега a-частиц в воздухе равна 90 мм, в твердых телах они поглощаются уже в слоях порядка единиц или десятков микрон (для алюминия ). Вследствие этого источник a- частиц должен быть помещен непосредственно в ионизационную камеру.

Масса a-частиц примерно в 7000 раз превышает массу электрона, эти частицы, как более тяжелые, являются наиболее сильным ионизирующим агентом. Одна a-частица создает на своем пути около 200 000 ионов. Общее число ионных пар, возникающих по одну сторону плоскости излучателя в секунду.

Основные соотношения при использовании b-лучей.Эти лучи представляют собой поток электронов; их энергетический спектр непрерывен в пределах от нуля до максимальной энергии . Бэта-частицы обладают значительно меньшей ионизационной способностью, чем a-частицы.

На пути 10 мм в воздухе b-частица создает примерно 5 ионныз пар.

Длина пробега b-частицы в воздухе составляет 5000 мм, в твердых телах она достигает нескольких миллиметров; например, в алюминии длина пробега равна 1,75 мм. Проходя сквозь вещество, b-частицы взаимодействуют с электронами и ядрами вещества, при этом одна часть их резко меняет свое направление – рассеивается, другая – поглощается.

Основные соотношения при использовании g-лучей.Эти лучи представляют собой электромагнитное излучение с очень короткими длинами волн, однако их тоже рассматривают как поток материальных частиц – так называемых фотонов или g-квантов.

Взаимодействие g-лучей с атомами поглотителя происходит сравнительно редко, поэтому g-лучи обладают большой проникающей способностью и малой ионизационной способностью.

Таблица 1

Название элемента	Химический символ элемента	Период полураспада	Тип используемой радиации	Энергия частицы, Мэв
Кобальт-60	Со60	5,3 года	g-кванты	1,17; 1,33
Цезий-134	Cs134	2 года	g-кванты	0,75
Таллий-206	Tl206	2,7 года	b-частицы	0,58
Стронций-89	Sr89	55 дней	b-частицы	1,5
Полоний-210	Po210	138 дней	a-частицы	5,3