Фізичні основи вимірювальних перетворювачів

C евастопольскій Національний Університет ядерної енергії та промисловості

Контрольна робота з дисципліни

Контроль і керування хіміко-технологічними процесами

Тема:

Фізичні основи вимірювальних перетворювачів

Виконав: Студент заочного відділення

Факультету ЯХТ

Д-34А

Бурак А.В.

Севастополь

2006

План

1. Теплові перетворювачі

2. Основні види теплових перетворювачів

2.1 Термоелектричні перетворювачі

2.2 Застосування термоелектричних перетворювачів у термометрах

2.3 Терморезистори

Література

1. Теплові перетворювачі

Тепловими називають перетворювач, принцип дії якого базується на теплових процесах. Природна вхідна величина його - температура. До таких перетворювачів відносяться термоелектричні перетворювачі і терморезистори. Термоелектричні перетворювачі часто називають термопарами.

Термопари - термочутливий елемент у пристроях для вимірювання температури, системах управління та контролю. Складається з двох послідовно сполучених (спаяних) між собою різнорідних провідників або (рідше) напівпровідників. Якщо спаї знаходяться при різних температурах, то в ланцюзі термопари виникає електрорушійна сила (термоелектрорушійної сила), величина якої однозначно пов'язана з різницею температур "гарячого" і "холодного" контактів. Терморезистор - провідник або напівпровідник, опір якого досить сильно залежить від температури. Часто терморезистор називають просто термісторів. Широке застосування отримали напівпровідникові резистори, електричний опір яких істотно зменшується або зростає зі зростанням температури. Використовуються у вимірниках потужності, пристроях для вимірювання та регулювання температури та ін

2. Основні види теплових перетворювачів

2.1 Термоелектричні перетворювачі

Принцип дії термоелектричних перетворювачів або термопар заснований на явищі термоелектричного ефекту, яке полягає в тому, що в ланцюзі з двох різних провідників (або напівпровідників), з'єднаних між собою кінцями при різниці температур сполук виникає ЕРС, звана термоелектрорушійної силою (термо-ЕРС). Така ланцюг називається термоелектричним перетворювачем або термопарою. Провідники, складові термопару, називаються термоелектродах, а місця їх з'єднання спаями. Робочий кінець термопари, поміщений у вимірюване середовище, називають гірчить спаєм, а вільний (неробочий) - холодним. Один з термоелектродов називається термоположітельним, а другий - термоотріцательним. Термоположітельним називають той провідник, від якого термоток тече в холодному спае, а термоотріцательним - той провідник, до якого тече термоток в тому ж холодному спае.

При невеликому перепаді температур між спаями термо-ЕРС пропорційна різниці температур. Величина термо-ЕРС залежить тільки від природи провідників і від температури спаїв і не залежить від розподілу температур між спаями.

Явище термоелектрики належить до числа зворотних явищ. Якщо через ланцюг, що складається з двох різних провідників або напівпровідників, пропустити електричний струм, то в одному спае виділяється тепло, а на іншому поглинається.

У різнорідних провідниках кількість вільних електронів на одиницю об'єму різному.

Позначимо , - Щільність вільних електронів відповідно в провідниках і . Нехай > . При з'єднанні провідників у спаях відбувається дифузія електронів з термоелектродах в термоелектродах . У результаті термоелектродах заряджається позитивно, а термоелектродах - Негативно.

У спаях виникає електричне поле, тобто ЕРС. Позначимо ці ЕРС: - У спае 1, - У спае 2.

У замкнутому ланцюзі з двох різнорідних провідників утворюється 2 ЕРС, спрямовані зустрічно.

Результуюча ЕРС:

(1)

Дифузія електронів, а отже і виникає ЕРС, в спае дуже сильно залежить від температури. Якщо спаї 1 і 2 перебувають при однаковій температурі, то результуюча ЕРС в ланцюзі дорівнює нулю:

Якщо спай 1 помістити у вимірюване середовище, а спай 2 - у приміщення, де температура t ₀ = const, то виникає результуюча ЕРС:

Якщо температуру в приміщенні підтримувати постійною, то

(2)

У цьому випадку, вимірявши результуючу ЕРС ( ) По вираженню (2), можна визначити і температуру в спае 1.

Залежність (2) визначається експериментально. Визначення залежності ЕРС термопари ( ) Від температури робочого спаю при заданому значенні вільного спаю і для обраних матеріалів термоелектродов і називається градуріровкой термопари.

Вільний спай термопари проходить через схему приладу. Вимірюючи ЕРС термопари (Е _ТП) за допомогою приладу і використовуючи градуювальну таблицю, ми визначаємо температуру в робочій точці 1.

Градуировочная таблиця термопари платинородій-платина при температурі вільних кінців ⁰ 0 С.

Відповідно до ГОСТ є термопари декількох градуювань:

1. Платинородій - платинові.

Позначення: гр.ПП-1

Межі виміру температури: -20 ^{0 ÷} 1300 ⁰ С.

Чутливість:

= 1,06 мВ/100 ⁰ С.

Ці термопари найточніші, застосовуються в якості зразкових, але вони дорогі.

2. Хромель - алюмелеві.

Позначення: гр.ХА

Межі виміру температури: -200 ^{0 ÷} 1000 ⁰ С.

Чутливість:

= 4,03 мВ/100 ⁰ С.

3. Хромель - Копєлєвим.

Позначення: гр.ХК

Межі виміру температури: -200 ^{0 ÷} 600 ⁰ С.

Чутливість:

= 8,3 мВ/100 ⁰ С.

В особливих випадках застосовуються нестандартні термопари, наприклад, вольфраммолібденовие до t = 2300 ⁰ С.

У зазначених межах зміни температур для перерахованих вище термопар залежність Е _ТП = е _t (T) - K лінійна.

2.2 Застосування термоелектричних перетворювачів у термоелектричних термометрах

Термоелектричними термометрами називають пристрої для вимірювання температури. Вони містять термоелектричний перетворювач, який підключається до електровимірювальні прилади (милливольтметру або потенціометра).

Конструкція термоелектричних перетворювачів залежить від умов їх застосування:

• термоелектричні перетворювачі для контролю і виміру температури рідин і газів;

• термоелектричні перетворювачі для контролю і виміру температури твердих тіл.

Термоелектричні перетворювачі з'єднують зі вторинними приладами за допомогою термоелектричних проводів, які як би нарощують термоелектродах.

Вторинними приладами, що діють в комплекті з термоелектричними перетворювачами, є магнітоелектричні мілівольтметри і потенціометри. Робота магнітоелектричного мілівольтметра заснована на взаємодії рамки, утвореної провідником, по якому протікає струм, з полем постійного магніту.

Струм від термопари, протікаючи по провідниках рамки, створює обертаючий момент:

М _В = З · 2 rlnBI, (3)

де: С - коефіцієнт, що залежить від параметрів рамки;

r - радіус рамки;

l - довжина витка в зазорі між полюсним наконечником і сердечником;

n - число витків;

B - магнітна індукція;

I - сила струму, що протікає через рамку від термопари.

Всі множники вирази 3 постійні, крім сили струму, тому дане вираз можна записати у вигляді:

М _В = С ₁ · I, (4)

де: З ₁ = З · 2 rlnB.

Величина протидіє пружного моменту, створюваного спіральними пружинами, дорівнює:

, (5)

де: Е - модуль пружності матеріалу пружинок;

К - постійний множник, що залежить від геометричних розмірів пружинок;

φ - кут зкручіванія.

Отже, кут повороту рамки при рівновазі моментів обертання і протидії (М _В = М _φ) дорівнює:

φ = I. (6)

Потенциометрический або компенсаційний метод вимірювання полягає в зрівноважуванні вимірюваної ЕРС термопари відомим падінням напруги від постійного джерела струму, яке вимірюється з високою точністю. Потенціометри мають високу точність вимірювання, тому широко застосовуються в промисловості і в лабораторній практиці.

У контур I включені: джерело постійного струму Б, реостат R _РТ, що врівноважує реохордів R _P, порівняльний резистор R _С. У контур II включений нормальний елемент НЕ. У контур III - термоелектричний перетворювач Т.

Перемикач П встановлюється в положення 1, замикаючи ланцюг контуру II нормального елемента. Потім кнопкою До замикають ланцюг контуру I і реостатом R _РТ регулюють робочий струм, встановлюючи стрілку гальванометра Г на нульову позначку. Це станеться тоді, коли ЕРС нормального елемента Е _З буде врівноважена зворотним їй за знаком падінням напруги на порівняльному резисторі R _С (на ділянці ab). Після цього розмикають кнопку К і переводять перемикач П в положення 2. знову замикають кнопку К і змінюють струм в ланцюзі III реохордів R _P до моменту встановлення стрілки гальванометра на нульову позначку. Таким чином, при повній компенсації струму в ланцюзі термопари Т падінням напруги на реохордів отримуємо:

Е _АВ (t, t ₀₎ = I R ¹ _P = , (7)

де Е _С - ЕРС нормального елемента.

Величини Е _С і R _З визначені і постійні, отже, визначення термо-ЕРС зводиться до вимірювання опору реохорда . Шкала потенціометра, нанесена уздовж реохорда, може бути проградуйована в мілівольтах або градусах Цельсія.

Для промислового контролю і вимірювання застосовують автоматичні електронні потенціометри.

2.3 Терморезистори

Терморезистор представляє собою провідник або напівпровідник, опір якого досить сильно залежить від температури. Більшість хімічно чистих металів має позитивним температурним коефіцієнтом опору ТКС. Для виготовлення терморезисторов застосовують матеріали, що володіють:

• високостабільним ТКС;

• лінійною залежністю опору від температури;

• інертністю до впливу навколишнього середовища;

• хорошою відтворюваністю властивостей.

До таких матеріалів в першу чергу відносяться платина і мідь. Застосовуються також вольфрам і нікель.

Платинові терморезистори застосовуються в діапазоні температур від -200 ⁰ до +650 ⁰ С і вище. Мідні терморезистори застосовуються в діапазоні температур від -50 ⁰ до +200 ⁰ С. При більш високих температурах мідь окислюється. Залежність опору від температури платинових терморезисторов практично лінійна. При розрахунку опору користуються формулою:

R _Т = R ₀ (1 + aT + bT), (8)

де а = 3,96847 · 10 ^-3 1/град; b = -5,847 · ¹⁰ липня 1/град. Т-температура ⁰ С

Для мідних терморезисторов ця залежність має вигляд:

R _Т = R ₀ (1 + aT), (9)

де а = 4,26 · 10 ^-3 1/град; R ₀ - опір при ⁰ 0 С

Для більшості чистих металів а ≈ 4 · 10 ^-3 1/град.

Напівпровідникові терморезистори мають більш високу чутливість. Температурний коефіцієнт опору напівпровідникових терморезисторов 3 · 10 ^-2 - 4 · 10 ^-2 1/град. Він негативний і зменшується пропорційно квадрату абсолютної температури.

У вузькому температурному інтервалі залежність опору від температури напівпровідникових терморезисторов виражається рівнянням:

R = A exp або lnR = A + , (10)

де А і В - постійні коефіцієнти, які залежать від фізичних властивостей провідника.

Для виготовлення напівпровідникових терморезисторов застосовують кристали деяких металів (наприклад, германію) і оксиди титану, магнію, нікелю, міді та ін

Форма, габарити і конструктивні особливості напівпровідникових терморезисторов вельми різноманітні: їх виконують у вигляді дисків, мініатюрних намистин, плоских прямокутників і ін

Залежно від типу використовуваного напівпровідникового матеріалу і габаритів чутливого елемента вихідне опір терморезисторов становить від декількох Ом до десятків мегом. Якщо взяти найпростішу електричну схему, що складається з послідовно з'єднаних терморезистора і лінійного резистора, величина якого не залежить від температури, і прикласти до цього ланцюга напруга, то в ній встановиться певний струм I. Залежність падіння напруги на терморезистор від цього струму в усталеному режимі являє собою вольтамперную характеристику терморезистора. Вольтамперна характеристика складається з трьох основних ділянок. Середній ділянку далекий від лінійного і показує, що з ростом струму температура терморезистора підвищується, а його опір (внаслідок збільшення числа електронів і дірок провідності в матеріалі напівпровідника) зменшується. При подальшому збільшенні струму зменшення опору виявляється настільки значним, що зростання струму веде до зменшення напруги на терморезистор. Це й дозволяє використовувати деякі типи терморезисторов для стабілізації напруги. Характерним для ланцюга, що містить терморезистор і лінійний резистор, є різке, стрибкоподібне наростання чи спадання струму, викликане зміною опору терморезистора. Це явище отримало назву релейного ефекту. Релейний ефект може відбутися в результаті зміни температури навколишнього середовища або величини прикладеної до ланцюга напруги. При підвищенні навколишньої температури від Т1 до Т2 струм спочатку зростає плавно, а далі при невеликому підвищенні температури стрибком зростає і стійко зберігає своє значення при сталості температури. Це явище називається прямим релейним ефектом. Зменшення температури призводить до плавного і в кінці до стрибкоподібного зменшення струму. Це явище називається зворотним релейним ефектом. Релейний ефект використовується в різноманітних схемах теплового захисту, температурної сигналізації, автоматичного регулювання температури. Крім вольтамперной характеристики, найважливішою характеристикою терморезистора є залежність його опору від температури (температурна характеристика). Найважливішими параметрами терморезисторов є: номінальне (холодне) опір-опір робочого тіла терморезистора при температурі навколишнього середовища 20 ° С і температурний коефіцієнт опору, що виражає у відсотках зміна абсолютної величини опору робочого тіла терморезистора при зміні температури на 1 ° С

Температурний коефіцієнт опору можна позначити α т.

Тоді α т =-В / Т ² (11)

Де В-коефіцієнт температурної чутливості, який залежить від фізичних властивостей матеріалу.

В = Т1 * Т2 / Т1-Т2 * Ln R т1 / R т2 (12)

Т1-вихідна температура робочого тіла, Т2-кінцева температура робочого тіла, для якої визначається значення α т.

R т1 і R т2-опір робочого тіла терморезистора при температурах відповідно Т1 і Т2.

Також важливим параметром терморезистора є найбільша потужність розсіювання-потужність при якій терморезистор, який знаходиться при температурі 20 ° С, розігріється струмом, що протікає до максимальної робочої температури.

Максимальна робоча температура-температура при якій характеристики терморезистора залишаються стабільними тривалої час (протягом зазначеного терміну служби).

Параметр τ - характеризує теплову інерцію терморезистора. Тобто час, протягом якого температура терморезистора стає рівної 63 ° С при перенесенні його з повітряного середовища з температурою 0 ° С у повітряне середовище з температурою 100 ° С.

Терморезистори з негативним температурним коефіцієнтом використовуються для вимірювання та регулювання температури, термокомпенсации різних елементів електричного кола, що працюють в широкому інтервалі температур, вимірювання потужності високочастотних коливань і індикації променистої енергії, стабілізації напруги в ланцюгах постійного і змінного струмів, в якості регульованих безконтактних резисторів. Терморезистори з позитивним температурним коефіцієнтом (позистора) виготовляють на основі титану барію, легованого спеціальними домішками, які в певному інтервалі температур збільшують свій питомий опір на кілька порядків. Існуючі технології дозволяють виготовляти позистора з позитивним α т, що становить 0,15-0,2 (1 ° С). За своїм конструктивним оформленням позистора аналогічні терморезистора таблеткового типу, діаметром близько 5мм.Сопротівленіе позистора зростає зі зростанням його температури, що використовується для обмеження струму в ланцюзі навантаження.

Література

1. Трофімов А.Н. Автоматика, телемеханіка, обчислювальна техніка в хімічних виробництвах. Підручник. Вища. 1985.

2. Фарзане Н.Г., Ілясов П.В., Азім-заде А.Ю. Технологічні вимірювання і прилади. Підручник. Москва. Вища школа.1989.

3. Жарковський Б.І. Прилади автоматичного контролю і управління. Підручник. Вища школа. 1989.

4. Попов І.А., Грунтовіч Н.В. Збірник завдань для самостійної роботи з основ теорії автоматичного управління (регулювання). Навчальний посібник. ВМФ. 1982.

5. Трофімов В.В. Довідник АСУТП. Довідник. Київ. Техніка. 1988.

6. Вимірювально-інформаційні системи. Підручник. ВМФ. Ч.1. 1990

7. Гершунский Б.С. Основи електроніки та мікроелектроніки. Кіев.Віща шк.1987.