Элементы, чувствительные к температуре

Температура является одним из основных параметров технологи­ческих процессов. Температура среды оказывает влияние на парамет­ры многих материалов - размеры, электрическое сопротивление, тер­моэлектродвижущую силу и т.д. В качестве чувствительных элемен­тов датчиков температуры применяются тепломеханические элемен­ты, термопары, терморезисторы, р-n- переходы, кристаллы кварца, кремния и их соединений и многие другие материалы и явления в них.

Тепломеханические датчики (термобиметаллические, дилатомет­рические) используются в качестве чувствительных элементов, пре­образующих изменение фактического значения регулируемой темпе­ратуры в перемещение (рис.9.21).

Биметаллический чувствительный элемент (рис.9.21а) представ­ляет собой две узкие металлические пластинки 1 и 2 с различными коэффициентами температурного расширения, жестко скрепленные между собой по всей плоскости касания (спаянные).

 

Рисунок 9.21 – Тепломеханические чувствительные элементы: а)- биметаллический; б)- дилатометрический.

Один конец биметаллической пластинки неподвижно закреплен в основании 1, а второй - свободен. При длине плоской пластинки 1, значительно превышающей ее толщину 5, угол перемещения свобод­ного конца а будет зависеть от температуры окружающей среды Т. На пути изгиба биметаллической пластинки можно поставить, на­пример, электрические контакты, которые будут включать электриче­скую сеть.

Подобные чувствительные элементы используют для двухпози-ционного регулирования (включено-выключено) температуры.

На рис. 9.21б показан тепломеханический-дилатометрический преобразователь с расширяющейся жидкостью или газом. Изменение температуры Т металлического баллона 1 связано с изменением дав­ления находящихся в нем жидкости или газа 4, так как коэффициенты объемного расширения жидкостей и газов гораздо выше, чем метал­лов. При изменении давления перемещается свободный конец мем­браны 3, связанный с баллоном через капилляр 2. Указатель 5, свя­занный с мембраной 3, может включать электрические контакты 6, установленные под определенным углом а, соответствующим темпе­ратуре Т.

В качестве термометрических жидкостей применяются амиловый спирт, ацетон, ртуть, и газовые наполнители - азот, гелий и др. Термо-биметаллические и дилатометрические чувствительные элементы применяются для измерения температур в диапазоне от -60 до +450°С. Погрешность преобразования составляет 1...5%.

Терморезисторами называют элементы, электрическое сопро­тивление которых зависит от температуры. Для их изготовления ис­пользуют медь, платину и другие металлы, удельное сопротивление ρ которых увеличивается с повышением температуры Т по закону

ρ=ρ0(1+αТ),

где ρ0- удельное сопротивление металла при 0 °С, а- температур­ный коэффициент сопротивления Ом/К, показывающий на сколько увеличивается удельное сопротивление терморезистора при увеличе­нии температуры на 1°С.

Чувствительный элемент металлического терморезистора поме­щается в стальной или латунный корпус с клеммой головкой и пред­ставляет собой бифилярную обмотку из проволоки диаметром 0,04...0,08 мм, размещенную на изолированном корпусе, к концам ко­торой припаиваются выводы из серебряной, а при температуре до 100°С — из медной проволоки.

Погрешность измерений металлических терморезисторов не пре­вышает 0,5...1%. Из металлических терморезисторов наибольшее распространение получили термометры сопротивления типа ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).

Термисторы - это полупроводниковые терморезисторы с отрица­тельным температурным коэффициентом сопротивления, а позисторы-с положительным.

Нелинейность характеристик ограничивает применение терми-сторов при измерениях температуры в узких пределах. Большой раз­брос по номинальному сопротивлению затрудняет их взаимозаме­няемость.

Распространены медно-марганцевые (ММТ), кобальто-марганцевые (КМТ), косвенного подогрева (ТКП) и другие термисто­ры для температур от -203 °К до 523 °К. Чувствительность термисторов в 5...30 раз выше чувствительности металлических терморе­зисторов.

Зависимость термистора от температуры и схема его включения приведены на рис.9.22. В практике измерения температуры в рабочем диапазоне -60...+120° С с погрешностью измерения 0,1 % получили распространение кремниевые р-п переходы, выполненные в виде смещённых в прямом направлении диодов или базоэмитерных пере­ходов транзисторов. Отрицательный температурный коэффициент падения напряжения на базоэмитерном переходе кремниевого бипо­лярного транзистора составляет 2,2-10-3 В/ °С, а германиевого -2.7...3.1 10-3 В/°С.

Рисунок 9.22 - Зависимость электрического сопротивления термистора Rt от температуры Т (а) и схема его включения (б).

Терморезисторы и р-n переходы (диоды, транзисторы) исполь­зуются для построения датчиков температуры, теплосчетчиков, тер­моанемометров и т.п.

Термопары. Термопара - термоэлектрический преобразователь (рис.9.23) состоит из двух 1 и 2 металлов, концы которых А и Б спая­ны. Металлы обладают разными термоэлектрическими свойствами. Для изготовления термопар используют пары сплавов «хромель-копель» или «хромель-алюмель». Спаянный конец называется рабочим спаем, он погружается в из­меряемую среду (температура Т1, а свободные концы (холодный спай- температура Т0) подключаются ко входу измерительной схемы П.

Если температуры рабочего спая и свободных концов различны, то термопара вырабатывает термоэлектродвижущую силу. Она зави­сит от разности температур двух спаев термопары, и для снижения погрешности показаний необходимо знать температуру холодного спая, чтобы компенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях. Подключение термопары к схеме измерения осуществляется прово­дами тех же металлов, что и термопары.

Рисунок 9.23 - Термопара.

Термопары применяются в системах автоматического регулиро­вания и контроля в диапазоне температур от 373 до 3000 °К. Чувстви­тельность термопары обычно невелика и составляет для разных тер­мопар 0,01...0,07 мВ/°С.

Лекция № 10. «Принципиальные схемы датчиков»

10.1. Датчики температуры

На рис. 10.1а приведена схема цифрового датчика температуры-генератора импульсов на операционном усилителе, позволяющая по­лучать выходной сигнал, частота которого F линейно зависит от тем­пературы термочувствительного элемента Rt. Термочувствительный элемент Rt выполнен в виде термосопротивления.

Рисунок 10.1 - Принципиальная схема включения терморезистора (а) и транзистора в качестве датчика температуры (б)

На рис. 10.1б приведен пример аналогового термодатчика на р-n переходах- транзисторах T1 и Т2, которые являются идентичными, но с той лишь разницей, что за счёт выбора разных номиналов резисто­ров R1 и R2 их рабочие токи являются разными. Резисторы R1 и R2, транзисторы T1 и Т2 включены в мостовую схему, питание которой осуществляется стабилизированным напряжением UCT. Прямые токи через р-n переходы первого и второго транзисторов являются вели­чинами постоянными, при этом резисторы R1 и R2, включенные по­следовательно с р-n переходами, должны быть высокоомными и температурно независимыми. Сигналы U1 и U2 с транзисторов подаются на дифференциальный усилитель, на выходе которого сигнал U(T) зависит от температуры термодатчиков.

10.2. Датчики перемещений

Датчики перемещений преобразуют линейные или угловые пере­мещения в сигнал, удобный для использования в схемах контроля и управления. Ёмкостный преобразователь перемещений изображен на рис. 10.2. Перемещение X измеряется с помощью емкостей C1 и С2, имеющими общий подвижной элемент ПЭ, механически связанный с перемещаемой деталью. Измерительные ёмкости представляют со­бой плоскопараллельные конденсаторы с изменяющимся зазором.

На триггере Тр собран генератор противофазных импульсов q и q, которые по даются на ключи Кл1-Кл5.

Измерительные ёмкости С1 и С2 включены последовательно и посредством ключевой схемы Kл1 ... Кл4 эта цепь за первый полупе­риод импульса q заряжается, а за второй полупериод, переключив­шись, разряжается этим же опорным источником.

Напряжение в измерительной диагонали моста при равенстве между собой абсолютных значений напряжений положительного и отрицательного опорных источников равно:

С моста заряды с емкостей подаются на операционный усили­тель ОУ1 который одновременно выполняет функции трансформи­рования высокого сопротивления в низкое и функции сравнения сигналов моста и цепи обратной связи. Цикл работы преобразова­теля условно можно разделить на два такта.

Первый такт подготовительный, при этом происходит заряд из­мерительных конденсаторов C1 и С2 от источников опорных напря­жений ±U. Ключ Кл5 заперт, а интегратор на ОУ2 выполняет функ­ции аналоговой запоминающей ячейки.

 

Рисунок 10.2 - Принципиальная схема ёмкостного преобразователя перемещений.

 

Второй такт - измерительный, при этом происходит перезаряд измерительных ёмкостей, ключ Кл5 отперт, что приводит к появле­нию сигнала интегратора ОУ2 и цепи отрицательной обратной свя­зи. На выходе интегратора ОУ2 выходное напряжение UBbIX пропор­ционально перемещению X и его знаку.








Дата добавления: 2015-04-21; просмотров: 2262;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.009 сек.