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: 2060;