Теплові первинні вимірювальні перетворювачі.

Тепловими називають перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні теплових процесів – нагрівання, охолодження, теплообміну і вхідною величиною таких ПВП є неелектрична величина - температура.

Теплові перетворювачі широко застосовують як перетворювачі не тільки температури, а й таких величин, як тепловий потік, швидкість потоку газу чи рідини, витрати, хімічний склад і тиск газів, вологість.

Температуру, як параметр теплового процесу, неможливо безпосередньо виміряти. Вона є функцією стану речовини і безпосередньо зв’язана з внутрішньою енергією тіл, а через енергію – з іншими властивостями.

До теплових ПВП належать: контактні - термоелектричний перетворювач (термопара), термометр опору (терморезистор), напівпровідниковий термістор та безконтактні - пірометр.

Класифікація теплових ПВП наведена на рис. 9.3.

Рис.9.3 – Класифікація теплових ПВП

В табл.9.1 та 9.2 наведена інформація щодо теплових ПВП.

Таблиця 9.1

Термоелектричний перетворювач (термопара)

Перетворювач

Характеристика перетворювача

Термоелектричний перетворювач – термопара

Принци дії ґрунтується на використанні термоелектричному ефекті Зеебека, суть якого полягає у виникненні термо-ЕРС в колі, що складається з двох різнорідних провідників або напівпровідників (термоелектроди), якщо температура місця з’єднання електродів (робочий або гарячий зльот) і температура вільних (холодних) кінців – різні.   Схема термопари має вигляд: 1 – місце з’єднання – робочий зльот; 2 – вільні (холодні) кінці     Характеристика градуювання: , де ЕТ – термо-ЕРС, mВ; αТ – температурний коефіцієнт матеріалів, mВ/ ºС; Т1 – температура місця з’єднання, ºС; Т2 – температура вільних кінців, ºС   Конструктивні особливості. В найменуванні термопари на перше місце ставлять матеріал позитивного електрода, а на друге – негативний. Матеріалом для виготовлення термопари є: платина, вольфрам, реній та сплави металів (див. таблицю 2). У якості нормованого електрода прийнятий платиновий електрод, по відношенню до нього в матеріалах створюються термо – ЕРС.   Склад сплавів для виготовлення електродів термопари наведений нижче: - хромель - 89% - нікель; 9,8% - хром; 1% - залізо; 0,2 % - марганець; - алюмель - 94% - нікель; 2% - алюміній; 2,5% - марганець; 1,5% - кремній; - копель - 56% - мідь; 44% - нікель.   Для виготовлення електродів також застосовуються метали: ніхром, манганін, мідь, константант, нікель. Останнім часом чутливі елементи термопар почали виготовляти із спеціального термоелектронного кабелю КТМС – такі два термоелектричні електроди, вставлені у захисну трубку та засипані порошком ізоляційного матеріалу.   В Україні для вимірювання температур у межах (мінус 200…плюс 2800ºС)використовують стандартні технічні термоелектричні перетворювачі температури – платино родій-платина (ТПП), платинородій-платинородій (ТПР), хром ель-алюмель (ТХА), хромель-копель (ТХК), вольфрамреній-вольфрамреній (А)

Таблиця 9.2

Терморезистивний перетворювач температури (терморезистор)

Перетворювач

Характеристика перетворювача

Терморезистивний перетворювач температури (терморезистор)

Терморезистори – це резистивні елементи, виготовлені з провідникового чи напівпровідникового матеріалу з великим коефіцієнтом опору.   Дія основана на теплообміні провідника зі струмом з навколишнім середовищем, температуру якого необхідно виміряти та перетворити в пропорційну зміну електричного опору. Теплове збудження електронів металів, яке зростає при збільшенні температури, викликає зміну провідності в металі (напівпровіднику). Чутливий елемент: чиста електротехнічна мідь (ТОМ), платина (ТОП), нікель (ТОН) . Характеристика градуювання: - для міді ; - для платини ; - для нікелю де R0 – опір резистора при температурі 0 ºС; α – температурний коефіцієнт міді, А, В, С – сталі коефіцієнти. Конструктивно ТОП – це перетворювач, чутливий елемент виконаний зі стрічкової платини, навитої на трубчастий ізоляційний каркас із спеціального скла. Для захисту від механічних пошкоджень покритий захисною оболонкою. Конструктивно ТОМ – це перетворювач, чутливий елемент виконаний як без каркасна обмотка з мідного ізольованого дроту, зверху покрита фторопластовою плівкою. Для забезпечення потрібної механічної міцності обмотку поміщають у тонкостінну металеву гільзу та засипають керамічним порошком і герметизують. ТОП призначені для перетворення температури в інтервалі від мінус 260 до плюс 1000ºС. ТОМ призначені для перетворення температури в інтервалі від мінус 200 до плюс 200ºС.

Оптичні первинні вимірювальні перетворювачі.

Дія оптичних перетворювачів заснована на явищі фотоефекту, а саме, під дією електромагнітного випромінювання в твердому тілі чи рідини звільняють електрони, тобто носії зарядів. Розглянемо два види фотоефекту:

- внутрішній фотоефект – це явище, яке здійснюється усереднені кристалічної решітки твердого тіла під впливом світлового потоку, при цьому змінюється концентрація носіїв зарядів та їх перерозподіл усереднені кристалу. Такий фотоефект виникає тільки в напівпровідниках та в діелектриках;

- зовнішній фотоефект – це процес емісії електронів під впливом світлового потоку, який падає на поверхню тіла.

До генераторних оптичних перетворювачів належать фотоелемент, фото помножувач.

До параметричних оптичних перетворювачів належать фотодіод, фоторезистор, фототранзистор.

До загальних параметрів оптичних перетворювачів належать: чутливість, опір перетворювача, який затемнений, постійна часу (інерційність перетворювача), робоча напруга.

Розглянемо загальні характеристики оптичних перетворювачів:

Світлова характеристика оптичного ПВП – це залежність, яка показує взаємозв’язок вили фотоструму I_Ф з падаючим світловим потоком Ф_С.

Рис. 9.4 – Світлові характеристики оптичних перетворювачів

Рис. 9.5 – Спектральні характеристики оптичних перетворювачів

Вольт – амперна характеристика оптичних ПВП характеризує взаємозв’язок фотоструму I_Ф та напруги U при світловому потоці, що не змінюється – рис.9.5

Рис.9.6 – Вольт – амперні характеристики оптичних перетворювачів

Температурна характеристика оптичних ПВП – це залежність опору оптичного перетворювача від температури навколишнього середовища.

В табл. 9.3 наведена інформація щодо оптичних ПВП.

Таблиця 9.3

Оптичні вимірювальні перетворювачі

Перетворювач	Характеристика перетворювача
Фотоелемент		Принцип дії ґрунтується на основі зовнішнього фотоефекту, а саме, під дією падаючого світлового потоку виникає фото - ЕРС, яка залежить від інтенсивності падаючого світла та від його спектру. Конструктивні особливості: фотоелементи виконуються в вигляді двох електродних вакуумних та газонаповнених перетворювачів з катодом з світлочутливого матеріалу. Анодом такого елементу є металеве кільце або пластина.
Фото помножувач	Конструктивні особливості:     Для підсилення сигналів, які надходять з фотоелементів, призначений електронний підсилювач, який об’єднаний в загальну з фотоелементом конструкцію – фото помножувач. Для підсилення основного фотоструму в фото помножувачі використовується явище вторинної електронної емісії (процес виходу електронів з поверхні твердих або рідини при бомбардуванні їх поверхні первинними електронами. Тому то в перетворювачі, крім основного катоду К, є декілька вторинних катодів К1…Кп, які знаходяться під різними потенціалами, наслідок, струм підсилюється у декілька сотень тисяч раз.
Фоторезистор	Принцип дії ґрунтується на основі внутрішнього фотоефекту, а саме, явище зміни концентрації зарядів в напівпровідникому матеріалі при опромінені світловим потоком. Характерна особливість – двостороння провідність. Конструктивні особливості: фоторезистори виконуються в вигляді плівки напівпровідникового матеріалу, який нанесений на скляну пластину та захищену шаром лаком, що пропускає світло. Світло чутливі матеріали – вісмут, кадмій, сірковий свинець
Фотодіод	Фотодіод – це напівпровідниковий фотоелемент з p-n переходом, зворотній струм через який змінюється в залежності від енергії світлового потоку – це фотодіод. Освітлення p-n переходу сприяє проникненню неосновних носіїв зарядів з освітленої зони. Внаслідок чого зменшується зворотній опір фотодіоду, що призводить до збільшення струму в вимірювальному колі. Конструктивні особливості: матеріал для фотодіоду - - це германій, кремній. Схема включення:
Фототранзистор	В основі принципу дії знаходяться підсилювальні властивості n-p-n та p-n-p переходів, які вмикаються в зворотному напрямку. При цьому сила колекторного струму може змінюватись при освітленні будь – якої області, якщо товщина їх менш, ніж дифузійна довжина носіїв. Як наслідок того, що носії зарядів проникають в базову область, сила колекторного струму залежить від освітленості цієї області.