Применение емкостных преобразователей

Как было отмечено выше, с помощью емкостных преобразователей можно измерять уровень жидкости, величину угловых и линейных перемещений, усилия (емкостные мано­метры), толщину изделия.

Очень часто емкостные преобразователи используются для измерения влажности различных веществ: пряжи, волок­на, кожи и зерна и т. д.

На рис. 4.17 представлен внешний вид преобразователя для измерения влажности волокна или пряжи.

Рис. 4.14. Измерение влажности вещества.

Цилиндрический конденсатор заполняется навеской пряжи или волокна и включается в одно из плеч измерительного моста.

Так как вода имеет очень высокую относительную диэлек­трическую проницаемость по сравнению с e для остальных веществ (e =1…6), то в зависимости от влажно­сти испытуемого вещества диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и емкость преобразователя будут изменяться.

Термосопротивления

Общие сведения

Термосопротивление представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффи­циентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой.

Имеется несколько путей теплообмена:

1) конвекцией;

2) теплопроводностью среды;

3) теплопроводностью самого проводника;

4) излучением.

Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов:

1) скорости газовой или жидкой среды;

2) физических свойств среды (плотности, теплопроводно­сти, вязкости);

3) температуры среды;

4) геометрических размеров проводника.

Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических ве­личин, характеризующих газовую или жидкую среду: темпе­ратуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).

Материал преобразователей

Как уже указывалось выше, термосопротивлением может служить проводник с высоким и стабильным температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Этим требованиям удовлетворяют в основном проводники из химически чистых металлов, так как большинство из них обладает положительным температурным коэффициентом, колеблющимся (в интервале 0…100°С) от 0,35 до 0,68% на 1 градус.

Наибольшее распространение в качестве термопреобразо­вателей получили платина, медь и никель. Вопрос о выборе материала для того или иного преобразователя решается в основном химической инертностью металла в измеряемой среде и пределом изменения температуры.

Так медный преобразователь можно применять при темпе­ратуре в пределах (- 50… 180°С) в атмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких тем­пературах медь окисляется. Изоляцией для меди могут слу­жить эмаль, винифлекс, шелк.

Недостатком меди является ее малое удельное сопротив­ление.

Никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250 - З00°С; при более высоких температурах зависимость R=f(t) для него неоднозначна. Линейная зависимость R=f(t) у никеля можно принять только для температур не свыше 100°С.

Недостатком никелевых преобразователей является раз­личной для каждой марки никеля температурный коэффи­циент (0,51—0,58% на 1°С). Поэтому последовательно с ни­келевой проволокой обычно включают манганиновое сопро­тивление, снижающее температурный коэффициент до рас­четного и стабилизирующее его.

Большим достоинством никеля является большая величина его удельного сопротивления (r=0,075-0,085Ом×мм²/м).

Наилучшими свойствами обладает платина, так как она, во-первых, химически инертна, а во-вторых, может быть использована в диапазоне температур от —200 до +650°С.

Однако платину нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.).

В настоящее время все чаще применяются полупроводни­ковые термосопротивления, которые изготавливают из смеси окислов различных металлов (CuO, CoO, MuO и др.). В про­цессе изготовления термосопротивления подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге окислы спекаются в плотную массу, образуя химическое соединение.

Зависимость сопротивления полупроводников от темпера­туры выразится следующей формулой:

(4.2)

где А - постоянная, зависящая от физических свойств полу­проводника, размеров и формы термосопротивления; В - постоянная, зависящая от физических свойств полу­проводника; Т - температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы.

Промышленность выпускает термосопротивления в разно­образном конструктивном исполнении типов ММТ, КМТ-4, МКМТ.

Достоинством таких термосопротивлений является очень высокой (отрицательный) температурный коэффициент сопро­тивления (2,5—-4% на градус).

Недостатками полупроводниковых термосопротивлений является нелинейная зависимость их сопротивления от тем­пературы (рис. 4.18) и большой разброс характеристик от об­разца к образцу. Это затрудняет получение линейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупроводника. Кро­ме того, у них довольно мал температурный диапазон (—100…+120°).

Рис. 4.15. Вольтамперная характеристика полупроводникового термосопротивления.

Применяя преобразователи для измерения различных ве­личин, нужно стремиться к тому, чтобы все факторы, кроме измеряемой величины, как можно меньше влияли на измене­ние сопротивления термопреобразователя. Следовательно, требования к преобразователю, его погрешности и свойства будут определяться в зависимости от того, что измеряет при­бор.

Поэтому целесообразно рассмотреть применение термосо­противлений на конкретных примерах.

Термоанемометры (приборы для измерения скорости газового потока)

Принцип действия. Если нагреваемое током термосопро­тивление погружено в жидкую или газовую среду, то его тем­пература определяется режимом теплового равновесия меж­ду количеством тепла, подводимого к проволоке и отдаваемого в окружающую среду.

Если среда движется, т. е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача тепла путем конвекции превос­ходит все другие охлаждающие факторы и зависит от скоро­сти потока.

Приборы, измеряющие скорость газового потока, назы­ваются термоанемометрами. На рис. 4.19 представлено принци­пиальное устройство термоанемометра.

Рис.4.16. Устройство термоанемометра.

Термочувствительным элементом служит платиновая проволочка 1, прикрепленная к манганиновым стерженькам 2, которые, в свою очередь, крепятся к ручке 3 из изолирующего материала. Для вклю­чения преобразователя в измерительную цепь служат выво­ды 4.

Работа основана на измерении сопротивления проволоки 1, изменяющегося в зависимости от скорости газового потока.

Потеря проволокой тепла путем конвекции выражается следующей формулой:

где e - коэффициент теплоотдачи; F - поверхность проволоки в среде;

t_пр и t_ср - соответственно температура проволоки и среды.

Здесь величина x зависит не только от скорости движения среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности среды и поэтому величину x рассчитывают с помощью тео­рии подобия.