 |
Фотоэлектрические преобразователи 2 глава
|
|
|
|
Для приведенного ранее преобразователя имеем:
XCпп
= 1
wСПр
= 1
2 p × 50 ×100 ×10-12
» 30 МОм.
Такое сопротивление преобразователя требует большого со- противления в выходной диагонали моста. Этому условию удо- влетворяют электронные приборы, имеющие высокое входное сопротивление.
Кроме того, при таком большом сопротивлении преобразова- теля должны быть очень высокими требования к изоляции изме- рительной цепи и измерителя. Если сопротивление преобразова- теля сравнимо с сопротивлением изоляции цепи измерителя, то токи утечки будут сравнимы с током в преобразователе.
Поэтому емкостные преобразователи часто применяются в цепях повышенной частоты, что сильно увеличивает мощность преобразователя и уменьшает его сопротивление.
Во избежание наводок все подводящие провода должны быть тщательно экранированы. Точки заземления экранов должны быть выбраны так, чтобы в цепи не было элементов, шунтирую- щих рабочие емкости.
Напряжение питания преобразователя должно быть ограниче- но из-за опасности пробоя воздушного промежутка. Обычно до- пускаемое напряжение составляет 700 В/мм.
Напряжение можно увеличить, если поместить между обклад- ками конденсатора тонкую слюдяную пластинку, так как слюда имеет пробивное напряжение ≈ 103 кВ/мм. Наличие такой пла- стинки способствует получению более линейной зависимости выгодного напряжения от усилия или изменения зазора U = f (∆δ). Погрешности емкостных преобразователей. При использо- вании емкостных преобразователей нужно помнить о том, что между подвижной и неподвижной пластинами действует сила
электростатического притяжения:
F = 1 U
Э 2 d 2
eS,
которая может внести погрешность в измерения. Если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются, то погрешно- сти можно избежать, применяя дифференциальный преобразова- тель (см. рис. 4.14), в котором силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и полностью компенсируют друг друга. Уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорцио- нальное уменьшение или увеличение напряжения между соответ- ствующими пластинами, а сила, действующая между ними, оста- ется неизменной, т.е. разность сил равна нулю независимо от пе- ремещения.
|
|
|
При колебаниях температуры окружающего воздуха будут изменяться геометрические размеры преобразователя, что может привести к большой погрешности измерения. Это имеет место, если детали преобразователя выполнены из различных металлов, имеющих различные температурные коэффициенты расширения.
Температурную погрешность можно значительно уменьшить правильным выбором геометрических размеров деталей преобра- зователя, а также их температурных коэффициентов расширения.
Изменение влажности воздуха следует учитывать при измере- ниях емкостными преобразователями. Если, например, градуи- ровка прибора производилась в сухом помещении, а измерения будут проводиться при влажном воздухе, то может возникнуть систематическая погрешность из-за изменения диэлектрической проницаемости воздушного промежутка преобразователя.
4.3. Тепловые преобразователи
Тепловой преобразователь представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффициен- том, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Имеется несколько путей теплообмена: конвекцией, теплопроводностью среды, теплопроводностью самого проводника, излучением.
Интенсивность теплообмена проводника с окружающей сре- дой зависит от следующих факторов: скорость газовой или жид- кой среды, физические свойства среды (плотность, теплопровод- ность, вязкость), температура среды, геометрические размеры проводника.
|
|
|
Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использо- вать для измерения различных неэлектрических величин, харак- теризующих газовую или жидкую среду: температуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).
Материал преобразователей. Тепловым преобразователем может служить проводник с высоким и стабильным температур- ным коэффициентом электрического сопротивления. Этим требо- ваниям удовлетворяют в основном проводники из химически чи- стых металлов, так как большинство из них обладает положи- тельным температурным коэффициентом, колеблющимся (в ин- тервале 0... 100°С) от 0,35 до 0,68 % на 1 °С.
Наибольшее распространение в качестве преобразователей получили платина, медь и никель. Вопрос о выборе материала для того или иного преобразователя решается в основном хими- ческой инертностью металла в измеряемой среде и пределом из- менения температуры.
Так, медный преобразователь можно применять при темпера- туре в пределах (-50... + 180°С) в атмосфере, свободной от влаж- ности и газов. При более высоких температурах медь окисляется. Изоляцией для меди могут служить эмаль, винифлекс, шелк. Не- достатком меди является ее малое удельное сопротивление.
Никель при условии хорошей изоляции от воздействия среды можно применять при температуре до 250...300°С, а при более вы- соких температурах зависимость R = f (t) для него неоднозначна. Линейная зависимость R = f (t) у никеля выполняется только для температур не выше 100 °С. Недостатком никелевых преобразова- телей является различный для каждой марки никеля температур- ный коэффициент (0,51...0,58% на 1°С). Поэтому последовательно с никелевой проволокой обычно включают манганиновое сопро- тивление, снижающее температурный коэффициент до расчетного и стабилизирующее его. Достоинством никеля является большая величина его удельного сопротивления (ρ =0,075...0,085 Ом мм2/м).
Наилучшими свойствами обладает платина, так как она, во- первых, химически инертна, а во-вторых, может быть использо- вана в диапазоне температур -200...+650°С. Однако платину нель- зя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т.д.).
|
|
|
В настоящее время все чаще применяются полупроводнико- вые терморезисторы (термисторы), которые изготовляют из сме- си оксидов различных металлов: меди, кобальта, магния, марган- ца и др. В процессе изготовления преобразователь подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге оксиды спекаются
в плотную массу в виде шарика, столбика или шайбы, на нее напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной про- волоки. Для зашиты от внешних воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметически металлический корпус или запаивают в стекло.
С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Зависимость сопротивления от температуры выра- жается формулой
Rt = Ae B / T,
(4.3)
где A – постоянная, зависящая от материала, его размеров и формы; В – постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; Т – температура преобразователя в градусах абсолютной шкалы.
Промышленность выпускает термометры сопротивления в раз- нообразном конструктивном исполнении типов ММТ, КМ Г-4 МКМТ.
Д о с т о и н с т в а: очень высокий (отрицательный) темпера- турный коэффициент сопротивления (2,5...4% на 1°С); чувстви- тельность в 6...10 раз выше, чем чувствительность металлическо- го терморезистора; малая теплоемкость и инерционность.
Н е д о с т а т к и: нелинейная зависимость их сопротивления от температуры (рис. 4.18) и большой разброс и нестабильность ха- рактеристик от образца к образцу. Это затрудняет получение ли- нейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупро- водника. Кроме того, у них довольно мал температурный диапа- зон (-100...+120°С).
При работе с преобразователями нужно стремиться к тому, чтобы все факторы как можно меньше влияли на изменение со- противления преобразователя. Следовательно, требования к пре- образователю, его погрешности и свойства будут определяться с зависимости от их использования. Ниже рассмотрим принцип
|
|
|
использования тепловых преобразователей для измерения раз- личных неэлектрических величин.
ΔR/R,%
240
160
1
80 2
0
-80
0 40 80 120 t,°C
Рис. 4.18. Функция преобразования термистора: 1 – типа ММТ; 2 – медного
Термоанемометры. Если нагреваемый током тепловой пре- образователь погружен в жидкую или газовую среду, то его тем- пература определяется режимом теплового равновесия между количеством теплоты, подводимой к проволоке и отдаваемой в окружающую среду.
Если среда движется, т.е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача теплоты путем конвекции превосходит все другие охлаждающие факторы и зависит от скорости потока.
Приборы, измеряющие скорость газового потока, называются термоанемометрами (рис. 4.19).
1
2
3
4
Рис. 4.19. Устройство термоанемометра: 1 – платановая проволока; 2 – манганиновые стерженьки; 3 – ручка; 4 – выводы
Термочувствительным элементом такого прибора служит пла- тиновая проволока 1, прикрепленная к манганиновым стержень- кам 2, которые, в свою очередь, крепятся к ручке 3 из изолирую- щего материала. Для включения преобразователя в измеритель- ную цепь служат выводы 4.
Работа основана на изменении сопротивления проволоки 1 в зависимости от скорости газового потока.
Потеря проволокой теплоты путем конвекции выражается формулой
I 2 R = eF(tпр - tср),
где ε – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность проволоки в среде; t пр и t ср – соответственно температура проволоки и среды.
Здесь величина е зависит не только от скорости движения
среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности сре- ды, поэтому ее рассчитывают с помощью теории подобия. Пре- образователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь (рис.4.20).
R1 Rпр
Г
R2 R3
V
I
U
Рис. 4.20. Схема включения преобразователя термоанемометра в мостовую цепь
Измерение можно производить, поддерживая постоянным либо ток I в неразветвленной части моста, либо напряжение питания моста U (при работе в неравновесном режиме) или непрерывно
поддерживая соответствующее равновесию моста значение сопро- тивления R Пртермоанемометра путем изменения тока I (тогда мост будет находиться в режиме равновесия для каждого значения ско- рости V). Градуировочная кривая R=f(v) при I = const показана на рис.4.21. Очевидно, что шкала прибора получается нелинейной.
|
4,4
4,0
3,6
3,2 10 14 18 V,мс
Рис. 4.21. Градуировочная кривая шкалы прибора термоанемометра
|
|
|
Иногда для получения более линейной шкалы измеряют не ток I, а падение напряжения на платиновой проволоке RK. Так как значение RK вследствие нагревания проволоки током увеличива- ется при возрастании I, то зависимость IRK= f(v) оказывается бо- лее линейной, чем зависимость I = f(v), но при этом увеличивает- ся инерционность.
Температуру проволоки термоанемометра можно также изме- рить с помощью термопары (рис. 4.22).
U
RТП
ТП
mV
A
U
Рис. 4.22. Схема измерения температуры нагревателя термоанемометра
термопарой
Рабочий спай термопары приварен к середине нагреваемой проволоки R ТП, и милливольтметр mV измеряет развиваемую термопарой термо-ЭДС, зависящую от температуры сопротивле- ния R ТП, а следовательно, от скорости потока V, т.е.
E = f (t) =
f 1 (u).
Для того чтобы обеспечить достаточную чувствительность прибора, необходимо нагревать проволоку термоанемометра до температуры 600...800°С. Особенно это важно для термоанемо- метров с термопарой, так как термо-ЭДС растет с увеличением температуры рабочего спая.
Так как не все материалы можно нагревать до такой темпера- туры, то чаще всего в качестве термопреобразователя термоане- мометра используют платину.
Погрешности термоанемометра
Погрешностью от потерь, обусловленных теплопроводностью самого проводника, можно пренебречь, если взять отношение его длины к диаметру l/d≥ 500 (обычно берется проволока длиной 5...20 мм и диаметром 0,02...0,06 мм).
Потерями на излучение можно также пренебречь, если термо- преобразователь работает в открытом газовом потоке или когда температура проволоки отличается от температуры окружающей среды или стенок камеры не больше, чем на 100ºС.
Если потерями на теплопроводность и лучеиспускание прене- бречь нельзя, их можно учесть градуировкой, если, конечно, эти потери сохраняют свое значение во время работы.
Как известно, коэффициент теплоотдачи ε зависит не только от скорости, но и от теплопроводности среды. Поэтому если в процессе эксплуатации прибора состав, а следовательно, и тепло- проводность исследуемого газового потока будет меняться, то
будут меняться коэффициент ε и температура проволоки, что мо- жет внести заметную погрешность в измерения.
Поэтому нужно следить за тем, чтобы состав среды во время градуировки и эксплуатации прибора был один и тот же.
Проволока термоанемометра должна быть расположена по возможности перпендикулярно направлению потока. Отклонение от этого положения более чем на 10ºС вызывает значительное изменение показаний.
Газоанализаторы. Приборы, предназначенные для определе- ния процентного содержания компонента газовой смеси, называ- ются газоанализаторами. Принцип их действия основан на изме- нении сопротивления проводника в зависимости от теплопровод- ности смеси газов. Теплопроводность газовых смесей, состоящих из газов, не вступающих в реакцию друг с другом, примерно рав- на среднему арифметическому их составляющих.
Для смеси из двух газов:
lсм 12
= lсм 1 а + lсм 2 b,
100
(4.4)
где λ см12, λ см1, λ см2, – соответственно теплопроводности смеси и компонентов; а и b – процентное содержание компонентов смеси. Если необходимо определить процентное содержание газа, имеющего теплопроводность λ см1, в смеси с другим газом, имею- щим теплопроводность λ см2, то выражение для λ см12можно запи-
сать так:
lсм 12
= lсм 1+ lсм 2 ( 100 - a),
100
(4.5)
т.е., измерив λ см12 смеси и зная табличные значения λ см1 в λ см2 га- зов, образующих смесь, можно определить а (процентное содер- жание одного из газов).
Выражение (4.4) дает лишь приближенную зависимость теп- лопроводности смеси от ее состава, поэтому на практике целесо-
образнее производить градуировку электрических газоанализато- ров экспериментально либо путем сравнения с образцовыми га- зоанализаторами, либо приготовляя в газгольдере смеси газов различных концентраций.
Выражение (4.5) относится к измерению концентрации одного из компонентов двухкомпонентной смеси.
Измерение концентрации одного из компонентов более слож- ных смесей возможно лишь в том случае, когда все остальные компоненты газовой смеси имеют практически одинаковую теп- лопроводность либо когда концентрация остальных компонентов постоянная.
На рис. 4.23 показано принципиальное устройство газоанали- затора.
Проволока 1, закрепленная в камере 2, обтекается исследуе- мым газом, теплопроводность которого изменяется в зависимости от состава.
1 2
Рис. 4.23. Устройство газоанализатора: 1 – проволока; 2 – камера
Материал проводника выбирается из тех же соображений, что и для термоанемометра. Измерительные цепи аналогичны цепям термоанемометра.
Погрешности газоанализатора.
Для уменьшения погрешности газоанализатора нужно стре- миться к тому, чтобы тепловое равновесие проволоки в камере определялось в основном теплопроводностью газовой смеси, остальные же виды теплообмена должны быть сведены к мини- муму.
Потери на лучеиспускание и теплопроводность самой прово- локи исключаются тем же путем, что и в термоанемометрах, т.е. соответствующим выбором размеров проводника (l =50...60 мм; d = 0,03...0,05 мм) и градуировкой.
Потери на конвекцию, которые зависят от скорости протека- ния газа, можно учесть градуировкой, если скорость газа посто- янна.
Если же скорость газа не является постоянной величиной, то может возникнуть погрешность измерения. Подсчет этой по- грешности возможен, если известна зависимость коэффициента теплоотдачи е от скорости. Если же величина е неизвестна, то стремятся к уменьшению скорости газа.
Погрешность, обусловленная потерями теплоты на конвек- цию, может быть сведена к нулю, если газ в камеру попадает только в процессе диффузии. Однако инерция подобных преобра- зователей так велика, что время измерения достигает 15 мин, что неудобно в работе. Обычно, стремясь уменьшить за- висимость показаний от скорости, допускают время измерения до 5...8 мин. Потери на конвекцию зависят также от расположения проволоки в камере, поэтому в газоанализаторах ее располагают вдоль оси камеры.
Погрешность прибора зависит от положения проволоки в ка- мере. Если проволока во время эксплуатации сместится относи- тельно того положения, которое она имела при градуировке, то изменятся условия теплового равновесия и температура самой проволоки. Поэтому преобразователь обычно изготовляют в виде прямой проволоки и механически обеспечивают постоянство ее расположения в камере.
Термометры сопротивления. Эти приборы применяются как датчики для измерения температуры. По материалу чувствительного
элемента их подразделяют на термометры сопротивления платино- вые (ТСП) и термометры сопротивления медные (ТСМ).
Рассмотрим устройство термометров сопротивления на при- мере платинового проводникового преобразователя, представ- ленного на рис. 4.24.
3
4
2
1
Рис. 4.24. Устройство термометра сопротивления: 1– каркас; 2 – платиновая проволока; 3 – выводы; 4 – прокладки
Преобразователь представляет собой голую платиновую про- волоку 2 диаметром 0,05...0,07 мм, намотанную на каркас 1 раз- мером 100х10 мм. Обмотка укладывается в зубчатую нарезку на краях каркаса. В качестве каркаса используют материалы, обла- дающие термостойкостью и высокими электроизоляционными свойствами: слюда, кварц, фарфор.
К концам обмотки припаивают выводы 3 из серебряной прово- локи, которые изолируют фарфоровыми бусами. В термометрах сопротивления, предназначенных для измерения температуры до 100°С, возможно применение выводов из меди. При более высокой температуре спай меди с платиной образует термопару и развива- емая ею термо-ЭДС будет служить источником погрешности.
Обмотку с каркасом заключают между двух слюдяных прокла- док 4, затем всю конструкцию собирают в пакет серебряной лентой и заключают в тонкостенную алюминиевую трубку, а затем в чехол из нержавеющей стали. Выводы датчика подключают к зажимам специальной платы, установленной в головке защитного чехла.
Чувствительный элемент медного термометра сопротивления наматывают на пластмассовый каркас изолированной медной проволокой диаметром 0,1 мм в несколько слоев. Затем поверх- ность покрывают глифталевым лаком, а выводы обмотки изоли- руют фарфоровыми бусами. Плату с обмоткой заключают в тон- костенную металлическую гильзу длиной 105 мм, а затем в за- щитный чехол.
Термометры сопротивления бывают одинарные и двойные. В двойных термометрах сопротивления встроены два изолиро- ванных друг от друга чувствительных элемента, применяемые для одновременного измерения температуры одной точки двумя приборами. Медные и платиновые термометры сопротивления выпускают со строго определенными значениями сопротивлений, соответственно своих топов и градуировок. Наиболее распро- страненными преобразователями температуры являются медные термометры сопротивления градуировок 50М и 100М, платино- вые – градуировок 50П и 100П. Числа 50 и 100 обозначают со- противление чувствительного элемента при 0°С (50, 100 Ом), а буквы М и П обозначают материал обмотки термометра сопро- тивления – соответственно медь и платина.
При измерении температуры электрическое сопротивление термометров определяют градуировочными данными и прибли- женной формулой
Rt = R 0(1 + at),
где Rt – сопротивление термометра при нагревании на t °С; R0 – сопротивление термометра при 0 °С; α – температурный коэффи- циент (для меди равен 4,3 · 10-3).
Основными факторами, влияющими на погрешность измере- ния температуры технологических объектов, являются: инерци-
онность термодатчиков, неправильная их установка, нарушение условий монтажа и эксплуатации приборов.
Инерционность термодатчиков проявляется с увеличением скорости изменения температуры объекта, так как возникает зна- чительная разница в показаниях прибора и истинной температу- рой объекта.
При использовании термодатчиков в агрессивной среде и при высоких давлениях за счет использования соответствующих за- щитных гильз значительно увеличивается их инерционность. Для уменьшения инерционности зазор между датчиком и установоч- ной гильзой по всей длине заполняют средой с большой тепло- проводностью. При рабочей температуре 0... 200ºС используют компрессионное масло, при температуре свыше 200ºС – чугунные или бронзовые опилки.
Термометры сопротивления по точности подразделяют на три класса, по инерционности – на малоинерционные (до 9 с), сред- неинерционные (10...80 с), высокоинерционные (до 4 мин).
В соответствии с требованиями производства датчики темпе- ратур имеют различную монтажную (установочную) длину в ин- тервале от 60 до 3200 мм.
Измерительные цепи. Во всех термометрах сопротивления используется принцип измерения сопротивления, изменяюще- го свою величину в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Поэтому в комплекте с термометрами со- противления используют приборы, измеряющие электрическое сопротивление (омметры). К таким приборам относятся лого- метры и мосты, шкалы которых отградуированы в градусах Цельсия. Широкое распространение получили неравновесные мостовые схемы измерения с логометром в качестве измерите- ля (рис. 4.25).
R2 R3
R4
=U
R‘0 R“0
R1 R0
RД RТ
Рис. 4.25. Неравновесный мост с логометрическим измерителем:
R1, R2, R3 – резисторы плеч моста, выполненные из манганина;
R' 0, R ''0,– резисторы рамок логометра; R4 – резистор, компенсирующий температурную погрешность логометра; R 0 – резистор для подгонки нулевой точки шкалы; RД – резистор, дополняющий сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительной цепью до значения, принятого
при градуировке термометра (обычно RД =50 м); RТ – преобразователь термометра сопротивления
Часто применяются также автоматически уравновешиваемые мосты, у которых при выходе из равновесия напряжение разба- ланса ∆ U, усиленное усилителем У, поступает на управляющую обмотку двигателя Д. Двигатель перемещает движок реохорда R рдо тех пор, пока мост снова не придет в равновесие при новом значении измеряемой температуры. С реохордом связан указа- тель отсчетного устройства, отградуированного в ºС (рис. 4.26).
R2 R3
У =U
R1 RР
Д
°C
RТ
Рис. 4.26. Схема автоматически уравновешиваемого моста
Наиболее существенной погрешностью термометров сопро- тивления является погрешность, обусловленная изменением со-
противления линии вследствие колебания температуры окружа- ющей среды. При больших расстояниях между объектом измере- ния и измерительной схемой сопротивление линии может быть 5 Ом, тогда как начальное сопротивление термосопротивлений обычно составляет 50 или 100 Ом. Поэтому изменение сопротив- ления линии может внести существенную ошибку в измерения.
Для уменьшения этой погрешности подключение термометра сопротивления RТ к прибору выполняется по схеме, представлен- ной на рис. 4.27.
Здесь одна из вершин диагонали питания перенесена непо- средственно к преобразователю. Благодаря этому сопротивление провода 2 суммируется с сопротивлением плеча R 1, а сопротив- ление провода 1 – с сопротивлением преобразователя RT. Одина- ковое изменение сопротивления в соседних плечах почти не от- разится на равновесии моста в случае его работы в равновесном режиме.
R2 R3
R4
=U
R‘0 R“0 1
R1
2
RТ
Рис. 4.27. Трехпроводная схема включения термометра сопротивления: 1, 2 – провода
При работе в неравновесном режиме погрешность также будет значительно меньшей, чем в случае двухпроводной линии.
Нагрев преобразователя термометра протекающим по нему током также создает погрешность. Для уменьшения этой погреш-
ности следовало бы снижать ток до минимальной величины. Од- нако это приведет к потере чувствительности мостовой цепи и нужно будет применять высокочувствительный индикатор. По- этому допустимая сила тока через термопреобразователь состав- ляет 10...15 мА.
Измерители плотности газа (вакуумметры). Измерение ма- лых плотностей газа при помощи термосопротивлений основано на зависимости теплопроводности сильно разряженных газов от степени разрежения.
При плотностях газа, соответствующих области атмосферного давления, теплопроводность газа практически не зависит от плотности. Молекула газа, ударившись о нагретое термосопро- тивление, получает добавочную кинетическую энергию, опреде- ляемую температурой нагретого тела. Затем по мере перемеще- ния от нагретой поверхности к холодной молекула сталкивается с целым рядом других молекул. Таким образом, в передаче тепло- ты от нагретой поверхности к холодной участвуют много моле- кул, что статистически приводит к постоянству среднего по объ- ему значения теплопроводности среды.
Однако при уменьшении концентрации, т.е. количества газа или воздуха в замкнутой камере, возрастает длина свободного пробега молекулы. Когда средняя длина свободного пробега мо- лекулы становится величиной одного порядка с расстоянием меж- ду термосопротивлением и стенками камеры, теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул, т.е. плотностью (концентрацией) молекул в камере, практически независимо от температуры и давления газа. Таким образом, естественной вход- ной величиной таких преобразователей является концентрация, т.е. число молекул, находящихся в камере. Выходной величиной – температура (или сопротивление) термосопротивления. Принци- пиальное устройство вакуумметра представлено на рис. 4.28.
|
|
|
