ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

За последние годы большое значение приобрел метод измерения неэлектрических величин, основанный на изменении электрического сопротивления резистора, испытывающего деформацию. Весьма тонкий металлический проводник под действием растягивающих или сжимающих сил изменяет свое электрическое сопротивление.

При деформации оно изменяется не только вследствие изменения размеров (длины и площади поперечного сечения ), но также и вследствие изменения структуры материала .

Сопротивление R резистора определяется по формуле

(2.3)

где — удельное сопротивление материала.

Относительное изменение сопротивления , с одной стороны, пропорционально относительной деформации , т. е.

(2.4)

где — коэффициент электромеханической связи резистора, а с другой, выражается через параметры резистора в виде проводника

(2.5)

На основании выражений (2.4) и (2.5) можно написать

(2.6)

Учитывая, что , ,

где — коэффициент Пуассона, получим

(2.7)

Экспериментальные исследования показывают, что относительное изменение удельного сопротивления пропорционально относительной деформации, т. е.

(2.8)

где — коэффициент пропорциональности, различный для разных материалов.

Следовательно:

(2.9)

Отсюда следует, что коэффициент связи , характеризующий чувствительность проволочного преобразователя, зависит от материальных констант и и для данного материала остается постоянным.

Значение коэффициента Пуассона для разных материалов . Приняв , получим . Экспериментами установлено, что значения коэффициента колеблются в пределах . Следовательно, чувствительность проволочного преобразователя изменяется от 2 до 3,5. При относительной деформации в 1% изменение сопротивления составляет 2—3,5%.

На величину удельного сопротивления существенное влияние оказывает характер обработки проволоки и температура окружающей среды. Величина для некоторых сплавов, как, например, константана, достаточно постоянна независимо от обработки и температуры. Такие сплавы имеют широкое применение в измерительной технике. Они используются для изготовления проволочных преобразователей, получивших название тензодатчиков.

Метод проволочного сопротивления находит применение при измерении деформации упругих тел, а также при измерении таких неэлектрических величин, которые можно преобразовать в деформацию. Проволочные преобразователи выполняются в виде решетки из тонкой проволоки диаметром порядка 20—30 мк, приклеиваемой к бумажной полоске или органической пленке (рис.2.5).

Бумажную полоску наклеивают на ту деталь, деформацию которой необходимо измерить. Сопротивление датчика обычно составляет 100—200 Oм при размерах решетки 8X10 мм.

Преимуществами проволочных преобразователей являются малые габариты и вес, возможность измерения деформации в труднодоступных местах и возможность измерения быстроизменяющихся величин.

К недостаткам метода следует отнести малую чувствительность, обычно вызывающую необходимость усиления, и необходимость в индивидуальной градуировке в связи с различием в параметрах датчиков.

Повышение чувствительности тензодатчиков достигается заменой проволоки тонкой фольгой () и изготовлением решетки из полупроводников ().

Большое распространение получили методы измерения неэлектрических величин, основанные на зависимости электрического сопротивления R резистора от его температуры . т.е.

Температура резистора , а, следовательно, и его сопротивление R зависят от многих физических и геометрических факторов: плотности протекающего по проводнику тока; температуры окружающей среды и арматуры; геометрических размеров резистора и формы его поверхности; геометрических размеров и формы арматуры, к которой крепится резистор; скорости, плотности и состава среды.

ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЯ.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические, электрическое сопротивление которых зависит от температуры, называются термосопротивлениями.

Зависимость сопротивления R резистора от различных физических параметров газовой среды может быть использовано для измерения температуры, скорости, плотности и концентрации (состава). При создании приборов для измерения этих величин чувствительные элементы конструируют так, чтобы их температура определялась в основном измеряемым параметром. Например, в термометрах сопротивления температура чувствительного элемента должна определяться температурой окружающей среды, тогда как другие факторы не должны оказывать на него заметного влияния. В приборах для измерения скорости температура чувствительного элемента не должна зависеть от других факторов, кроме измеряемой скорости.

Чувствительные элементы, в качестве которых применяют термосопротивления, можно разделить на две группы.

К первой группе относятся чувствительные элементы, в которых термосопротивления нагружены током малой плотности, и температура которых определяется в основном температурой окружающей среды. Эти элементы используются в термометрах.

Ко второй группе относятся приборы с сильно нагруженными током термосопротивлениями; температура термосопротивлений от нагрева собственным током обычно находится в пределах 100—400° С. Подобные термосопротивления непосредственно омываются испытуемой средой и обычно применяются в приборах для измерения скорости, расхода, плотности, концентрации и других параметров.

В качестве примера рассмотрим работу полупроводниковых терморезисторов(ПТР).

ПТР - это объемные полупроводниковые резисторы с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Материалом ПТР служат окислы и смеси окислов различных металлов. Так, терморезисторы МMT и СТ2 изготавливаются из медно-марганцевых, KMT и CTI - из кобальто-марганцевых, а СТЗ - из медно-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников.

Основные параметры и характеристики ПТР.

Температурная характеристика – зависимость сопротивления ПТР от температуры; в рабочем диапазоне температур эта зависимость определяется соотношением:

R_T=A∙e^В/Т, (1.1)

где R_T – сопротивление ПТР при температуре Т К;

А и В – коэффициенты, постоянные для данного экземпляра ПТР (А – величина, зависящая от материала и геометрических размеров ПТР; В – постоянная, характеризующая физические свойства материала, его температурную чувствительность).

Чтобы задать температурную характеристику, достаточно знать координаты двух ее точек (R₀, T₀) и (R₁, Т₁).

Тогда из выражения (1.1), записанного для двух значений температур, имеем:

(1.2)

Пользуясь формулой (1.2), можно рассчитать величину сопротивления ПТР при любой температуре, если известны значения постоянной В и сопротивления ПТР при температуре Т₀. Логарифмируя выражение (1.2), получим значение постоянной В:

(1.3)

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) - это зависимость между протекающим через резистор током и падением напряжения на нём при установившемся режиме нагрева (рис.1.1). ВАХ терморезистора не линейна, что обусловлено разогревом рабочего тела протекающим по нему током. Уравнение ВАХ может быть представлено в параметрическом виде (параметром является Т), для чего составим уравнение теплового баланса:

Рис.1.1 Пример вольт-амперной характеристики.

(1.4)

откуда

(1.5)

(1.6)

где b – коэффициент рассеяния, учитывающий все виды распространения тепла от рабочего тела (теплопроводность, конвекцию, излучение).

Считая, что b = const, продифференцируем уравнение (1.6) по Т. Приравнивая к нулю первую производную, получим:

(1.7)

Температура резистора в точке максимума вольтамперной характеристики равна:

(1.8)

Температура, а следовательно и сопротивление в точке максимума ВАХ зависят от температуры окружающей среды и не зависит от коэффициента рассеяния. Из выражений (1.5) и (1.6) следует, что ВАХ зависят от температуры среды Т₀ и коэффициента рассеяния b. (рис. 1.2, 1.3).

рис.1.2. ВАХ терморезистора при различных окружающих средах.	рис.1.3. Семейство ВАХ терморе- зистора при различных значениях температуры окружающей среды

В каждой точке статической ВАХ различают статическое и дифференциальное сопротивление

и .

Статическое сопротивление пропорционально тангенсу угла α, образованного секущей, проведённой из начала координат в рассматриваемую точку ВАХ, и осью токов. Дифференциальное сопротивление пропорционально тангенсу угла β, образованного касательной в рассматриваемой точке характеристики с осью токов (см. рис. 1.1.).

Коэффициент рассеяния b – представляет собой мощность, рассеиваемую терморезистором, при разности температур ПТР и окружающей среды в один градус.

Величина коэффициента рассеяния зависит от материала и размеров ПТР, от характера среды и её состояния: скорости движения, влажности, давления и т.д. Для нахождения коэффициента рассеяния необходимо:

1) выбрать на ВАХ ряд точек в подсчитать для них по значениям тока и напряжения мощность, выделяемую в ПТР, и его сопротивление;

2) с помощью температурной характеристики по подсчитанным выше сопротивлениям найти значения температуры, соответствующие каждой точке;

3) вычислить разность температур рабочего тела ПТР и окружающей среды для каждой точки;

4) вычислить коэффициент рассеяния из уравнения энергетического баланса

мВт/град. (1.9)

Температурный коэффициент сопротивления α_Т – относительное изменение сопротивления ПТР при изменении температуры на один градус

αТ= град. (1.10)

Тепловая инерционность терморезисторов характеризуется постоянной времени τ. Она равна времени, в течение которого температура ПТР при его свободном охлаждении понижается на 63% от первоначальной разности температур ПТР и окружающей среды (рис.1.4). Величина τ лежит в широких пределах - от десятых долей до десятков секунд.

Определение постоянной времени достаточно больших ПТР производится следующим образом. ПТР разогревается до определенной температуры Т₁ в термостате. Вычитая из этой температуры, температуру среды Т₀, находят начальное значение перегрева θ_нач. 0стаётся определить значение сопротивления, которое будет иметь ПТР после уменьшения температуры перегрева на 63%, т.е. в тот момент, когда температура рабочего тела примет значение (Т₀ + 0,37θ_нач). Соответствующее значение сопротивления находят по температурной характеристике. На эту величину настраивают измерительный мост. Затем, разогретый ПТР быстро переносится в среду с температурой Т₀. При этом замеряется время τ с момента переноса ПТР до достижения им температуры (Т₀ + 0,37θ_нач). Фиксируемой по измерительному мосту.

При высоких температурах в полупроводниковом материале терморезистора могут происходить необратимые структурные изменения, в результате которых изменяются его параметры. Наибольшую, температуру, при которой ПТР сохраняет стабильность параметров при длительной эксплуатации, называют предельно допустимой Т_доп.

Соответствующая этой температуре мощность рассеяния называется максимально допустимой мощностью рассеяния Р_макс..

Рис.1.4. Определение постоянной времени

Методика снятия ВАХ ПТР.

Снятие ВАХ имеет особенности, обусловленные инерционностью ПТР и наличием отрицательного участка на его ВАХ. Схема для снятия ВАХ изображена на рис.1.5,а. Существует два метода снятия этих характеристик. Первый метод основан на использовании постоянного добавочного сопротивления и источника регулируемого напряжения U. Изменяя напряжение U, можно снять всю ВАХ (рис.1.5,б). При этом величина добавочного сопротивления R должна быть больше максимального отрицательного дифференциального сопротивления ПТР. В противном случае характеристику полностью снять не удаётся. Второй метод снятия ВАХ ПТР основан на изменении величины добавочного сопротивления R. Напряжение U при этом постоянно (рис.1.5, в).

Вследствие тепловой инерционности ПТР измерения при снятии ВАХ должны проводиться после некоторой выдержки, чтоб установилось тепловое равновесие между ПТР и окружающей средой. При снятии ВАХ необходимо поддерживать постоянными температуру окружающей среды и условия теплоотдачи ПТР.

Рис. 1.5. Снятие ВАХ терморезистора.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: