Лекция 144

13.1 Емкостные датчики

Электрическая емкость плоского конденсатора

_'

где S - площадь взаимного перекрытия пластин конденсатора (две пластины), см²; ε - диэлектрическая проницаемость среды; d - расстояние между пластинами, см.

На рис. 35 приведена схема емкостного датчика перемещения (рис. 28а) и его характеристика (рис. 28 б), представляющая собой зависимость емкости датчика от расстояния между пластинами.

Рис. 28 Схема (а) и характеристика (б) емкостного датчика

В схеме с емкостным датчиком происходит преобразование перемещения подвижной части датчика, осуществляемого под действием силы Р в электрическую выходную величину (частоту, ток, напряжение), зависящую от входной величины.

Емкостные датчики включаются в мостовую схему, или резонансную схему с усилителем. Достоинствами емкостных датчиков являются потребность очень малых усилий для перемещения подвижной части (ротора) емкостного датчика, высокая чувствительность, относительно малые габариты и вес, а также малая величина сил притяжения между пластинами.

Основные области применения емкостных датчиков: преобразование в электрический сигнал быстро меняющихся величин линейных и угловых перемещений, скоростей, ускорений, давлений, вибраций.

Существенными недостатками емкостных датчиков являются большая величина их реактивного сопротивления и невозможность в связи с этим их использовать на промышленной частоте, а также зависимость точности результатов измерений от состояния окружающей среды.

14.2 Термоэлектрические датчики

Если составить электрическую цепь из двух разнородных металлических проводников (или полупроводников), причем с одного конца проводники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает э.д.с. Величина этой э.д.с. будет зависеть от материалов электродов, разности температур места спая и свободных (не спаянных) концов. Такая э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с), а прибор, который служит для создания термо-э.д.с, называется термопарой, или термоэлектрическим датчиком. Следовательно, термоэлектрический датчик преобразует измеряемую температуру в пропорциональную ей э.д.с. (термо-э.д.с).

Для измерения температуры при помощи термопары следует определить величину термо-э.д.с. в ней, которая будет тем больше, чем выше температура спая, помещенного в измеряемую среду. Поэтому, кроме термопары, являющейся первичным прибором, необходим вторичный прибор - чувствительный электроизмерительный прибор.

С оставим электрическую цепь из двух разнородных проводников (термоэлектродов) А и Б, образующих термопару (рис. 29).

При различных температурах спаев t₁ и t₂ создаются две термо-э.д.с: в спае 1 при температуре t образуется термо-э.д.с. е_АБ(t₁); в спае 2 при температуре t₂ - термо-э.д.с. е_АБ(t₂).

Термо-э.д.с, вырабатываемая термопарой, является результирующей термо-э.д.с. Е_АБ(t₁, t₂) . Она равна разности двух термо-э.д.с, возникающих в спаях 1 и 2:

. (13.1)

Спай, помещаемый в измерительную среду, называется рабочим концом термопары, второй спай называется свободным концом. Если температуру свободного конца поддерживать неизменной, т.е. е_АБ(t₂)=const=C,

то из предыдущей формулы (5.1) следует, что

, (13.2)

где С - постоянная величина, соответствующая температуре t₂.

И

Рис. 29 Схема термоэлектрического датчика

з формулы (13.2) видно, что измерение температуры при помощи рабочего конца термопары можно свести к измерению термо-э.д.с, которую развивает термопара при постоянной температуре свободного конца.

Для различных типов термопар функция Е=f(t) имеет сложный вид и определяется опытным путем. Определение зависимости э.д.с. термопары от температуры ей рабочего конца при постоянном значении температуры свободного конца называется градуировкой термопары. Градуировка дается либо в виде таблицы, либо в виде графика. Обычно эту зависимость принято давать при температуре свободного конца, равной 0°С.

Д ля измерения термо-э.д.с. и, следовательно, температуры в цепь термопары необходимо включить электроизмерительный прибор, для чего следует разорвать электрическую цепь, показанную на рис.29. Наибольшее распространение получил способ подключения измерительного прибора 1 к свободному концу термопары 2 (рис. 30).