Лабораторная работа № 6 Исследование детекторных и термоэлектрических приборов

Цель работы: Получение навыков работы с детекторами

Краткие теоретические сведения

6.1.1 Детектор в радиотехнике, устройство для детектирования электрических колебаний. Применяют в вещательных, связных, телевизионных радиоприёмниках, измерительных устройствах и многих др. для выделения модулирующих частот колебаний, несущих информацию. Различают амплитудный, частотный и фазовый детектор. В амплитудном детекторе для детектирования высокочастотных амплитудно-модулированных (AM) колебаний в качестве элемента с нелинейной электрической проводимостью применяют чаще всего полупроводниковый диод. Для детектирования однополосных AM колебаний используют однотактный или двухтактный (для уменьшения нелинейных искажений сигнала) амплитудный детектор на диоде. На вход детектора подаются принятый сигнал боковой полосы частот и колебания гетеродина с частотой, равной несущей частоте сигнала. При этом дектектор работает подобно преобразователю частоты. В частотном и фазовом детекторе частотно- и фазово-модулированные (ЧМ и ФМ) колебания вначале преобразуются в AM колебания, которые затем детектируются амплитудным детектором. Изменения частоты колебаний ЧМ сигнала вызывают пропорциональные изменения амплитуды колебаний на контуре, подаваемых затем на диод (амплитудный детектор). В фазовом детекторе амплитуда выходного сигнала зависит от сдвига фаз между принятыми ФМ колебаниями и опорными (эталонными) колебаниями той же частоты, подаваемыми далее на вход амплитудного детектора. Для детектирования ФМ колебаний может быть применён также частотный детектор с дополнительной электрической цепью, корректирующей различия между обоими видами модуляции.

Основной характеристикой ЧД является передаточная характеристика – зависимость постоянного выходного напряжения. Детектор средневыпрямленного значения - устрой­ство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения.

6.1.2 Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термоэлектрический преобразователь преобразует действующее значение переменного то­ка в постоянное напряжение. Он состоит из нагревателя-проводника, по ко­торому протекает ток, действующее значение которого измеряется, и миниа­тюрной термопары, в которой под действием теплоты, выделяемой проте­кающим в нагревателе током, возникает электродвижущая сила. В качестве нагревателя используется тонкая проволока из материала, допускающего длительный нагрев (до 600-800 ⁰С) и имеющего низкий температурный коэф­фициент сопротивления (нихром, константан и др.). Электроды термопар вы­полняют из металлов и их сплавов, например, термопары хромель-копель или платина-платинородий, дающих достаточно высокую термо-ЭДС (до 50-60 мкВ при нагреве на 1 ⁰С).

По конструкции различают контактные и бесконтактные термоэлектриче­ские преобразователи.

В контактных термоэлектрических преобразователях горячий спай термо­пары и нагреватель электрически соединены друг с другом. В бесконтактных преобразователях горячий спай термопары и нагреватель разделены изолятором, например каплей стекла. Тепло от нагревателя через изолятор передаёмся термопаре. Изоляционная прослойка между нагревателем и термопарой увеличивает инерционность преобразова­теля, уменьшает его чувствительность, но изолирует цепь термопары от цепи нагревателя, предотвращая ответвление тока, протекающего через нагрева­тель, в цепь термопары. Преимуществом бесконтактных преобразователей является возможность создания термобатарей, состоящих из нескольких тер­мопар, соединённых последовательно. Термо-ЭДС батареи возрастает про­порционально количеству термопар, впоследствии чего повышается чувстви­тельность преобразователя.

Термоэлектрические преобразователи, рассчитанные на малые токи (150-300 мА), выполняют вакуумными, т.е. помещают нагреватель и термопару в стеклянную колбу, из которой выкачан воздух. Вакуум уменьшает теплоот­дачу в окружающую среду, следовательно, для нагрева горячего спая термо­пары требуется меньшая мощность.

К свободным концам термопары присоединяется магнитоэлектрический измерительный механизм. На рисунке 6.1 приведена схема термоэлектрического преобразователя с бесконтактным термоэлектрическим преобразователем.

Термоэлектрические преобразователи работают на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары: при разности температур в точках 1 и 2 (рисунок 6.1) соединения двух разнородных проводников в цепи термопары возникает термоЭДС.

Рисунок 6.1 — Схема термоэлектрического преобразователя

Точку соединения проводников (электродов) 1 называют рабочим концом термопары, точки 2 и 2' - свободными концами. Чтобы термоЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной.

Термо-ЭДС, развиваемая преобразователем, пропорциональна количеству теплоты, выделенной током в нагреватель, а количество теплоты, в свою оче­редь, пропорциональна квадрату действующего значения измеряемого тока. Ток в измерительного механизма

I_H=E/R, (6.1)

где

Е - термо-ЭДС;

R - сопротивление термопары и измерительного механизма.

Теплота, выделяемая током в проводнике, не зависит от частоты вплоть до весьма высоких частот, поэтому термоэлектрическими приборами можно пользоваться и на постоянном, и на переменном токе, включаю токи высокой частоты.

Основной недостаток термопар - значительная инерционность (в обычной арматуре показатель тепловой инерции составляет несколько минут). В настоящее время известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой энтропии составляет не более 5 с.

Содержание работы

Лабораторная работа выполняется в пакете прикладных программ «Electronics Workbench» [1].

1 Загрузить ППП «Electronics Workbench».

2 Собрать схему согласно рисунку 6.2.

3 Провести моделирование схемы рисунка 6.2 , если Uвых=(N+50), В , R1=1 кОм, где N – номер варианта. Снять выходные характеристики напряжения.

4 Включить в схему конденсатор и снять осциллограммы выходного сигнала при ёмкости С = (100+ N) мкФ, где N – номер варианта.

5 Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Назначение и типы термопар.

2. Градуировка шкалы прибора в градусах.

3. Влияние частоты на показания прибора.

4. Погрешности измерения и их причины.

5. Особенности термобатарей.

6. Что такое детектор?

7. Для чего предназначены детекторы?

Список литературы

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM РС. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и Matlab. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 800 с.

2. Атамалян Э.Г. Методы и приборы измерения электрических величин. - М. : Высш. шк., 1989. - 298 с.

3. Информационно-измерительная техника: учеб. пособие / Г.Г. Эм, Е.Б. Потемкина; КарГТУ. – Караганда : Изд-во КарГТУ, 2006. - 121 с.

4. Метрология: учеб. пособие / И.О. Шильникова; КарГТУ. – Караганда : Изд-во КарГТУ, 2010. - 119 с.

Рисунок 6.2 — Линейный детектор