5. Измерительные преобразователи температуры. Терморезисторы. Принцип работы, основное уравнение терморезистора, типы, способы подключения в измерительную цепь. Специфика применения терморезисторов.

Термосопротивлением называется проводник или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления, находящийся в теплообмене с окружающей средой, вследствие чего его сопротивление резко зависит от температуры и поэтому определяется режимом теплового обмена между проводником и средой.

Имеется 2 вида терморезисторов: металлические (медь, платина, никель) и полупроводниковые (окислы различных металлов).

ТКС металлов положительный, характеристика линейная, например медь:

1. Основное уравнение: ,

2. 

Где –ТКС, - сопротивление при 0⁰С.

Для 2 формулы должно соответствовать начальной температуре того интервала температур, для которого задано значение .

Рассмотрим 2 и 3 формулы, из них следует , т.о. определяется не только углом наклона, но и значением .

Tmax=180⁰C, Tmin=-50⁰C.

ТКС полупроводников больше, чем у металлов, отрицательный, характеристика нелинейная. Основное уравнение:

,

Где А – постоянная, зависящая от физических свойств п/п, размеров и формы термосопротивления.

В – const, зависящая только от физических свойств.

Т – температура в градусах абсолютной шкалы (К).

Для того, чтобы линеаризовать характеристику необходимо параллельно термистору включить термонезависимое сопротивление.

T₁, T₂ – диапазон температур для наиболее линейной части характеристики.

, где Т – средняя температура в измеряемом диапазоне.

Где - проводимость термистора.

Специфика применения: выбор того или иного термрсопротивления зависит от среды применения и от измеряемой температуры (медный преобразователь можно применять только до температур порядка 180°С в атмосфере, свободной от влажности и корродирующих газов, никель, при условии хорошей изоляции от воздействия среды, можно применять до 250-300°С, платиновую проволоку нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т. д.). Платиновые термометры сопротивления используют обычно от — 200 до +650°С.

Схема включения:

R1R2= R3Rt, Uвых=0. При изменении температуры изменяется Rt, R1R2≠ R3Rt Uвых≠0. Дополнительные механизмы служат для уравновешивания моста. Электродвигатель перемещает движок реостата изменяя его сопротивление, одновременно отрабатывая на стрелочном указателе величину пропорциональную Uвых.

6. Измерительные преобразователи деформации. Тензорезисторы. Конструкция, принцип работы и основное уравнение, типы тензорезисторов, измерительные цепи для включения тензорезисторов, компенсация влияния температуры окружающей среды.

Принцип действия, устройство. В основе работы тензосопротивлений (тензопреобразователей) лежит явление тензоэффекта, заклю­чающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффи­циент относительной тензочувствительности , определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины провод­ника:

Где - относительное изменение сопротивления проводника,

- относительное изменение длины проводника.

Для жидких материалов, практически не меняющих своего объема в процессе деформации, — ртути, электролитов — коэффициент тензочувствительности к = 2.

;

Откуда

Где S – площадь поперечного сечения проводника;

V – объем проводника;

- удельное сопротивление материала проводника.

При деформации твердых тел изменение их длины связано с из­менением объема, причем величина изменения объема в зоне упру­гих деформаций для каждого материала постоянна и характери­зуется коэффициентом Пуассона

где — относительная величина поперечной деформации;

— поперечный размер проводника квадратного се­чения (или радиус для круглого).

Учитывая, что

Получаем (*)

А коэффициент тензочувствительности

При практических изменениях формула (*) не работает. Необходимо учесть изменение структуры материала при его деформации.

У п/п коэффициент тензочувствительности в 50-70 раз больше, чем у металла.

При использовании п/п на результат измерения влияет температура.

Типы тензосопротивлений. Наиболее широкое распространение в настоящее время находят проволочные тензосопротивления, а также появившиеся в последние годы фольговые и пленочные тензо­сопротивления.

Проволочные тензосопротивления в технике измерений неэлек­трических величин используются по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости.

Второе направление — использование тензоэффекта растяги­ваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензосопротивления применяются в виде «свободных» преобразова­телей и в виде наклеиваемых.

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензосопротивления. На по­лоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока. К кон­цам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фольгой. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Т.о., естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он приклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

«Свободные» тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной (1) (измеряемый объект) и неподвижной (2) деталями, и, как правило, выполняющих одновре­менно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение под­вижной детали.

Еще одна разновидность «мощных» тензосопротивлений – эластичные преобразователи. Они представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1 – 0,5 мм, заполненный ртутью (иногда электролитом) и снабженный проволочными выводами.наклеенный на объект измерения, такой преобразователь, деформируясь вместе с этим объектом, изменяет свое сопротивление.

Измерительные цепи.

Чаще всего измерительной цепью является делитель напряжения либо мостовая цепь. Делитель напряжения с питанием постоянным током (рис. 1) применяют лишь в том случае, когда интересуются только переменной составляющей измеряемой величины, при этом постоянная составляющая падения напряжения на сопротивлении тензопреобразователя, в сотни раз превышающая переменную составляющую, отфильтровывается разделительным конденсатором С. Во всех других случаях в качестве измерительной цепи используется цепь моста (рис. 2), питаемого постоянным или переменным током.

В мостовой цепи тензорезисторные приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при и , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода

,

Где и одинаковые тензорезисторы, при отсутствии деформации их сопротивления равны .

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда и , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода

,

Компенсация влияния температуры окружающей среды.

Погрешность может возникнуть вследствие температурных изменений сопротивления преобразователя. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления материала, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора βт и детали β_Д, на которую он наклеен. Полное изменение сопротивления

где - сопротивление тензорезистора при нормальной температуре; - его чувствительность; - температурный коэффициент сопротивления; - изменение температуры.

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов в основном имеет аддитивный характер. Для ее компенсации используются дифференциальные схемы. При измерении механических напряжений применяют схему первого типа с двумя или четырьмя тензорезистора-ми. Рабочие тензорезисторы наклеивают на исследуемую деталь вдоль ожидаемой деформации, а компенсационные - поперек нее. При измерении других величин, например силы, используется дифференциальная схема второго типа. При этом на силоизмерительную пружину с разных сторон наклеивают два тензорезистора, так что при изгибе пружины под действием силы один из них растягивается, другой - сжимается. В обоих случаях температурные условия и температурные изменения сопротивлений тензорезисторов одинаковы. Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста, и это компенсирует температурную погрешность. Для увеличения чувствительности на силоизмерительную пружину можно наклеить четыре тензорезистора, причем преобразователи, воспринимающие деформации одного знака, должны включаться в противоположные плечи моста.

1. Измерительная схема – мост Уитстона – 1тензорезистор.

Где - тензорезистор, сопротивление которого изменяется пропорционально (1+Х);

Х – относительное отклонение сопротивления от номинального значения как функция деформации (R₁ – номинальное при деформации равной 0).

2. 2 тензорезистора.

3. 4 тензорезистора.

Данный тип включения предпочтительнее, т.к.чувствительность на одну и ту же деформацию здесь выше.