litceysel.ru
добавить свой файл
1

1. Методичні вказівки та завдання до лабораторних робіт

Лабораторна робота № 1


Дослідження терморезистивних перетворювачів


Мета: Ознайомитись з роботою термоперетворювачів опору


Технічне забезпечення ПЕОМ

Короткі теоретичні відомості


Вимірювання температури термометрами опору (ТО) грунтується на властивості провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні їх температури. Таким чином, омічний опір провідника чи напівпровідника являє собою деяку функцію його температури R=f(t). Вигляд цієї функції залежить від природи матеріалу.

Термометри опору в порівнянні з манометричними термометрами володіють наступними перевагами: більш високою точністю вимірювання, можливістю передачі показів на великі відстані, можливість централізації контролю температури шляхом приєднання (через перемикач) декількох термометрів до одного вимірювального прибору, меньшою затримкою показів. Недолік термометрів опору – необхідність в сторонньому джерелі струма.

Для виготовлення чутливих елементів серійних термометрів опору використовуються чисті метали. До металів пред’являються наступні основні вимоги:

  1. Метал не повинен окислюватися і вступати в хімічну взаємодію з вимірювальним середовищем.

  2. Температурний коефіцієнт електричного опору металу повинен бути достатньо великим і незмінним. Цей коефіцієнт визначається відношенням



де R0 i R100 – опори термометра відповідно при 0 і 100оС.

Для більшої кількості металів .

  1. Опір повинен змінюватися з зміною температури по прямій чи плавній кривій без різких відхилень і явищ гістерезису.
  2. Питомий електричний опір метала повинен бути достатньо великим: чим більший питомий опір, тим менше потрібно метала для отримання необхідної першопочаткової величини опору термометра.


Вказаним вимогам в певних температурних межах найбільш повно відповідають платина, мідь, нікель, залізо.

Промисловість випускає два види термометрів опору, які відрізняються матеріалом робочого провідника, – платинові (ТОП) і мідні (ТОМ). Кожен з видів термометрів має своє градуювання, якому відповідають відповідні значення опорів при 0оС (R0):

Таблиця 11 – Градуювання і опір термометрів опору

Вид термометра опору

Градуювання


R0, Ом

ТОП

ТОП

ТОП

ТОМ

ТОМ

20

21

22

23

24

10

46

100

53

100

Залежність опору ТОП і ТОМ від температури близька до лінійної.

По конструкції і використанню термоперетворювачі ділять:

по призначенню – занурні, поверхневі, кімнатні;

по умовам експлуатації – стаціонарні і переносні;

по захищеності від впливу зовнішнього середовища зі сторони виводів – з звичайною і вибухобезпечною головками, а також без головки ( з спеціальною заробкою вивідних кінців).

по захищеності від впливу вимірювального середовища – на захищенні і незахищені від впливу агресивних і неагресивних середовищ;

по герметичності по відношенню до вимірювального середовища – звичайні і герметичні, розраховані на на умовний тиск і температуру;

по стійкості до механічних впливів – звичайні, вібростійкі, ударостійкі;

по інерційності – великої інерційності (ВІ), середньої інерційності (СІ), малоінерційні (МІ);


по числу зон, в яких вимірюється температура – однозонові і багатозонові;

по кількості вивідних провідників, які з’єднують чутливі елементи термометрів опору з його зажимами – з двома, трьома, чотирма провідниками;

по використанню – призначені для роботи у звичайних або тропічних умовах;

по точності – термометри опору класів І, ІІ, ІІІ.

Визначальними властивостями ТО являються інерційність і клас точності.

Інерційність характеризується показниками теплової інерції. Показник теплової інерції ТО являє собою час, необхідний для того, щоб при внесенні ТО в середовище з постійною температурою різниця температури середовища і любої точки ТО склала б 0.37 значення температури, яку мало середовище в момент настання регулярного теплового режиму.

Показник теплової інерції ТО, визначений при коефіцієнті тепловіддачі, який рівний нескінченості, не повинен перевищувати наступні значення:

для ТО з великою інерційністю – 4 хв;

для ТО з середньою інерційністю – 1 хв 20 с;

для ТО малоінерційних – 9 с.

Клас точності ТО визначається межами допустимих основних і додаткових похибок, а також іншими властивостями, які впливають на точність вимірювання, значення яких встановлюється стандартом.

В ТОП класу І допустимі відхилення значень опору при 0оС R0 від номінального становлять 0.05%, а в ТОП класу ІІ 0.1%. В ТОМ класів ІІ і ІІІ допустимі відхилення значень R0 від номінальних становлять 0.1%. Аналогічно відношення опору чутливого елемента ТО при 100оС до опору при 0оС (R100/R0) повинно бути: для ТОП класу І – 1.3910.0007; для ТОП класу ІІ – 1.3910.001; для ТОМ класу ІІ – 1.4260.001; для ТОМ класу ІІІ – 1.4260.002.

Термоперетворювачі опору платинові випускають двох модифікацій: одинарні і подвійні. В одинарний ТОП вмонтований один чутливий елемент. В подвійному ТОП в загальну арматуру вмонтовані два чутливих елемента, електрично не пов’язаних між собою. Кожен чутливий елемент має свою пару зажимів в головці ТОП. Подвійний ТОП призначений для роботи з двома вторинними пристроями, одинарний – з одним.


Термоперетворювачі опору мідні бувають тільки одинарні.

В результаті використання напівпровідникової техніки для вимірювання температур, особливо в середньому діапазоні, широко поширенні напівпровідникові термоперетворювачі опору. Їх робочий діапазон визначають наступним чином: нижня межа повинна відповідати температурі, при якій напівпровідник стає ізолятором, а верхня – так званій допустимій температурі, вище якої в напівпровіднику відбуваються незворотні зміни.

Істотний недолік напівпровідникових матеріалів – відсутність потрібного відтворення градуювальної характеристики. Тому напівпровідникові ТО навіть одного і того ж типу не взаємозамінні і мають індивідуальні градуювальні таблиці.

Завдання

Зарисувати схему дослідження зробити виміри при різних значеннях температури

Порядок виконання

Запустити програму Зняти характеристики платинового і мідного термоопорів

Контрольні питання

11 Принцип роботи термоперетворювачів опору

12 Вимоги до матеріалів чутливих елементів серійних термометрів опору

13 Класифікація термометрів опору

14 Клас точності термометрів опору

15 Переваги і недоліки різних типів терморезисторів

16 Застосування терморезисторів для вимірювання неелектричних величин

Лабораторна робота № 2



Дослідження термоелектричних перетворювачів


Мета: Ознайомлення з роботою термоелектричних термометрів

Технічне забезпечення ПЕОМ




Короткі теоретичні відомості


Первинним перетворювачем термоелектричного термометра служить термопара, яка складається з двох різнорідних провідників (рис.2.1).


Рис.2.1 – Термоелектричне коло з двох різнорідних провідників


Принцип дії термопари заснований на термоелектричному ефекті, який заключається в тому, що в замкнутому колі з двох чи декількох різнорідних провідників виникає електричний струм, якщо хоча б два місця з’єднання (спаю) провідників мають різну температуру.

Спай з температурою t називається гарячим чи робочим, а спай з постійною температурою t0 – холодним чи вільним. Провідники А і В називаються термоелектродами. Термоелектричний ефект пояснюється наявністю в металі вільних електронів, число яких в одиниці об’єму різне для різних металів. Припустимо, що в спаї з температурою t електрони з металу А дифундують в метал В в більшій кількості, ніж в зворотньому напрямку. Тоді метал А заряджається додатньо, а метал В – від’ємно.

Електричне поле, що виникає в місці дотику провідників, перешкоджає цій дифузії, і, коли швидкість дифузії електронів стане рівна швидкості їх зворотнього переходу під впливом встановленого електричного поля, настає стан рухливої рівноваги. При такому стані між провідниками А і В виникає деяка різниця потенціалів.

Якщо спаяні однорідні провідники В і В (рис.2.2), кінці яких нагріті до різних температур, то вільні електрони дифундують з більш нагрітих частин провідника в менш нагріті з більшою інтенсивністю, ніж в зворотньому напрямку. Більш нагріті кінці првідників заряджаються додатньо до тих пір, поки не настане стан рівноваги через різницю потенціалів, що утворилася, яка діє в напрямку, зворотньому до напрямку теплової дифузії електронів.

Електронна теорія дає лиш фізичне (якісне) пояснення термоелектричного ефекта. Кількісне визначення ТЕРС на основі цієї теорії неможливо, так як число вільних електронів на одиницю об’єму не піддається кількісному обліку і невідомий закон їх зміни із зміною температури.


Рис.2.2 – Термоелектричне коло з однорідних провідників


З вищесказаного слідує, що в простому термоелектричному колі, що складається з двох різнорідних провідників А і В (див. рис.2.1), виникають чотири різних ТЕРС: дві ТЕРС в місцях спаїв провідників А і В; ТЕРС на кінці провідника А і ТЕРС на кінці провідника В.

Враховуючи обидва фактора, які визначають сумарну ТЕРС замкнутого кола, яке складається з двох провідників А і В, спаї яких нагріті до температур t i t0 (див. рис.2.1), і обходячи коло проти годинникової стрілки, одержимо

(2.1)


де EAB(tt0) – сумарна ТЕРС, яка визначається дією обох факторів;

eAB(t),eBA(t0) – ТЕРС, які обумовлені контактною різницею потенціалів і різницею температур кінців провідників А і В.

Якщо температура спаїв однакова, то ТЕРС в колі рівна нулю, так як в обидвох випадках виникають ТЕРС, рівні по величині і направлені назустріч одна одній. Відповідно, при t= t0

;

.

Підставляючи останній вираз в рівняння (2.1), одержимо

(2.2)

З рівняння (2.2) випливає, що ТЕРС являє собою складну функцію двох змінних величин t i t0, тобто температур обох спаїв.

Підтримуючи температуру одного з спаїв постійною, наприклад, припускаючи , одержимо


. (2.3)

Якщо для даної термопари експериментально, тобто шляхом градуювання, знайдена залежність (2.3), то вимірювання температури зводиться до визначення ТЕРС термопари.

Завдання

Задати різні значення температури одержати значення ТЕРС

Порядок виконання

Запустити програму Зняти характеристики термопар Побудувати їх графічно


Контрольні питання

21 Принцип дії термопар

22 Способи зняття вихідного сигналу з термопари

23 Матеріали які застосовуються для виготовлення термопар

24 Температурний діапазон термопар різного типу

25 Похибки термопар

26 Способи компенсації температури холодних кінців

Лабораторна робота № 3




Дослідження Індукційних перетворювачів



Мета: Ознайомитись з роботою індукційних перетворювачів.

Технічне забезпеченняПЕОМ



Короткі теоретичні відомості

Принцип дії і конструкція.

Індукційним перетворювачем називається перетворювач, принцип дії якого грунтується на законі електромагнітної індукції. Перетворювач має котушку. При дії вхідної величини на перетворювач змінюється потокощеплення ψ котушки з зовнішнім по відношенню до котушки магнітним полем. При цьому в котушці виникає ЕРС

. (3.1)

Потокощеплення

(3.2)

де w – число витків котушки; Ф – потік, що проходить через неї; Q – площа, через яку проходить цей потік; В – індукція магнітного поля.


ЕРС в котушці може виникати при зміні в часі любої з перерахованих величин w,B,Q .

В якості прикладу розглянемо перетворювач, який являє собою магнітну систему з постійним магнітом, в повітряному зазорі якої переміщується котушка (рис.3.1). При русі котушки із зміною х змінюється площа котушки, яка знаходиться в магнітному полі, . Це приводить до зміни потокощеплення , і в котушці виникає ЕРС

(3.3)

Індукційні перетворювачі служать для перетворення лінійної чи кутової швидкості переміщення котушки відносно магнітного поля в ЕРС. Вони являються генераторними перетворювачами і перетворюють механічну енергію в електричну.

Розрізняють ряд типів перетворювачів.



Рис31 – Схема індукційного перетворювача

Перетворювачі швидкості вібрації. Індукційні перетворювачі генерують ЕРС тільки при переміщенні котушки в магнітному полі. По цій причині перетворювачі цього типу можуть служити для перетворення лінійної швидкості в ЕРС на невеликих довжинах шляху. Зазвичай вони використовуються для вимірювання швидкості вібрації, коли її амплітуда не перевищує декількох сантиметрів. Одна з конструктивних схем показана на рис.3.2а. Перетворювач має кільцевий магніт 1, вставлений в стальне ярмо 2. Магнітний потік від постійного магніту проходить по центральному циліндричному осердю через повітряний зазор і кільцевий полюсний наконечник 3. В циліндричному повітряному зазорі знаходиться намотана на каркас котушка 4. Вона може переміщатися в повітряному зазорі вздовж осі перетворювача. Котушку умовно можна поділити на три частини І – ІІІ (рис.3.2а): І - знаходиться поза магнітопроводом, і магнітний потік в неї не заходить, ІІ - знаходиться в повітряному зазорі, утвореному полюсними наконечниками і циліндричним осердям. Магнітний потік, що пронизує витки цієї частини котушки, не змінюється в часі, число витків також залишається постійним. В цій частині котушки ЕРС не виникає. Частина ІІІ котушки знаходиться поза повітряним зазором, але всередині магнітної системи. Магнітний потік, що проходить через витки цієї котушки, також постійний, але при вібрації котушки змінюється число витків. Зміна числа витків приводить до зміни потокощеплення і виникненню ЕРС. Витки котушки зазвичай намотуються рівномірно. При цьому ЕРС перетворювача пропорційна швидкості вібрації.




Рис.3.2 – Схема перетворювача вібрації та кутових переміщень

Індукційні перетворювачі можуть використовуватися і для вимірювання кутової швидкості. схема такого перетворювача наведена на рис.3.2б. Він складається з постійного магніту 1, полюсних наконечників 2, циліндричного стального сердечника3 і котушки 4. Склад перетворювача аналогічний складу магнітоелектричного вимірювального механізму. При повороті котушки навколо осі осердя її потокощеплення змінюється і в ній індукується ЕРС, пропорційна кутовій швидкості.

Тахометричні перетворювачі. Перетворювачі цього типу являють собою електромашинні генератори. В якості прикладу розглянемо синхронний перетворювач з постійним магнітом, що оберається (рис.3.3а): він складається з статора 1, на якому поміщена обмотка, і ротора 2 з закріпленим на ньому постійним магнітом. При обертанні магніту змінюється потік, який проходить через обмотку, і в ній індукується змінна ЕРС. Амплітуда і частота ЕРС пропорційні частоті обертання ротора. частота ЕРС визначається відношенням , де п – частота обертання, об/хв; р – число пар полюсів.




Рис.3.3 – Схема тахометричного перетворювача

На рис.3.3б наведена схема тахометричного перетворювача постійного струму зі збудженням від постійного магніту, який розміщений на статорі 1. Вимірююча обмотка розміщена на роторі 2, і при його обертанні в ній иникає змінна ЕРС, яка знімається з ротора, що обертається, і подається на статор з допомогою колектора 3 і щіток, що по ньому ковзають. При цьому змінна ЕРС стає постійною.

Якщо через навантаження перетворювача протікає струм, то перетворювач віддає в вимірювальний ланцюг деяку електричну потужність. Ця енергія утворена з механічної. Механічна потужність


(3.4)

де  - кутова частота обертання ротора; М - необхідний для цього момент, він пов’язаний з електричною потужністю співвідношенням

(3.5)

де  – ККД.

Із приведених співвідношень видно, що із збільшенням струму, що генерується перетворювачем, збільшується момент на його валу.

Імпульсні перетворювачі. Перетворювач цього типу (рис.3.4) являє собою катушку 1 з розімкнутим феромагнітним осердям, яка встановлена біля валу 2, частота обертання якого вимірюється; на валу монтується один чи декілька феромагнітних зубців 3. Осердя катушки попередньо намагнічується. При обертанні вала зубець проходить поблизу котушки і зменшує магнітний опір RМ осердя, як показано на графіку. У відповідності з цим змінюється магнітний потік, що проходить через котушку, і в ній індукується ЕРС е. З виводів котушки знімається послідовність двополярних імпульсів, частота яких рівна частоті проходження зубців поблизу котушки, тобто пропорційна частоті обертання вала.

Вторинним перетворювачем імпульсного індукційного перетворювача являється частотомір, проградуйований в одиницях частоти обертання.



Рис.3.4 – Схема роботи імпульсного перетворювача

Похибка індукційних перетворювачів. ЕРС індукційних перетворювачів пропорційна швидкості переміщення котушки лише при умові, що індукція В постійна на протязі всього шляху її переміщення. Непостійність індукції викликає виникнення похибки.

Похибка індукційних перетворювачів також залежить від струму, який споживає вторинний перетворювач. Протікаючи по вимірювальній обмотці індукційного перетворювача, цей струм створює магнітне поле, яке згідно з правилом Ленца направлено на зустріч напряму основного поля і створює розмагнічуючу дію. Внаслідок цього сумарна індукція зменшується, зменшується і ЕРС перетворювача. Це явище, яке має місце в електричних машинах і , зокрема, в тахометричних перетворювачах називається реакцією якоря. Внаслідок реакції якоря зменшується чутливість тахометричного перетворювача і його функція перетворення стає нелінійною, що приводить до похибок. Для зменшення похибки слід зменшити струм перетворювача. Є також конструктивні методи зменшення цієї похибки.


Описаний вид похибки властивий тахометричним перетворювачам, оскільки їх вторинними пристроями служать електромеханічні пристрої з великим споживанням потужності.

Вплив струму навантаження на функцію перетворення перетворювачів вібрації менше, чим на функцію перетворення тахометричних перетворювачів. Навантаженням перетворювачів вібрації зазвичай являються електронні підсилювачі. Вони мають великий вхідний опір, який обмежує струм перетворювача і тим самим зменшує похибку.

Якщо навантаження індукційного перетворювача споживає значний струм, то може виникнути похибка внаслідок зміни внутрішнього опору перетворювача, оскільки змінюється спад напруги на його внутрішньому опорі. Зміна внутрішнього опору може бути обумовлена температурними змінами опору вимірювальної обмотки і опору лінії зв’язку з вторинним пристроєм. Внутрішній опір тахометричного перетворювача постійного струму нестабільний також внаслідок зміни опору колектора.

При зміні частоти обертання синхронного тахометричного перетворювача змінюється як ЕРС, так і її частота. При зміні частоти міняються його вхідний опір і вхідний опір його навантаження. Зміни опорів можуть привести до нелінійної функції перетворення пристрою в цілому, навіть якщо ЕРС тахометричного перетворювача лінійно залежить від вимірюваної швидкості.

Вихідною величиною тахометричних перетворювачів являється або значення ЕРС, що генерується, або її частота. В останньому випадку в якості вторинного перетворювача використовується частотомір. Стрілкові частотоміри, що використовуються, не повинні змінювати свої покази при зміні напруги.

Таким чином, похибка індукційних перетворювачів в значній мірі залежить від режиму, в якому вони працюють. Максимальна похибка виникає в режимі, при якому через навантаження протікає значний струм. Однак для роботи в такому режимі використовують найбільш простий вторинний перетворювач. Менші похибки мають місце в режимі холостого ходу, коли струм в вимірювальній котушці практично відсутній. При роботі в такому режимі потрібна більш складна і дорога аппаратура, повинні використовуватись вимірювальні механізми підвищенної чутливості або підсилюючі пристрої.


При вимірюванні частоти обертання вала мінімальну похибку можна отримати, якщо в якості вихідної величини тахометричного перетворювача використовується частота зміни ЕРС, а в якості вторинного перетворювача – цифровий частотомір. При цьому виключається вплив нестабільності величини вихідної напруги перетворювача і використовується висока точність цифрового частотоміра. однак в цьому випадку потрібна найбільш складна і дорога апаратура.

Завдання

Дослідити принцип роботи імпульсного індукційного перетворювача

Порядок виконання

Запустити програму побудувати графіки вихідної величини для різних швидкостей обертання валу

Контрольні питання

31 Загальний принцип дії індукційного перетворювача

32 Перетворювачі швидкості вібрації та тахометричні перетворювачі

33 Імпульсні перетворювачі

34 Похибки індукційних перетворювачів

35 Способи збудження частотних перетворювачів

36 Застосування індукційних перетворювачів

Лабораторна робота № 4



Дослідження тензорезистивних перетворювачів


Мета: ознайомитись з принципами роботи тензорезистивних перетворюючих елементів


Технічне забезпечення ПЕОМ

Короткі теоретичні відомості


Основні різновиди тензорезистивних перетворюючих елементів. В основі принципу роботи тензорезисторів лежить явище тензоефекту, що полягає в зміні електричного опору провідного матеріалу при його механічній деформації. Основною характеристикою чутливості матеріалу до механічної деформації є коефіцієнт відносної тензочутливості k, який визначається як відношення відносної зміни опору до відносної зміни довжини провідника:

(41)


Так як опір провідника зв'язаний з питомим електричним опором матеріалу, довжиною l і площею поперечного переріза Sq, цього провідника залежністю

(42)

то відносна зміна опору, викликана деформацією провідника під дією рівномірної механічної напруги,

(43)

З останнього виразу випливає, що при кінцевій зміні напруги а відносна зміна опору

(44)

При деформації твердих тіл зміна їхньої довжини зв'язана зі зміною об’єму. При цьому зміна об’єму в зоні пружних деформацій для кожного матеріалу є величиною постійної і характеризується коефіцієнтом Пуассона де

(тут d діаметр провідника круглого перетину або поперечний розмір провідника квадратного перетину).

З огляду на те, що одержимо вираз для коефіцієнта відносної тензочутливості

(45)

Для деяких металів питомий електричний опір практично не міняється під дією механічних деформацій, а коефіцієнт k може бути для них прийнятий рівним k= 1 + 2. Так як коефіцієнт Пуассона для металів має значення 0,24...0,4, то значення коефіцієнта тензочутливості часто вважають приблизно рівним 1,48...1,8. У загальному ж випадку коефіцієнт тензочутливості провідника містить складову, котра визначається зміною його питомого електричного опору і може бути як позитивною, так і негативною. Для металів коефіцієнт тензочутливості складає 0,5...4.


Механічна напруга у досліджуваній деталі зв'язана з модулем пружності Е матеріалу цієї деталі співвідношенням .

Отже, рівняння перетворення тензорезистора можна представити у вигляді

(46)

Як матеріал деталі, яка досліджується, так і матеріал проводу тензорезистора повинні піддаватися механічним напругам, що не перевищують межі пружних деформацій, у противному випадку в матеріалі відбудуться необоротні деформації. Тому припустиме значення напруг не перевищує 20...30…30% межі пружності.

Так як значення відносної деформації в межах пружних властивостей матеріалу не перевищує 2,5 , то при k =05...4 відносна зміна опору = (1,25...10) , тобто не перевищує 1 %. У зв'язку з цим опір тензорезистора повинен володіти високою часовою стабільністю, мати незначний ТКС. Основними вимогами, які представлені до матеріалів тензорезисторів, є також можливо більше значення коефіцієнта тензочутливості, високий питомий електричний опір. Крім того, температурний коефіцієнт лінійного розширення чутливого елемента перетворювача повинен бути по можливості рівним температурному коефіцієнту лінійного розширення матеріалу досліджуваного об'єкта.

Коефіцієнт тензочутливості напівпровідникових тензорезисторів визначається в основному зміною питомого електричного опору


Значення k напівпровідникових тензорезисторів, на відміну від провідникових, значною мірою залежать від ступеня деформації, температури, питомого електричного опору, типу провідності і досягають 150...200. При цьому в напівпровідниках п-типу коефіцієнт тензочутливості негативний, а в напівпровідниках р-типу — позитивний.


Для рідких тензорезистивних матеріалів (ртуті, електролітів), що практично не змінюють свого об’єму в процесі деформації, коефіцієнт тензочутливості k= 2. Дійсно, при постійному об’ємі V опір R провідника з постійним поперечним перерізом уздовж усієї довжини пропорційний квадрату довжини:

(47)

а його зміна при V = const і  = const



звідси



В практиці вимірювальних перетворень тензоефект використовується в двох напрямках. Це, по-перше, зміна опору провідника або напівпровідника в результаті об'ємного стиску. Вхідною величиною такого перетворювача є тиск навколишнього його газу або рідини. На цьому принципі будуються перетворювачі високих і надвисоких тисків, що виготовляються у виді бескаркасной обмотки, намотаної звичайно з манганінового дроту, а перетворювачами низьких тисків є германієвий або кремнієвий тензорезистор.

Сутність другого напрямку полягає у використанні тензоефекту розтягуючого або стискуючого тензочутливого матеріалу. Перетворювачі цієї групи можуть бути виконані у вигляді наклеюваних дротових, фольгових або плівкових, або так званих вільних (начіпних) тензоперетворювачів.

Як матеріали для виготовлення дротових тензорезисторів використовують найчастіше константан, ніхром, елінвар, платино-родій. Однак найбільше поширення у вітчизняній тензометрії одержали тензорезистори зі спеціального константанового мікродроту діаметром 0,025...0.035 мм.

Найбільш розповсюджені конструкції тензоперетворювачів, що наклеюються приведені на рис41

Похибка дротових резисторів може бути зведена до 0,1...0…0,2%

Фольгові тензоперетворювачі являють собою наклеєну на підложку 1 тензочутливу решітку 2, витравлену з фольги товщиною 0,01...0,02 мм. Вони мають визначені переваги перед дротовими. Зокрема, оскільки відношення поверхні тензочутливої доріжки до її поперечного переріза велике, то поліпшується тепловіддача, що дозволяє значно збільшити щільність струму, якщо тільки деталь, до якої приклеюється






Рис41 – Деякі типи тензоперетворювачів


тензоперетворювач, не має дуже малу теплоємність. Недоліком звичайних фольгових перетворювачів, явпяется порівняно низький опір, що не перевищує зазвичай 50 Ом.

Останнім часом широке поширення одержали плівкові тензорезистори. Процес їхнього виготовлення полягає в вакуумній возгонці чутливого матеріалу з наступною конденсацією його на підложку. Для виготовлення плівкових тензорезисторів застосовуються як металеві (няприклад, титаноалюмініевий сплав), так і напівпровідникові (германій, кремній) матеріали.

При виготовленні як фольгових, так і плівкових тензоперетворювачів можна передбачити будь-який малюнок їхньої решітки, що є їх істотною перевагою, завдяки чому вони знаходять застосування для досліджень механічних напруг деталей найрізноманітнішої конфігурації.

У тих випадках, коли від тензоперетворювачів необхідно одержати велику потужність, їхні чутливі елементи роблять з великого числа (до 30 і навіть 50) паралельно з'єднаних дротинок

Основні техніко-метрологічні характеристики.

До основних техніко-метрологічних характеристик тензорезисторів відносяться тензочутливість, повзучість, механічний гистерезис, температурна нестабільність, динамічні характеристики.

Тензочутливість визначається головним чином тензорезистивними властивостями матеріалу чутливого елемента, однак у значній мірі залежить від конструкції перетворювача, матеріалу основи, виду й умов полімеризації клею й інших факторів. Тензочутливість тензорезистора, як і самого тензорезистивного матеріалу, визначається коефіцієнтом відносної тензочутливості.

Повзучість проявляється у вигдяді зміни вихідного сигналу при заданому і незмінному значенні деформації і визначається звичайно як


(48)

де — приведена до входу зміна вихідного сигналу при заданій відносній деформації .

Причиною повзучості є пружна недосконалість основи і клею. У межах пружного діапазону деформацій повзучість більшості тензорезисторів не перевищує 0,5...1% за першу годину після приклеювання і відповідно 1...1,5% за 6 ч.

Механічний гистерезис, як і повзучість, обумовлений пружною недосконалістю основи і клею та чисельно визначається як приведена до входу різниця значень вихідного опору для того самого значення деформації за умови, що дане значення деформації досягається при плавному її зростанні і плавному зменшенні. Для різних типів тензорезисторів механічний гистерезис лежить у межах 0,5...5%.

Температурна нестабільність, або вплив температури навколишнього середовища на основні параметри тензорезисторів, полягає, з одного боку, у зміні опору тензорезистора за рахунок його ТКС, а з іншого боку - у появі додаткових механічних напруг унаслідок розходження в температурних коефіцієнтах лінійного розширення матеріалу тензорезистора і досліджуваної деталі.

Якщо і — температурні коефіцієнти лінійного розширення досліджуваної деталі і підложки тензорезистора, то відносна деформація тензорезистора, обумовлена зміною навколишньої температури на ,


а зміна його опору при цьому




Так як зміна опору тензорезистора, обумовлене наявністю ТКС матеріалу чутливого елемента, дорівнює та загальна зміна опору тензорезистора, викликана зміною температури навколишнього середовища на ,

(49)

Основною динамічною характеристикою тензорезисторів є їхня власна частота, значення якої для наклеєних тензорезисторів лежить у межах 100...300 кгц. Власна частота тензорезистора визначає граничну частоту досліджуваного процесу, при якій частотними похибками можна знехтувати. Для досліджень змінних деформацій звичайно вибирають тензорезистивний перетворювач, власна частота якого хоча б у 5...10 разів перевищувала частоту деформацій.

Важливим параметром тензорезисторів є припустима потужність Р, що може розсіюватися в тензорезисторі за умови, що його перегрів не перевищить припустимого значення. Припустима потужність тензорезистора знаходиться у визначеній залежності від його геометричних розмірів, що може використовуватися як при визначенні Р для відомих тензорезисторів, так і при визначенні геометричних розмірів проектованих перетворювачів, виходячи з заданої припустимої потужності або припустимого значення вимірювального струму :

(410)

де RТ тепловий опір; Sq — площа поверхні тепловіддачі матеріалу резистора; T — коефіцієнт тепловіддачі; РУД =P/S0 питоме теплове навантаження.

Відвід теплоти від тензорезистора до досліджуваної деталі через шар клею і підложку значно перевищує тепловіддачу в навколишнє повітря. Тому можна вважати, що практично все тепло відводиться в досліджувану деталь, а за площу S0 для плівкових і фольгових тензорезисторів приймають поверхню резистора, звернену до досліджуваної деталі, а для дротових — половину циліндричної поверхні дроту чутливого елемента.


Питома потужність використовуваних у даний час дротових, фольгових і напівпровідникових тензорезисторів незалежно від потужності, що розсіюється в них і повній поверхні, яку займає чутливий елемент, звичайно коливається в незначних межах:

Руд = 26...28 квт/м2 (або мвт/мм2).

Припустиме значення вимірювального струму через тензорезистор може бути визначене зі співвідношення Р =I2R=PУД0 . Для дротових тензорезисторів з базою l, кількістю проводів у решіткач чутливого елемента п і діаметром проводу d



Звідси

(411)

Особливістю приклеюванихя тензорезистивних перетворювачів є та обставина, що вони являють собою перетворювачі разової дії, тобто не можуть бути переклеєні з об'єкта на об'єкт. Тому функція перетворення робочого тензорезистора не може бути визначена, а для її оцінки визначають функцію перетворення аналогічного, так названого градуйованого, перетворювача з тієї ж партії. Природно, що такий спосіб оцінки характеристик роботи тензоперетворювачів застосуємо лише в тому випадку, коли властивості перетворювачів усієї партії зовсім ідентичні, а залишкові деформації, викликані затвердінням клею при приклеюванні робочих і градуйованих перетворювачів, також однакові. Досвід показує, що похибка від неідентичності при ретельному приклеюванні тензорезисторів і гарній якості клею звичайно яе перевищує 1,5%.

Слід зазначити, що для приклеювання тензорезисторів до досліджуваної деталі застосовуються спеціальні клеї, для роботи в нормальних температурних умовах-ацетатно-целулоїдні і бакеліто-фенольні (ВФ) клеї, для роботи при високих температурах (до 600... ...800° С) — кремнійорганічні цементи (наприклад, Б-56, ВН-12) і спеціальні цементи на основі рідкого скла або полісилоксанов.


Тензочутливість готових тензоперетворювачів практично не піддається точному розрахунку, тому що вона може істотно відрізнятися від тензочутливості вихідного матеріалу. Крім впливу технологічних факторів на відтворюваність тензорезистивних властивостей матеріалу істотний вплив на значення коефіцієнта тензочутливості перетворювача роблять зігнутості в місцях заокруглення дроту, особливо в петлевих перетворювачах. У цих місцях утворяться ділянки, що не сприймають деформацію в напрямку осі бази. Зменшення чутливості, викликане цим фактором, тим більше, чим менше вимірювальна база (у двошарових перетворювачах зі зменшеною базою чутливість може зменшитися на 20...30%). Істотний вплив на результуючу чутливість робить поперечний тензоефект, обумовлений наявністю ділянок дроту, перпендикулярних осі бази перетворювача і сприймаючих поперечну деформацію. Цього недоліку практично цілком позбавлені фольгові і плівкові перетворювачі, у яких перетин провідного шару в місці вигину може бути значно збільшено.

Вимірювальні схеми. У більшості випадків тензорезистивні перетворювачі використовуються в мостових схемах постійного струму. При цьому тензорезистор може бути включений в одне з пліч моста, у два плеча або мостовий ланцюг може бути складений цілком з тензорезистивних перетворювачів.

Так як відносні зміни опорів тензорезисторів дуже малі (звичайно не більш 1%), то істотний вплив на результат виміру можуть робити їхні температурні зміни. Отже, необхідно передбачити температурну компенсацію. Зокрема, якщо використовується мостовий ланцюг з одним робочим тензорезистором, то для температурної компенсації необхідно застосувати інший неробочий тензорезистор RTO, аналогічний робочому і який знаходиться з ним в однакових температурних умовах /мал. 6.17, а). Якщо такий мостовий ланцюг при відсутності деформації буде знаходитися в рівновазі, тобто то при впливі вимірюваної деформації опір RT зміниться на , рівновага мостового ланцюга порушиться і на виході з'явиться напруга


(412)

Розділивши чисельник і знаменник на R2R3 за умови, що R4 =RTO (тут RTO — значення опору ненавантаженого тензорезистора) і R2 = R3, одержимо Uвых = 0,25

Схемою, якій надають більшу перевагу є схема (рис. 4.2, б) з диференціальним включенням перетворювачів, у яких, один резистор випробовує деформацію розтягання, а інший — деформацію стиску. У цьому випадку температурна похибка виключається, а чутливість збільшується вдвічі.

Дві пари диференціальних тензорезисторі, що утворюю повний міст із тензоопорів, забезпечують максимальну корекцію температурних похибок в чотири рази збільшують чутливість.

Слід зазначити, що повна компенсація температурної похибки можлива лише за умови повної ідентичності всіх характеристик тензорезисторів відповідних пар і, у першу чергу, рівності їх ТКС. Для забезпечення цієї умови в особливо відповідальних випадках приходиться підбирати тензорезистори для кожного окремого мостового ланцюга індивідуально.



Рис42 – Вимірювальні схеми тензорезистивних перетворювачів

Так як навіть незначна різниця в опорах тензорезисторів приводить до того, що міст виявиться неврівноваженим при відсутності деформації, у мостових ланцюгах повинні бути передбачені перемінні резистори, за допомогою яких можна робити зрівноважування моста при відсутності деформації.

При вимірах динамічних деформацій при частоті більш 1000 Гц, наприклад деформацій, викликаних ударом, використовується потенціометрична схема включення тензорезисторів (рис. 42, в). Вихідна напруга знімається з тензорезистора RT, включеного послідовно з резистором R. Замість резистора R може бути включений тензорезистор, встановлений на досліджуваному об'єкті так, щоб він сприймав деформацію, протилежну за знаком деформації тензорезистора RT.


Для виключення постійної складової вихідної напруги встановлюють розділовий конденсатор С. Так як напруга на тензорезисторі

(413)

то при деформаціях з частотою 

(414)

або при



а вихідна напруга, що містить лише перемінну складову,

(415)

На завершення потрібно відмітити що на сучасному етапі в промисловості тензочутливі давачі мало поширені Проте вони широко використовуються при проектних роботах оскільки часто це майже єдиний спосіб підтвердити або спростувати розрахункові дані щодо надійності конструктивних елементів Ведуться активні спроби зокрема вченими нашої кафедри використати їх у системах діагностики ШГНУ


Завдання
Дослідити характеристики тензорезистивних перетворювачів деформації



Порядок виконання


Запустити програму визначити залежність вихідного сигналу вимірювального кола перетворювача від прикладеної сили побудувати графічну залежність

Конторольні питання


41 Суть явища тензоефекту

42 Пружні непружні деформації

43 Похибки дротяних фольгових напівпровідникових тензорезисторів

44 Характеристики тензочутливих елементів

45 Схеми включення тензочутливих елементів

46 Застосування тензорезистивних перетворювачів

47 Конструкція напівпровідникових тензорезисторів

Лабораторна робота № 5



ДОСЛІДЖЕННЯ МОСТОВИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ СХЕМ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ



Мета: Ознайомитись з роботою вимірювальних мостів


Технічне забезпечення:ПЕОМ програма EWB 40

Короткі теоретичні відомості

Важливим класом пристроїв, призначених для виміру параметрів електричних ланцюгів (опору, ємності, індуктивності й ін.) методом порівняння, є мости. Порівняння вимірюваної величини зі зразковою мірою, що виробляється в процесі виміру за допомогою моста, може здійснюватися вручну або автоматично, на постійному чи на перемінному струмі. У найпростішому випадку мостова схема містить чотири резистори, з'єднаних у кільцевий замкнутий контур. Таку схему має одинарний міст постійного струму (мал. 5.1). Резистори R1, R2, R3 i R4 цього контура називаються плечами моста, а точки з'єднання сусідніх пліч - вершинами моста. Ланцюги, що з'єднують протилежні вершини, називають діагоналями. Одна з діагоналей (3-4) містить джерело живлення GB, а інша (1—2) — покажчик рівноваги PG. У випадку моста змінного струму його плечі можуть містити в собі не тільки резистори, але також конденсатори і котушки індуктивності, тобто опори можуть мати комплексний характер.




Рис51 – Одинарний міст


постійного струму

Рис52 – Узагальнений випадок



Міст називається урівноваженим, якщо різниця потенціалів між точками 1 і 2 дорівнює нулю, тобто напруга на діагоналі, що містить індикатор нуля, відсутня і струм через індикатор дорівнює нулю.

Співвідношення між опорами пліч, при якому міст урівноважений, називається умовою рівноваги моста. Цю умову можна одержати, використовуючи закони Кірхгофа для розрахунку мостової схеми. Наприклад, для одинарного моста постійного струму залежність протікаючого через індикатор нуля(гальванометр) РG струму IG від опорів пліч, опору гальванометра RG і напруги живлення U має вид

(5.1)

Струм ІG = 0 при

R1R4 = R2R3 (5.2)

Це і є умова рівноваги одинарного моста постійного струму, яку можна сформулювати в такий спосіб: для того щоб міст був урівноважений, добутки опорів протилежних пліч повинні бути рівні. Якщо опір одного з пліч невідомий (наприклад, R1 = Rx), то умова (5.2) буде мати вид

.

Таким чином, вимірювання за допомогою одинарного моста можна розглядати як порівняння невідомого опору Rx зі зразковим опором R2 при збереженні незмінним відношенням R3/R4. З цієї причини плече R2 називають плечем порівняння, плечі RЗ і R4 — плечами відношення.

Одинарні мости можуть також працювати на змінному струмі. У цьому

випадку опори пліч є комплексними. Узагальнена схема моста перемінного струму представлена на рис. 5.2. Індикатором нуля звичайно служить електронний мілівольтметр. Можливо також використання електронного індикатора нуля на базі електронно-променевої трубки. Електронні індикатори мають дуже великий вхідний опір, що вигідно відрізняє їх від електромеханічних пристроїв, таких, як вібраційний гальванометр або телефонні навушники, що теж іноді використовуються як індикатори нуля.


Аналогічно співвідношенню (5.2) умова рівноваги одинарного моста перемінного струму має вид

, (53)

де Z1,Z2,Z3 i Z4 — комплексні опори пліч.

Як відомо, будь-яке комплексне число Z можна представити в показовійформі: Z = zej. Використовуючи це представлення, одержимо замість умови (2.77) рівність

 (5.4)

яка справедлива тільки в тому випадку, якщо виконуються співвідношення, що випливають з неї

(5.5)

і

(5.6)

Умова (55), що вимагає рівності добутків модулів комплексних опорів протилежних пліч, доповнюється умовою (5.6), що накладає вимогу рівності сум їхніх аргументів. Тільки одночасне виконання співвідношень (5.5) і (5.6) забезпечує рівність нулю напруги на діагоналі 1—2, у яку включений індикатор нуля РV (мал. 5.2).

Умови рівноваги можна записати інакше, якщо скористатися не показовою, а алгебраїчною формою представлення комплексних чисел Z = R +jX, де R и Х — дійсна і уявна частини відповідно. У нашому випадку символом Z позначений комплексний опір, а R і Х являють собою активну і реактивну складові. В алгебраїчній формі умова (5.3) перепишеться у виді

(5.7)

Ця рівність виконується, якщо справедливі рівності для активних і реактивних частин:

(5.8)


і

(5.9)

Знову потрібно одночасне виконання співвідношень (5.8) і (5.9).

Дві пари рівностей (5.5), (5.6) і (5.8), (5.9) цілком рівноправні, і вибір того чи іншого визначається розуміннями зручності при розрахунках конкретних мостових схем. Щоб забезпечити виконання двох умов одночасно, необхідно мати не менш двох регульованих елементів. Ними найчастіше є резистори і конденсатори, оскільки вони допускають більш точне регулювання, чим котушки індуктивності. На практиці важливо, щоб міст можна було швидкo, з найменшим числом елементарних операцій по регулюванню, зрівноважити. Число таких операцій, необхідних для досягнення рівноваги, характеризує "збіжність" моста. Правильний вибір регульованих елементів і їхнього положення в плечах моста забезпечує найкращу збіжність, а отже, і найменший час вимірів.

Чутливість мостів. Відповідно до загального визначення чутливості електровимірювальних приладів чутливість моста визначається як відношення зміни сигналу на його виході (струму, напруги, потужності) до вимірюваної величини, що викликала зміну, (опору, ємності й ін.), тобто

, (5.10)

де S чутливість; У — вихідна величина; Х— вхідна величина.

Якщо використовувати кінцеві збільшення, то чутливість

, (5.11)

причому приріст вхідної величини У повинне бути узяте поблизу

рівноваги.

Так як міст складається з мостової схеми і показника, то зручно розглядати чутливість моста у виді добутку чутливості мостової схеми й індикатора нуля: S =Sсх*Sин

У випадку моста постійного струму, коли індикатором служить магнітоелектричний гальванометр, вихідною величиною є відхилення стрілки або світлового покажчика, а вхідний — вимірюваний опір Rx = R1. Тоді вираз (2.82) приймає вид


. (5.12)

Чутливість моста можна представити у виді добутку двох величин

, (2.87)

де IG — струм, що протікає через рамку гальванометра; SG чутливість гальванометра, а ScxI , — чутливість мостової схеми до струму.

Аналогічно можна визначити чутливість мостової схеми до

напруги ScxU = UG / R1 і до потужності ScxP = PG /R1 . UG i PG що входять в ці визначення є приростами напруги і потужності в ланцюзі гальванометра.

Якщо використовується індикатор з дуже високим опором, наприклад електронний індикатор, струмом через який можна знехтувати, то чутливість схеми до напруги ScxU є найбільш придатною характеристикою. Необхідна чутливість досягається раціональним вибором мостової схеми, індикатора нуля і напруги живлення моста.

Автоматичні мости. Автоматизація виробничих процесів зажадала створення і широкого використання автоматичних пристроїв для виміру температури й інших неелектричних величин. Дуже часта зміна цих величин перетвориться в зміну електричного опору, що і виміряється.



Рис53 – Схема автоматичного моста

На рис. 5.3 приведена схема автоматичного моста для виміру активного опору Rx. Схема власне кажучи являє собою звичайний одинарний міст, зрівноважування якого досягається переміщенням повзунка реохорда. Переміщення здійснюється за допомогою реверсивного двигуна РД, ротор якого обертається доти, поки не буде досягнута рівновага моста. Одночасно з переміщенням повзунка відбувається рух покажчика і пера реєструючого пристрою, якщо такий є. Живлення моста звичайно здійснюється перемінним струмом, оскільки в цьому випадку схема виявляється простішою, ніж при використанні постійного струму. Приведена похибка автоматичних мостів дорівнює 0,25—0,5%, швидкодія — близько 1 с.


Схеми і конструкції автоматичних мостів перемінного струму для виміру ємності й індуктивності значно складніші і забезпечують меншу точність.

Завдання


Зібрати і дослідити мостову вимірювальну схему

Порядок виконання

Запустити програму скласти зрівноважену мостову схему на постійному і змінному струмі Зняти характеристику схеми при порушенні рівноваги моста

Контрольні питання


51 Принцип роботи мостових схем

52 Умова рівноваги мостів

53 Чутливість мостів

54 Автоматичні мости

55 Похибки мостових схем

56 Навести приклади застосування мостових схем в вимірювальних перетворювачах