Загрузка...
скачать (554.4 kb.)
Доступные файлы (7):
| 1.DOC | 1236kb. | 25.01.2005 18:13 |  скачать |
| 3.5.1.doc | 370kb. | 13.03.2004 11:14 | скачать |
| 4.DOC | 918kb. | 25.01.2005 23:28 | скачать |
| 6.DOC | 420kb. | 25.01.2005 18:11 | скачать |
| 7.1.DOC | 759kb. | 25.01.2005 18:15 | скачать |
| 7.5.doc | 597kb. | 25.01.2005 18:14 | скачать |
| Содержание.doc | 56kb. | 25.01.2005 17:53 | скачать |
7.1.DOC
Реклама MarketGid:
7. Средства и методы измерений неэлектрических величин
Загрузка...
7.1 Средства и методы измерения температуры
Будут рассмотрены основные первичные преобразователи (датчики, сенсоры) температуры, применяемые в промышленности. Эти датчики делятся на две группы: генераторные и параметрические. Генераторные датчики основаны на применении термоэлектрического эффекта, открытого в 1823 году Зеебеком. Эти датчики не требуют питания, поскольку являются источниками термоэдс, которая возникает вследствие разности работы выхода электронов из разных металлов.
Принцип действия параметрических датчиков температуры заключается в использовании зависимости от температуры сопротивления, которое оказывают металлы электрическому току. Поэтому практическое применение параметрических датчиков невозможно без источника тока.
^
Термоэлектрический промышленный датчик температуры, как правило, представляет собой два провода из различных металлов, одни концы которых соединены между собой (так называемые горячие концы), а вторые концы (холодные концы) подводят термоЭДС ко входу последующих приборов, измеряющих эту термоЭДС, либо ко входу вторичных электронных измерительных преобразователей. Эти два провода со спаянными концами называются термопарой. Для защиты горячих концов термопары от воздействия среды, в которую погружается датчик и которая может оказаться абразивной или агрессивной, эти концы обычно размещаются внутри оболочки, которая заполняется сыпучим электроизоляционным материалом, фиксирующим положение горячего конца термопары относительно защитного корпуса.
Поскольку термоЭДС зависит от разности температур горячих и холодных концов термопары:
,в идеальном случае холодные концы термопары должны находиться при температуре тающего льда, то есть при
, как это показано на рис. 54 а. Однако, такая температура в промышленных условиях не может воспроизводиться постоянно. Поэтому в реальных ситуациях применяют один из двух приемов компенсации температуры холодных спаев термоэлектрического датчика температуры, показанных на рис. 54 б, в.
Первый из этих приемов заключается в следующем. Холодные концы приходят на зажимы, расположенные при одинаковой температуре. Отсутствие градиента температуры между зажимами обеспечивается благодаря заключению этих зажимов в закрытый ящик или за счет подкладывания массивной медной плиты под плату с зажимами. В ящик или на плиту устанавливается медный термометр сопротивления
, включенный в мост. Этот мост уравновешивается при температуре термометра сопротивления, равной нулю. Если температура места подсоединения холодных спаев отличается от нуля, в измерительной диагонали моста возникает напряжение, которое компенсирует это отличие. Второй прием применяется в случаях, когда с помощью одного прибора или ИИС выполняются измерения температуры в нескольких точках объекта. В этих случаях холодные концы термопар подводятся к одной кроссовой панели, снабженной системой выравнивания температуры во всех точках панели. На этой кроссовой панели устанавливается медный термометр сопротивления
, через который протекает стабильный ток 
. Все каналы измерения температуры опрашиваются коммутатором, в том числе в каждом цикле опроса опрашивается также канал измерения температуры кроссовой панели, и стало быть холодных концов всех термопар. Результат этого измерения используется микропроцессором или компьютером для того, чтобы вычислить и ввести поправку на температуру холодных спаев во все результаты измерений.Материалы, из которых изготавливаются промышленные термопары: платина, сплавы платины с родием, хромель, копель и алюмель. Для высокотемпературных термопар применяется сплав вольфрама с рением. Функции преобразования (градуировочные характеристики) стандартных термопар приведены в ГОСТ 3044. Конструктивное исполнение (диаметр, длина погружаемой части, крепежные размеры и т.д.) приведены в ГОСТ 6616. В таблице 3 приводятся основные характеристики наиболее распространенных промышленных термоэлектронных датчиков температуры.
Таблица 3.
^
| Тип датчика | Пределы измерений С | Выходное напряжение мВ | Пост. врем. с | Абсолютная погрешность мВ | Абсол. погр. С |
| ТПП платина- плат.-родий (10% родия) | (-20 1300) Кратковремен-но - до 1600 | 0 13 | 40.0 60.0 210.0 |  | (13) |
| ТПР плат.-родий (6%родия) плат.-родий (30%родия) | (300 1600) Кратковремен-но до 1800 | 0 11 | 40.0 60.0 210.0 |  | (15) |
| ТХА хромель- алюмель | (-50 1000) Кратковремен-но до 1300 | -1.86 41 | 40.0 60.0 210.0 |  | (3 10) |
| ТХК хромель- копель | (-50 600) Кратковремен-но до 800 | -3 49 | 40.0 60.0 210.0 |  | (2 6) |
| Вольфрам- рений 5% - 20% | 0 2200 Кратковремен-но до 2500 | 0 34 | 40.0 60.0 210.0 |  | (5 10) |
Обычно на промышленных предприятиях датчик бывает удален от прибора или системы на расстояние до километра. Такая ситуация характерна, например, для атомных электростанций. Поэтому использовать в качестве линий связи датчика с прибором те же провода, из которых выполнена термопара, в ряде случаев невыгодно. Особенно это относится к платиновым и платинородиевым термопарам. Поэтому для соединения термопар с прибором или системой используются удлинительные термоэлектроды. Эти электроды должны удовлетворять двум условиям.
Первое условие - места присоединения удлинительных электродов к основным термоэлектродам (обычно - в головке термопары, см. рис. 54) должны иметь одинаковую температуру.
Второе условие - удлинительные электроды должны иметь ту же термоэдс в местах присоединения, которую имеют в этих местах основные электроды (обычно в диапазоне температур от 0С до 200С).
Для платиновых термопар применяются удлинительные термоэлектроды из меди, для термопары ТХА - из меди и константана, для ТХК - основные термоэлектроды, выполненные в виде гибких проводов.
Из таблицы 3 следует, что промышленные термопары, заключенные в массивные оболочки, предназначены для измерения практически постоянной или очень медленно изменяющейся температуры. Однако в ряде случаев в народном хозяйстве, а также при научных исследованиях возникает задача измерения быстроизменяющихся температур, спектр которых распространяется до частот порядка 50
80 Гц. Для измерения таких температур применяются сверхминиатюрные термопары, в том числе, открытые. Эти термопары изготавливаются из проволоки диаметром 10 20 мкм, диаметр горячего спая достигает 0,2 мм. Постоянная времени подобных термопар составляет величины порядка 0.003 0.01 с. Схемы включения подобных термопар аналогичны схемам, показанным на рис. 54.Основные источники погрешностей измерения температуры с помощью термопар:
- погрешности применения, вызванные неверным монтажом, ошибками в заглублении термопар, движением среды и др.,
- инструментальные погрешности, вызванные собственным сопротивлением основных термоэлектродов, погрешностями компенсации температуры холодных спаев, погрешностями и разбросом характеристик, окислением термоэлектродов.
^
Термометры сопротивления суть параметрические датчики температуры, поскольку от температуры зависит параметр резистора, а именно, его сопротивление постоянному току. Градуировки промышленных термометров сопротивления приводятся в ГОСТ 3044, а конструктивные параметры (диаметр оболочки, глубина погружения, крепежные размеры и прочее приводятся в ГОСТ 6651. Наиболее популярными являются два вида термометров сопротивления - платиновый и медный. Их основные характеристики приведены в таблице 4.
Поскольку датчики параметрические, для измерения их параметра - сопротивления через них приходится пропускать ток и измерять падение напряжения на этом сопротивлении
. Сила тока, рекомендуемая действующей нормативной документацией для пропускания через термометр сопротивления, выбирается из ряда:0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0, 20.0, 50.0 мА.
Понятно, что при этом нельзя допускать перегрева термосопротивления, ибо этот перегрев будет вызывать погрешность результата измерений. Допустимый перегрев указан в таблице 4, и верхнее значение допустимой силы тока может быть получено из формулы :
, где 
- температура перегрева, d - диаметр провода (мм), из которого изготовлено термосопротивление.Таблица 4
^
| Тип термо-метра | Класс точности | Пределы измерения C | Абсолютная погрешность К | Сопротив- ление при t = 0 Ом | Темпе-ратура собств. нагрева | Пост. времени с |
   ТСПплати- новый | I II | (-200 0) (0 600) (-200 0) (0 600) |     | 10 Ом 46 Ом 100 Ом | < 0,2C | 9 80 240 |
| ТСМ мед-ный | I II | (-50 180) (-50 180) |  | 53 Ом 100 Ом | <0,4C | 9 80 240 |
При нулевой температуре сопротивление терморезистора не равно нулю. Поэтому схема включения термометра сопротивления должна быть такой, чтобы при нулевой температуре выходной сигнал этой схемы был равен нулю. Это достигается двумя способами.
Первый из них заключается в том, что термометр сопротивления включается в мост, который уравновешивается при температуре термосопротивления, равной нулю, и при других температурах работает в неравновесном режиме. Схема такого моста приведена на рис. 55. Здесь учтено удаление датчика от остальной части схемы на значительное расстояние, и поэтому применяется трехпроводное включение датчика, такое, чтобы сопротивления линий связи
влияли на результат измерения в минимальной степени. В самом деле, сопротивление 
на результат измерения не влияет вообще. Сопротивления двух других линий 
, включены в противоположные плечи моста, и их влияние исключается практически полностью при условии 
.
Другой способ достижения нулевого выходного сигнала при нулевой температуре реализуется численным методом, для чего в составе средства измерений должен быть предусмотрен микропроцессор или компьютер. В этом случае удаленный терморезистор подсоединяется к прибору или системе по четырехпроводной схеме, показанной на рис. 56. В этой схеме при условии применения усилителя с очень большим входным сопротивлением
размером от 1.0 до 10.0 МОм и более влияние соединительных проводов и
контактов устраняется практически полностью, поскольку их сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с входным сопротивлением усилителя.
Нулевое выходное напряжение при нуле температуры достигается вычитанием из каждого результата падения напряжения на сопротивлении
, которое возникает при 
.^
Полупроводниковые терморезисторы (терморезисторы) отличаются от металлических меньшими габаритами, обратной зависимостью сопротивления от температуры, сильной нелинейностью этой зависимости и большим по абсолютной величине температурным коэффициентом сопротивления.
Зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов от температуры удовлетворительно описывается формулой
,где А - коэффициент, имеющий размерность сопротивления (Ом), В - коэффициент, имеющий размерность температуры.
Номинальное значение сопротивления терморезисторов нормируется для различных температур :
и 
и колеблется в широких пределах: от единиц Ом до сотен кОм. Вследствие малых габаритов терморезисторов их постоянная времени зависит от конструктивных особенностей и изменяется в пределах (0.1 30) с. Недостатком полупроводниковых терморезисторов является значительный разброс характеристик и невысокая стабильность параметров во времени. По этим причинам терморезисторы применяются, как правило, в качестве чувствительного элемента магнитного реле.
^
7.1.4.1. Пирометры
В ряде отраслей промышленности, например, в металлургии возникает необходимость бесконтактного измерения температуры. Это происходит в случаях недоступности объекта или когда температура объекта слишком высока, и взаимодействующий с ним датчик может выйти из строя, в частности, расплавиться. В этих случаях применяют средства измерений, в которых реализуются пирометрические методы измерения температуры, или методы, основанные на тепловидении.
К пирометрическим методам измерения температуры относятся пирометры полного излучения (радиационные пирометры), пирометры частичного излучения (яркостные пирометры) и пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры).
Принцип действия радиационных пирометров основан на том, что по закону Стефана-Больцмана интегральная мощность излучения абсолютно черного тела (АЧТ) зависит от температуры:
, где 
. Однако для реального тела эта зависимость может сильно изменяться в зависимости от состояния его поверхности и от материала. Пирометр, отградуированный по излучению АЧТ, покажет в реальности радиационную температуру 
, где 
- коэффициент теплового излучения. Схема радиационного пирометра представлена на рис. 57 а. Пределы измерения такого пирометра (400 3000)С. Излучение объекта воспринимается
пирометром, фокусируется и попадает на термопару, находящуюся в фокусе линзы. Возникающая термоЭДС пропорциональна температуре, при которой находится термопара. Эта термоЭДС измеряется любым милливольтметром. Задачей оператора является наведение объектива пирометра на объект.
В яркостных пирометрах используется зависимость мощности излучения от температуры в ограниченном диапазоне длин волн излучения. В таких пиро-
метрах обычно используется красный светофильтр, пропускающий излучения с длинами волн (0.648 0.664) мкм. И здесь мощность излучения зависит от материала излучающего объекта и от состояния его поверхности. Так, для полированной меди коэффициент теплового излучения равен 0.03, для вольфрама 0.6, для окисленного железа 0.6 0.9, для силикатных огнеупоров 0.9.
Принцип действия яркостного пирометра показан на рис. 57 б. В фокусе линзы находится образцовая нить, которая нагревается от источника тока, проходящего через регулировочное сопротивление
. Оператор регулирует этим сопротивлением ток до тех пор, пока нить не окажется неразличимой на фоне изображения излучающего тела. Этот ток измеряется и по его величине судят о температуре объекта с учетом его материала и качества поверхности. Пределы измерения таких пирометров от 300С до 6000С.В настоящее время для бесконтактного измерения температуры применяются методы тепловидения. В тепловизионных пирометрах в фокусе приемной линзы находится матрица, составленная из теплочувствительных элементов, выходные сигналы которых сканируются и передаются для дальнейшей обработки в микропроцессор или компьютер. Разрешающая способность таких пирометров достигает 0.1С.
Недостатком всех бесконтактных пирометров является сильная зависимость результатов измерений от коэффициента теплового излучения объекта, значение которого известно с ограниченной точностью. Достоинство бесконтактных пирометров - отсутствие непосредственного взаимодействия с объектом, вследствие чего тепловое поле объекта при измерении температуры не искажается. Кроме того с помощью подобных пирометров удается измерить, правда, с невысокой точностью температуру таких труднодоступных объектов, как планеты солнечной системы или даже звезды.
7.1.4.2. Термоанемометры
Термоанемометры служат для измерения скорости и объемного расхода негорючих газов и жидкостей. Метод основан на сносе тепла от нагретого предмета (терморезистора) движущимся потоком. Уравнение теплового баланса терморезистора, находящегося в движущейся среде, имеет вид:
,где ^ - сила тока через терморезистор, R - его сопротивление, S - площадь поверхности терморезистора,
и 
- температура терморезистора и температура среды соответственно, - коэффициент теплоотдачи, зависящий от формы терморезистора, от вязкости, скорости и теплопроводности среды. В качестве терморезисторов для термоанемометров применяют проволочные терморезисторы из платины и вольфрама диаметром 5 20 мкм, а также пленочные терморезисторы из никеля и других материалов. Длина терморезистора 5 10 мм. Терморезистор устанавливается в держатель, как показано на рис. 58 и включается в мост. Терморезистор нагревается проходящим через него током, а мост при этом уравновешивается при неподвижной среде. При движении среды терморезистор охлаждается, в измерительной диагонали моста появляется напряжение, измеряемое любым методом. Для коррекции зависимости сопротивления терморезистора от температуры движущейся среды методами, известными 
из гидродинамики, из потока отделяют некоторую неподвижную его часть и помещают туда аналогичный терморезистор, включая его в противоположное плечо моста.
Диапазон измеряемых скоростей от 0.01 м/с до 500 м/с. Частотный диапазон термоанемометров от 0 Гц до 500 Гц, поэтому подобные анемометры позволяют измерять высокочастотные флуктуации потоков. Основной причиной погрешности термоанемометров является зависимость сопротивления от теплофизических параметров среды. Кроме того с помощью термоанемометра измеряется скорость движения в локальной области потока, и эта скорость отличается от средней скорости, особенно если поток не ламинарный.
^
Для измерения деформации используются тензорезисторы, то есть такие резисторы, сопротивление которых изменяется при их линейной деформации. Существует три вида тензорезисторов: проволочные, фольговые и полупроводниковые. Механизм возникновения тензочувствительности у проволочных и фольговых тензорезисторов имеет одну природу.
Сопротивление электрического проводника длиной l, с площадью поперечного сечения S выражается формулой
.При увеличении длины проволоки вследствие ее упругой деформации на
ее диаметр уменьшается на d, причем относительные величины /l и d/d связаны прямо пропорционально: d/d = - 0.4/l. Кроме того при деформации проводника незначительно изменяется его удельное сопротивление .Прологарифмируем теперь исходное выражение и вычислим его дифференциал, заменив бесконечно малые на конечные приращения. В результате получим выражение, связывающее относительные приращения:
.Поскольку все слагаемые в правой части линейно зависят от относительной деформации = l /l, получим, что относительное изменение сопротивления тензорезистора пропорционально его деформации:
,где
- коэффициент тензочувствительности, его значение для разных мате-риалов лежит в пределах
, поскольку у различных материалов зависимости от деформации удельного сопротивления различаются.
Проволочные тензорезисторы изготавливаются из тонкой проволоки толщиной 10 20 мкм и наклеиваются на тонкую бумажную подложку (рис. 59). К объекту тензорезистор на подложке приклеивается высококачественным неэластичным клеем с тем, чтобы деформация объекта передавалась на тензорезистор полностью. Ориентируется тензорезистор строго по тому направлению, в котором необходимо измерить деформацию. База тензорезистора может иметь размеры от 5 мм до 20 мм. Сопротивление недеформированного тензорезистора от 40 Ом до 800 Ом.. Свойства материалов, из которых делаются проволочные тензорезисторы, представлены в таблице 5.
Таблица 5
^
| Материал | Коэффициент тензочувствительности | Температурный диапазон C | Критическая температура |
| Константан (45%Ni+55%Cu) | 2.0 | -270 260 | 315 C |
| Манганин | 2.0 | -270 180 | 180 С |
| Нихром (80%Ni+20%Cr) | 2.0 | до 400 | 450 С |
| Платина-вольфрам | 2.7 3.3 | до 550 | - |
Фольговые тензорезисторы изготавливаются из фольги, прокатанной из тех же материалов и обладают такими же характеристиками. Они изготавливаются фотоспособом. На фольгу наносится фоточувствительный слой, на этот слой проектируется изображение тензорезистора, затем незасвеченные участки вытравляются. В результате конфигурация фольговых тензорезисторов может быть достаточно сложной, а их база - довольно мелкой: до 0.8 мм.
Так же, как и проволочные тензорезисторы, фольговые устанавливаются на объект с помощью клея. В тех случаях, когда необходимо измерять деформацию объектов при высоких температурах, тензорезисторы к ним привариваются.
Пределы измерения относительных деформаций с помощью проволочных и фольговых тензорезисторов сверху ограничиваются пределами упругих деформаций металлов, то есть 1%. При коэффициенте тензочувствительности
и начальном сопротивлении недеформированного тензорезистора, равном 100 Ом пределы изменения сопротивления при полной деформации составит всего 1 Ом, и каждое значение этого изменения необходимо измерять с относительной погрешностью (1 2)%, что в абсолютном выражении составит величины (0.02 0.04) Ом. По отношению к полному сопротивлению тензорезистора в относительных единицах точность измерения сопротивления окажется уже (0.02 0.04)%.В связи с этим остро встает вопрос о точном определении коэффициента тензочувствительности и собственного сопротивления тензорезистора при его выпуске из производства. И если точное измерение сопротивления труда не составляет, то для точного измерения коэффициента тензочувствительности необходимо приклеить тензорезистор к образцовому объекту (например, к образцовой балке) так же хорошо, как и затем к объекту. Поэтому испытанный объект к дальнейшему применению пригоден не будет. Указанная причина заставляет выполнять метрологические испытания тензорезисторов выборочно на отдельных представителях партии тензорезисторов, изготовленных при одинаковых технологических условиях. Это единственное средство измерений, которое подвергается выборочным метрологическим испытаниям с разрушением.
Понятно, что по результатам таких выборочных испытаний необходимо приписать всем тензорезисторам партии полученное значение коэффициента
и характеристики разброса значений индивидуальных коэффициентов внутри партии. Эта операция выполняется статистическими методами, описанными в Лабораторном практикуме [11].Указанный разброс коэффициента тензочувствительности проволочных и фольговых тензорезисторов является одной из основных причин погрешности измерения деформации.
Как мы видим, одного тензорезистора явно недостаточно для измерения деформации объекта. Необходимо преобразовать незначительное изменение его сопротивления, вызванное деформацией, в значимый сигнал напряжения или тока, который был бы пропорционален измеряемой величине, и при отсутствии деформации так же был бы равен 0. Для этого применяются мостовые схемы, которые уравновешиваются при отсутствии деформации.
В зависимости от доступности поверхностей объекта схемы включения тензорезисторов именуются "четверть моста", "половина моста" и "целый мост". Эти схемы представлены на рис. 60 а, 60 б, 60 в соответственно. На этих схемах принято, что сопротивления всех плеч моста, в том числе, сопротивления недеформированных тензорезисторов равны R. Напряжение питания моста
. Выходное напряжение, вызванное деформацией тензорезисторов, возникает в измерительной диагонали и обозначено через 
.Схема "четверть моста" применяется в тех случаях, когда доступной является только одна сторона объекта, например, внешняя поверхность крыла самолета при его испытаниях на прочность, внутренняя поверхность корпуса судна, наружная поверхность котла.
Тогда в заданное место на поверхность объекта наклеивается только один тензорезистор
(рис. 60 г), сопротивление которого при показанной относительной деформации увеличивается, то есть 
. Считая входное сопротивление усилителя 
, получим выражение для напряжения в диагонали данного неравновесного моста, вызванное деформацией:
.Мы видим, что выходное напряжение неравновесного моста зависит от напряжения питания, и что зависимость выходного сигнала от относительной деформации нелинейна. При
и при максимальной относительной деформации 
погрешность от нелинейности составит 0.5%.В тех случаях, когда объект деформируется строго в одном направлении, для компенсации погрешности от температуры перпендикулярно к тензорезистору
наклеивают компенсирующий тензорезистор 
, как это показано на рис. 60 г. Этот тензорезистор включают в мост по схеме "половина моста", показанной на рис. 60 б, но поскольку он практически не воспринимает деформацию объекта, выражение для выходного напряжения остается прежним, действительным для схемы "четверть моста".
Если объект подвергается изгибу, и обе его поверхности доступны, то тензорезисторы приклеивают на обе противоположные поверхности так, чтобы тензорезисторы испытывали деформации, равные по величине, но противоположные по направлению (рис. 60 д). Тогда при относительной деформации , вызванной силой F, сопротивление тензорезистора
будет увеличиваться 
, а сопротивление тензорезистора будет уменьшаться 
. Тогда зависимость выходного напряжения моста от деформации будет линейной, а чувствительность схемы к деформации повысится в два раза:
.Еще большего повышения чувствительности можно добиться, если объект предоставляет возможность использовать тензорезисторы во всех четырех плечах моста (рис. 60 в и 60 е):
.При использовании проволочных или фольговых тензорезисторов для измерения деформаций объектов возникают погрешности, обусловленные следующими причинами:
разбросом коэффициентов тензочувствительности тензорезисторов,
нагреванием тензорезисторов протекающим через них током,
различием коэффициентов теплового расширения материалов тензорезистора и объекта, из-за чего тензорезистор испытывает деформацию даже при недеформированном объекте,
термоЭДС, возникающая в месте соединения проволоки тензорезистора с подводящими медными проводами,
эластичностью клея,
неверной ориентацией тензорезистора по направлению деформации,
нестабильностью напряжения питания моста,
дрейфом нуля усилителя постоянного тока и его тепловыми шумами.
Некоторые из перечисленных погрешностей удается скорректировать. О коррекции некоторых температурных погрешностей речь шла выше. Эта коррекция достигается приклеиванием на объект дополнительного тензорезистора перпендикулярно основному. Погрешности от нагревания собственным током можно уменьшить, уменьшая этот ток, но при этом снижается чувствительность моста. Компромисс здесь достигается при импульсном питании моста. Моменты измерения выходного напряжения моста синхронизируются с моментами подачи импульсов питания. За счет этого увеличивают амплитудное значение напряжения питания и тем самым увеличивается чувствительность, но при этом уменьшается действующее значение этого напряжения, и тензорезисторы нагреваются гораздо меньше. В то же время при таком питании для усиления напряжения в измерительной диагонали моста применяется усилитель переменного напряжения, у которого дрейф отсутствует. Если к тому же на вход усилителя поставить фильтр, не пропускающий напряжение на частотах ниже частоты питания моста, то таким образом могут быть отфильтрованы помехи. Частота питающих импульсов выбирается в пределах (10 30) кГц.
Тензоэффект в полупроводниковых тензорезисторах возникает за счет того, что при их деформации изменяется удельное сопротивление , коэффициент тензочувствительности при этом достигает 80. Но с другой стороны, предел допускаемых упругих деформаций полупроводникового тензорезистора ограничен значением 0.1%, что в десять раз меньше, чем у проволочных или фольговых тензорезисторов. В связи с этим, а также из-за трудностей установки полупроводниковых тензорезисторов на объект они не используются для собственно измерения деформаций. Полупроводниковые тензорезисторы применяются только в составе датчиков других физических величин, таких как сила, давление, ускорение. Они изготавливаются по полупроводниковой технологии, имеют очень малые размеры, большое сопротивление, сложную конфигурацию и изготавливаются либо на эластичной подложке, либо их подложка является упругим элементом датчика.
Технология изготовления полупроводниковых тензорезисторов, которые являются единым целым с подложкой, обеспечивает либо коррекцию, либо полное отсутствие некоторых погрешностей, таких как погрешность от неверной ориентации, погрешность от различия коэффициентов теплового расширения материала подложки и тензорезистора, погрешность от некачественного приклеивания. Кроме того, поскольку эти тензорезисторы входят в состав датчиков, они подвергаются не выборочным, а сплошным метрологическим испытаниям в составе датчиков, оснащенных средствами индивидуальной регулировки. В результате резко уменьшается погрешность от разброса значений коэффициентов тензочувствительности. Единственным недостатком полупроводниковых тензорезисторов является их невысокая термостойкость, что не позволяет их использовать при температурах выше (100 200)С.
^
Датчики физических величин, чувствительный элемент которых основан на применении тензорезисторов, называются тензорезистивными датчиками.
Датчик силы. При измерении силы с помощью тензорезистивных датчиков выполняется цепочка взаимнооднозначных преобразований, показанная на рис. 61. Применение полупроводниковой микротехнологии позволяет в корпусе датчика разместить измерительный мост, а в некоторых случаях и усилитель и даже АЦП.
На основе тензорезисторов создаются датчики силы с пределами измерений от долей грамма до десятков тонн. Пределы измерений определяются жесткостью W упругого элемента, который преобразует измеряемую силу в деформацию этого элемента. Последующие преобразования очевидны.
На рис. 62 приведены два примера датчиков силы, в которых используются не рассмотренные ранее комбинации упругих элементов с тензорезисторами. В любом датчике силы на конструктивном элементе, воспринимающем силу, должна быть предусмотрена выпуклость, которая фиксирует точку приложения силы. В датчиках, предназначенных для применения в весоизмерительных системах, важно обеспечить независимость результата измерения от расположения взвешиваемого изделия (продукта) на платформе, где это изделие размещается. Указанная независимость может достигаться иными методами: установкой нескольких датчиков и последующей математической обработкой результатов.
На первом примере (рис. 62 а) показан в разрезе круглый датчик, упругим элементом которого является верхняя мембрана, на которой с внутренней стороны наклеен фольговый или полупроводниковый тензорезистивный элемент, показанный на рис. 62 б. Этот элемент представляет собой полный мост с возможностью подключения к нему внешнего сопротивления R, предназначенного для уравновешивания моста при отсутствии деформации. При воздействии на датчик силы F тензорезисторы
и 
сжимаются, а тензорезисторы 
и 
растягиваются. Эти тензорезисторы включаются в мост так, как показано на рис. 60 в и 62 г. Относительная деформация преобразуется в напряжение измерительной диагонали моста по формуле 
.
Полупроводниковые мембраны подобной конструкции изготавливаются в одном кристалле на подложке толщиной несколько микрометров и диаметром до 1 см.
Вторая конструкция упругого элемента, представленная на рис. 62 в, требует иной схемы включения тензорезисторов в мост. Этот упругий элемент под действием измеряемой силы претерпевает только сжатие. В направлении деформации сжатия на упругом элементе установлены тензорезисторы
и , которые включены в мост, как показано на рис. 62 д. Вторая пара тензорезисторов и установлены перпендикулярно основным тензорезисторам и применяются для коррекции температурных погрешностей, как это было указано выше, в п. 7.2. Положим, что в отсутствии воздействия измеряемой силы сопротивления всех тензорезисторов равны, а входное сопротивление усилителя значительно больше этих сопротивлений. Тогда напряжение в измерительной диагонали такого моста равно
.В случае, когда применяемые тензорезисторы фольговые и
, нелинейность преобразования составит не более 1%. При использовании в таких датчиках полупроводниковых тензорезисторов, для которых 
нелинейность преобразования составит всего 0.1%. Наиболее точным средством измерения силы, построенным на основе тензорезистивных датчиков, являются электронные весы фирмы "Сарториус" со встроенным микропроцессором. В этих весах тензорезисторы используются в качестве первого звена цепи отрицательной обратной связи, с помощью которой взвешиваемый груз компенсируется силой, создаваемой магнитоэлектрическим устройством. Погрешность весов не превышает 0.001%. При метрологических испытаниях и применении в микропроцессор вводится значение плотности окружающего воздуха с целью исключения погрешности, вызываемой силой выталкивания взвешиваемого предмета воздухом в соответствии с известным законом Архимеда. Среди весов, выпускаемых фирмой "Сарториус", отметим весы SC2 (предел измерения 2.1 г, разрешающая способность 0.1 мкг) и весы МС5 (предел измерения 5.1 г, разрешающая способность 1 мкг).
Среди изготовителей датчиков силы отметим германскую фирму "Messtechnik", которая выпускает датчики силы с пределами измерения от от 5 Н до 50 Н, от 50 Н до 1000 Н, от 100 Н до 10000 Н и от 5000 Н до 500000 Н. Погрешность датчиков - от 0.02% до 0.03%. Та же фирма выпускает датчики силы для взвешивания цистерн, бункеров и тому подобного с верхним пределом измерения до 5000000 Н.
^ В этих датчиках измеряемое ускорение преобразуется в силу за счет использования силы инерции, действующей на тело с точно известной массой m:
, где 
- ускорение датчика. Цепочка измерительных преобразований, выполняемых с участием тензорезистивных датчиков, представлена на рис. 63.Некоторые из возможных вариантов установки на упругий элемент тела с массой m и размещения на нем тензорезисторов показаны на рис. 64. Наибольшей чувствительностью из приведенных вариантов будет обладать датчик, у
которого тело с массой m прикреплено на конце упругого элемента в виде консольной балки. Рабочие тензорезисторы обозначены здесь, как
, а тензо-
резисторы
установлены для компенсации температурных погрешностей,и их сопротивление не зависит от ускорения. Схема включения тензорезисторов в мост - по схеме рис. 60 б, формула для напряжения в диагонали - для схемы "половина моста".
Менее чувствительным будет датчик ускорения, у которого тело массы m и тензорезисторы установлены на гибкий элемент в соответствии с рис. 64 б. Тензорезисторы включаются в схему "целого моста" в соответствии с рис. 64 в.
И наконец, наименьшей чувствительностью будет обладать датчик ускорения, гибкий элемент которого работает на сжатие и растяжение (рис. 64 г). Тензорезисторы такого датчика включаются по схеме рис. 62 г.
Повышения чувствительности тензорезистивных датчиков ускорения можно добиться, используя импульсное питание моста, синхронизированное с моментами измерения (см. также п. 7.2).
В датчиках ускорения значения массы и жесткости упругого элемента подбирают в соответствии с требуемой чувствительностью. Если же необходимо построить датчик виброускорений или если датчик ускорений должен работать в заданной области частот, то масса и жесткость упругого элемента должны обеспечивать такую частоту собственных свободных колебаний, чтобы она была существенно выше верхней границы частотного спектра измеряемых ускорений. Выполнение этого условия позволит обеспечить равномерную амплитудно-частотную характеристику датчика во всей заданной области частот.
Широкую номенклатуру датчики ускорения выпускает фирма Burster (Германия). Для их создания использованы полупроводниковые тензорезисторы, которые иногда называются пьезорезисторами. Датчики отличаются диапазонами измерения, характеристиками погрешности, габаритами и присоединительными размерами. Предел допускаемой погрешности не превышает 1%. Масса датчиков менее 3 г., габаритные размеры менее 101010 мм.
Для метрологических испытаний датчиков вибрационного ускорения применяются вибростенды, которые воспроизводят гармонические вибрации с регулируемой частотой и амплитудой.
Постоянное ускорение в течение всего времени эксперимента воспроизводят на центрифуге, скорость вращения которой и расстояние от центра вращения до датчика известны с высокой точностью. На чувствительный элемент датчика в этом случае действует центробежное ускорение. В качестве государственного эталона переменных ускорений используется двойная центрифуга.
^ В тензорезистивных датчиках давления жидкости или газа измеряемое давление преобразуется в силу с помощью поршня или мембраны, площадь которых известна с высокой точностью. Цепочка измерительных преобразований, выполняемых при измерениях давления с участием тензорезистивных датчиков, показана на рис. 65.
Датчики давления подразделяются на датчики абсолютного давления, датчики избыточного давления (по сравнению с атмосферным) и датчики разности давлений. Внутренняя камера всех этих датчиков герметично делится упругой или мягкой мембраной на две полости, как показано на рис. 66.
В полости 2 датчика абсолютного давления (рис. 66 а) создается вакуум. На этом рисунке представлен вариант, когда упругим элементом является мембрана, на которой с помощью полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы ТР в соответствии с рис. 62 б. Эти тензорезисторы расположены на той стороне мембраны, которая находится в полости 2 и не подвергается воздействию среды, которая может быть агрессивной. Площадь и жесткость этой мембраны должны быть известны с высокой точностью ибо в этом случае мембрана выполняет два преобразования: преобразование давления в силу через площадь мембраны и преобразование силы в деформацию тензорезисторов.
В датчике избыточного давления упругим элементом может служить такая же мембрана, тензорезисторы которой защищены от атмосферы лаковыми покрытиями. Но на рис. 66 б представлен вариант, когда от воздействия агрессивных компонентов той и другой среды мембрана с тензорезисторами, обладающая известной жесткостью, защищена герметичными плоскими мембранами, жесткость которых равна нулю. Эти мембраны выполняют преобразование давления в силу, которая затем преобразуется упругой мембраной с тензорезисторами.
Еще один вариант защиты от агрессивных сред представлен на рис. 61 в. С помощью такого датчика измеряется разность давлений в потоке жидкости или газа на участке трубопровода, где находится диафрагма, сужающая поток. Разность давлений до и после диафрагмы возникает из-за сопротивления, которое оказывает диафрагма потоку, и эта разность пропорциональна квадрату скорости потока или расходу движущейся среды. Среда может быть агрессивной, и здесь защита от нее является обязательной. В качестве средства защиты на этом рисунке представлены поршни, которые одновременно являются преобразователями давления в силу. Сила, которую они воспринимают, передается
на мембрану посредством штоков.
Во всех трех случаях через ТР обозначены фольговые или полупроводниковые тензорезисторы, сформированные на мембранах в соответствии с рис. 62 в.
Тензорезистивные датчики давления всех трех видов находят широкое применение на таких объектах, как электростанции, котельные, испытательные стенды энергоагрегатов. Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура тензорезистивных датчиков давления типов САПФИР-22 и МЕТРАН-22. Диапазоны измеряемых давлений и разности давлений этих датчиков от десятков кПа до 10 МПа и выше. Погрешность датчиков 0.5% и 0.25%. В корпусе датчиков смонтированы тензомосты и вторичные преобразователи. Выходным сигналом этих датчиков является постоянный ток силой (0 5) мА, (0 20) мА и (4 20) мА. Выходные сигналы зарубежных тензорезистивных датчиков давления промышленного применения изменяются в тех же пределах.
Погрешность лучших тензорезистивных датчиков давления фирмы Fluke и Motorola (США), Rosemount и Druck (Германия), Метран (Россия, г. Челябинск), завод "Манометр" (г. Москва) и других достигает 0.05%. На основе подобных датчиков фирмы выпускают семейство калибраторов давления с той же погрешностью. В этих датчиках преобразование давления в силу и силы в деформацию осуществляется с помощью упругих элементов типа мембран (рис. 62 б), или типа балок. В датчиках применяются фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.
Для метрологических испытаний промышленных датчиков давления используются высокоточные датчики или специальные прессы, образцовое давление в которых создается грузами точного веса.
^
Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторным датчикам. В этих датчиках используется пьезоэлектрический эффект (или, короче, пьезоэффект), который заключается в том, что некоторые материалы под действием на них силы электризуются: на их поверхности появляется электрический заряд, величина которого зависит от приложенной силы. Это означает, что материал, обладающий пьезоэффектом, выполняет преобразование силы в электрический заряд. Природным материалом, который обладает пьезоэффектом, является кварц или горный хрусталь..
Заряд, возникающий вследствие пьезоэффекта, линейно зависит от приложенной силы:
,где
- коэффициент пьезочувствительности материала.Точность преобразования силы в заряд довольно высока. Так, кристалл кварца выполняет это преобразование с относительной погрешностью
. Дальнейшее преобразование электрического заряда в напряжение выполняет усилитель заряда, и полученное напряжение может быть измерено любым средством измерения напряжения: аналоговым или цифровым вольтметром или АЦП, сопряженным с компьютером. Пьезоэффект может быть продольным, когда заряд возникает на поверхностях, к которым приложена сила, или поперечным, когда заряд возникает на боковых поверхностях. Материал при этом практически не деформируется.
На рис. 67 представлены схемы, иллюстрирующие продольный (рис. 67 а) и поперечный (рис. 67 б, в) пьезоэффекты, и обозначены знаки возникающих зарядов. Для эффективного использования поперечного пьезоэффекта две пластины пьезоматериалов соединяют параллельно (рис. 67 б), прокладывают между ними проводящую прокладку и закрепляют их, как консольную балку. Образующийся заряд возникает на зажимах, как показано на рисунке. При действии силы F верхняя пластина растягивается, а нижняя сжимается, и заряд возникает на боковых относительно действующих напряжений сторонах пластин. В такой конструкции чувствительность преобразования F q существенно выше.
К достоинствам кристалла кварца применительно к созданию датчиков силы и других величин относится его стойкость к высокой температуре (пьезоэффект утрачивается после точки Кюри при t = 530C) и высокая точность и стабильность преобразования.
Затрудняет применение кварца трудоемкость обработки и очень высокое удельное сопротивление, достигающее
Ом. Поверхностное сопротивление кварца гораздо меньше, поэтому для предотвращения утечки заряда приходится применять хорошую изоляцию, а также тщательно обрабатывать поверхности и герметизировать датчики, защищая кристалл кварца от пыли и грязи. Высокие требования предъявляются к кабелю, соединяющему пластины кварца со входом усилителя заряда. Во избежание утечек заряда изоляция между проводами должна быть очень высокой, а емкость между ними минимальной.Кроме кристалла кварца в пьезоэлектрических датчиках используются пьезокерамики. К пьезокерамикам относится титанат бария, различные разновидности цирконато-титаната свинца и другие. Точность преобразования силы в заряд у этих материалов хуже, чем у кварца.
Пьезокерамики изготавливаются из сегнетоэлектриков, которые не являются кристаллическими веществами и их домены расположены хаотично. Сегнетоэлектрики сильно измельчают, а затем спекают с вяжущим веществом в сильном электростатическом поле. Сравнительные характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов приведены в таблице 6.
Допустимое механическое напряжение для всех материалов
.Таблица 6
^
  Материал | Коэффициент пьезочувствительности  продольной поперечной |  | Точка Кюри С |
| Кристалл кварца |   | 4,5 | 530 |
| Титанат бария |  | 1700 | 150 |
| Цирконато-титанат свинца (ЦТС) |   | 1300 | до 400 |
Из сказанного ясно, что на основе подобных материалов, обладающих пьезоэффектом, могут быть созданы пьезоэлектрические датчики силы, ускорения и давления. От подобных тензорезистивных датчиков пьезоэлектрические отличаются повышенной температурной стойкостью и повышенной надежностью. Однако при невысоких температурах применения в связи с успехами в микротехнологии тензорезистивные датчики успешно конкурируют с пьезоэлектрическими.
На рис. 68 показаны цепочки преобразований, которые выполняются с участием перечисленных датчиков. На этом рисунке усилитель заряда включен в состав пьезоэлектрического датчика с учетом современной тенденции встраивания вторичных преобразователей в корпуса датчиков вторичных преобразователей. В результате входные цепи усилителя приближаются непосредственно к источнику заряда и тем самым уменьшаются погрешности, вызванные несовершенством изоляции кабеля и его емкостью, которая частично шунтирует пьезоэлемент датчика. Однако, при этом к датчику приходится подводить питание, необходимое для работы усилителя.
Усилитель заряда - общий для всех типов пьезоэлектрических датчиков. Он представляет собой усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления порядка
, охваченный глубокой отрицательной емкостной обратной связью. В связи с этим усилитель является, по сути, конденсатором, на выходе которого развивается напряжение 
, где 
= (50 100) пФ - емкость конденсатора, стоящего в цепи обратной связи. Упрощенная схема такого усилителя представлена на рис. 69. Параллельно с конденсатором обратной связи включается активное сопротивление 
Ом. Современная элементная база позволяет достичь чувствительности усилителя заряда до 1 В/пКл. Рассмотрим характерные конструктивные особенности пьезоэлектрических датчиков.
Схемы воздействия силы на пьезоэлемент датчика представлены на рис. 67. Для того, чтобы обеспечить наилучшую изоляцию, в датчике силы, работающем по принципу, показанному на рис. 67 а, используется изоляция, которая обеспечивается самим пьезоэлементом. Для этого применяется составной пьезоэлемент, состоящий из двух пластин, между которыми проложена проводящая прокладка (см. рис. 70 а). Используется продольный пьезоэффект, пластины пьезоэлементов 4 соединяются располагаются так, чтобы заряды, возникающие под действием измеряемой силы, были направлены навстречу друг другу. Электрическое соединение пластин - параллельное. Поскольку верхняя и нижняя пластины вынуждены контактировать с корпусом датчика 1, отвод заряда с них осуществляется с помощью коаксиального кабеля, центральный провод которого 2 присоединен к внутренним сторонам пластин пьезоэлементов, а внешняя оболочка 3 соединяется с корпусом,. Далее следует усилитель заряда и все последующие преобразователи. Точно так же обеспечивается наилучшая изоляция и в случае использования поперечного пьезоэффекта в соответствии с рис. 67 б. Подобная схема размещения пьезоэлементов показана на
рис. 70 г и является типичной также для датчиков давления. Для датчика ускорения, в котором тело 5 с массой m не контактирует с корпусом, эта схема не используется.
С развитием полупроводниковой микротехнологии тензорезистивные датчики давления и ускорения становятся все более серьезными конкурентами пьезоэлектрических датчиков тех же измеряемых величин. Единственной позицией, которую прочно занимают пьезоэлектрические датчики, является измерение очень высоких импульсных давлений при высоких температурах. Примером таких измерений могут служить измерения давления взрыва в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания: дизельных и бензиновых. В этой области наилучшими характеристиками обладают пьезоэлектрические датчики фирмы "Kistler" (Германия). В некоторых из этих датчиков, предназначенных для работы при очень высокой температуре, применяется водяное охлаждение. Точность датчиков фирмы "Kistler" составляет 0.2% на пределах измерения до 20.0 МПа и выше. Частотная полоса - до 80.0 кГц. Фирмой выпускаются одноосные, двухосные и трехосные пьезоэлектрические датчики ускорения. Высокочувствительные миниатюрные пьезоэлектрические датчики ускорения с выходным сигналом в виде заряда или напряжения выпускает также фирма Bruel & Kjaer (Дания) с частотным диапазоном до 50 кГц. Масса датчиков - от 3 г до 12 г. Пьезоэлектрические датчики для сейсмических измерений, в частности, с целью раннего прогнозирования землетрясений выпускает фирма PCB Piezotronics.
Погрешность лучших современных пьезоэлектрических датчиков ускорения достигает (0,2 0,5) %.
Скачать файл (554.4 kb.)