Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

ниже нуля – тип Е, Т
комнатные температуры – тип К, Е, Т
до 300 °С – тип К
от 300 до 600°С – тип N
выше 600 °С – тип К или N

4. Термопары из огнеупорных соединений.

Преобразователи термоэлектрические ТПП-0192, ТПР-0192, ТПР-0292, ТПП-0392 и ТПР-0392 предназначены для измерения температуры окисилительных и нейтральных газовых сред, не взаимодействующих с материалом термоэлектродов и не разрушающих материал защитной арматуры.
Отдельные исполнения термопар ТПП-0192 и ТПР-0192 также предназначены для измерения температуры в печах с продуктами горения твердого и газообразного топлива и температуры расплавов, не разрушающих материал защитной арматуры.
Платино-родиевые термопары ТПР-0792 предназначены для измерения температуры водорода, окиси углерода, паров воды и других химически агрессивных и высокотемпературых сред, не разрушающих материал защитной арматуры.
Термопары ТПР-0492 предназначены для измерения температуры горячего дутья доменных печей.

Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами.
Для измерения температуры расплавленного металла термопарами из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4—0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения расплавленного металла (2000-2500 С) и газового потока (1800 С).

ТЕНЗОДАТЧИКИ.

1. Основные положения тензоэффекта

Тензодатчики бывают:

· проволочные,

· фольговые,

· полупроводниковые

· резино-проволочные

Измерительный мост, позволяющий определять величину неизвестного электрического сопротивления, был изобретён британским учёным Самуэлом Кристи в 1833 году, и позже модернизирован и популяризирован другим британским учёным, Чарьзом Витстоном в 1843 году.

Принцип измерения неизвестного сопротивления основан на уравнивании отношений сопротивлений в обоих плечах моста, при этом гальванометр, включённый между этими плечами, будет показывать нулевое напряжение. На рисунке R_x - это неизвестное сопротивление, которое требуется измерить. R1, R2 и R3 - резисторы с известными значениями сопротивлений, причём резистор R2 переменный. Если отношение двух известных сопротивлений в плече R2/R1 равно отношению сопротивлений в плече R_x/R3, то в этом случае напряжение между точками схемы P2 и P4 будет равно нулю, и через гальванометр V ток не будет течь. Если же мост разбалансирован, то отклонение гальванометра будут указывать на то, что сопротивление резистора R2 слишком большое или слишком маленькое. Переменный резистор R2 регулируют до тех пор, пока гальванометр не укажет на ноль.

По гальванометру можно определять отсутствие тока в цепи с очень большой точностью. Следовательно, если резисторы R1, R2 и R3 - высокоточные, то неизвестное сопротивление R_x может быть измерено с большой точностью. Небольшие изменения сопротивления R_xразбалансируют измерительный мост, что обнаруживается по показанию гальванометра.

При сбалансированном мосте выполняется равенство R2/R1 = R_x/R3.

Отсюда R_x = R3*R2 / R1

В случае если сопротивления R1, R2 и R3 известны, а резистор R2 - постоянный, то неизвестное сопротивление R_x может быть рассчитано с помощью законов Кирхгофа. Этот метод измерения часто используется при применении измерительного моста в тензометрии, совместно с тензодатчиком, так как считать показания с гальванометра получится гораздо быстрее, чем балансировать мост переменным резистором.

 

Тензоэффект — свойство материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. При этом считается, что сопротивление проводника или полупроводника зависит (при неизменном объеме) от его длины.

Тензометрический измерительный преобразователь - параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.

Для компенсации температурной погрешности тензодатчика часто используют два одинаковых датчика, которые размещают в месте измерения, причем один из них — на деформируемой детали, а другой — на детали, не подвергающейся деформации, и включают их в смежные плечи моста. Так как оба датчика на­ходятся в одинаковых температурных условиях, приращения их сопротивлений за счет изменения температуры одинаковы в обоих плечах моста и не оказывают влияния на результат изме­рения.

Принцип действия: При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшается.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10⁻³) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивленияпроводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином ив 1881 году О.Д.Хвольсоном.

В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:

· исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;

· применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.

Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.

Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.

Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их достоинств:

· малые габариты и вес;

· малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;

· обладают линейной характеристикой;

· позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения;

· способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали.

Недостаток: заключающейся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

Все существующие преобразователи можно разделить на три основных типа:

· проволочные;

· фольговые;

· пленочные.

Материалы для тензорешеток должны удовлетворять следующим требованиям:

· иметь высокое удельное сопротивление, позволяющее изготавливать малобазные тензорезисторы с достаточно большим сопротивлением;

· обладать высокой и стабильной чувствительностью к деформации; изменения сопротивления, вызванные деформацией, должны подчиняться линейному закону в достаточно широком диапазоне;

· быть нечувствительным к влиянию температуры, т.е. температурный коэффициент сопротивления должен быть близким к нулю;

· термоЭДС в паре с медью должна быть как можно меньше, что очень важно при питании тензорезисторов постоянным током;

· температурные коэффициенты линейного расширения материала проволоки и материала исследуемой детали, на которую наклеивается тензорезистор, должны быть равными или незначительно отличаться, в противном случае изменения температуры будут вызывать кажущуюся деформацию и, следовательно, создавать погрешности при измерениях;

· не иметь гистерезиса; обладать технологичностью, позволяющей изготавливать фольгу микронных размеров;

· иметь высокое отношение предела пропорциональности к модулю упругости;

· сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов, должны хорошо противостоять окисляющему воздействию внешней среды

БАЗА l – длина чувствительного элемента решетки тензорезистора в мм. Выпускаются датчики с базой от 0,2 до 150 мм.

Номинальное сопротивление R – значение активного сопротивления чувствительного элемента (решетки) тензорезистора в Ом. Сопротивление тензорезисторов промышленного производства составляет 10...1000 Ом.

Рабочий ток питания Iр – допустимый ток в мА, при котором не происходит заметного нагрева тензорезистора, могущего повлиять на свойства тензочувствительного элемента (решетки), основы и клеевого соединения. Чем больше ток, проходящий через решетку тензорезистора, тем выше уровень электрических сигналов, в которые преобразуется измеряемая дефор- 18 мация. Поэтому с точки зрения увеличения чувствительности измерительной схемы желательно пропускать через тензорезистор как можно больший ток.

Предел измеряемой деформации ε_max – наибольшее значение относительной деформации в мкм/м (или в процентах), в отношении которой завод-изготовитель гарантирует надежную работу тензорезисторов и строгую линейность их характеристики преобразования. Правильно наклеенный тензо- резистор обладает практически линейной характеристикой и обеспечивает достаточно высокую точность измерений, если деформация не превышает уровня ± 0,3%.

Нелинейность – под нелинейностью понимается максимальное от- клонение реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой ли- нии (рис. 4). Рис. 4. Характеристика циклического деформирования тензорезистора (масштаб условный)

Смещение нуля – отрицательный выходной сигнал датчика после снятия нагрузки.

Гистерезис представляет собой разность значений выходного сигнала тензорезистора при одних и тех же уровнях входного сигнала, полученных при нагружении и разгрузке объекта.

2. Коэффициент чувствительности тензодатчика.

Коэффициент тензочувствительности, или чувствительность тензорезистора, определяется как отношение относительного приращения сопротивления наклеенного тензорезистора к относительной деформации образца, измеренной в направлении оси тензорезистора:

Этот важнейший параметр датчика отражает поведение системы «решетка – основа – клей» и несколько отличается от аналогичного параметра для мате- риала решетки, который был введен ранее и обозначался буквой S

3. Материалы для тензодатчиков.

Материал любой: хоть Ме, хоть п/пр. Только надо учитывать: у п/прRбольшое → Толщину можно брать побольше, а у МеRочень маленькое (по сравнению с п/пр) → пленку Ме надо брать очень-очень тонкую

1. Константан – используется в большинстве тензорезисторов, благодаря неизменности тензочувствительности и отсутствию существенных изменений при переходе от упругих деформаций к пластическим. Он обладает высоким удельным сопротивлением и температурной стабильностью.

2. Сплав карма – по сравнению с константаном обладает рядом преимуществ:

· может быть скомпенсирован температурно в более широком диапазоне температур;

· никеле-хромовая основа сплава обеспечивает тензорезисторам более высокие усталостные характеристики;

· сплав проявляет более высокую временную стабильность, а, следовательно, предпочтителен при измерении статических деформаций на протяжении длительного времени (от нескольких месяцев до нескольких лет);

Недостаток:

· Трудность пайки выводных проводников к контактным площадкам датчика.

3. Изоластик – обладает высокой тензочувствительностью и наиболее высокими усталостными характеристиками, однако он исключительно чувствителен к температуре, а, следовательно, его сфера применения ограничена или динамическими измерениями, или статическими, при которых нестабильность, связанная с температурой, не имеет значения.

4. Нихром V, платиновольфрам, армюр Д - применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при которых приобретают существенное значение устойчивости к окислительным процессам.

4. Область применения тензодатчика.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

ДАТЧИК ХОЛЛА

ПРИМЕНЕНИЕ Датчики Холла широко используются там, где требуются высокая точность и надежность. Они находят применение в безколлекторных двигателях, измерителях различных величин, сварочном оборудовании, бытовых приборах, компьютерах и т.д.

Эффект Холла заключается в возникновении напряжения в проводнике с током в магнитном поле. Возникающее напряжение перпендикулярно протекающему току и пропорционально магнитному потоку. После усиления это напряжение используется для управления выходными каскадами датчиков и внешними схемами.

Холловские концы расположены на эквипотенциальной поверхности. Поэтому, когда поля нет, на них ничего нет. Пластинка может быть п/п или металлической.