Вольт-амперною характеристикою називають залежність фотоструму від напруги за незмінної освітленості.

Світлові характеристики фотоелементів за виключенням вакуумних нелінійні, що необхідно враховувати при розрахунку вимірювальних схем з датчиками. Характерною особливістю напівпровідникових фото-елементів є наявність теневого струму Iт, зумовленого кінцевою величиною опору елемента за відсутності освітленості.

Чутливість оптичних датчиків поділяють на інтегральну, питому та спектральну.

Інтегральна чутливість (мкА/лм) чисельно дорівнює силі фотоструму, що протікає крізь датчик під дією одиниці світлового потоку, нерозкладеного у спектр: , де та - фотострум та світловий потік відповідно.

Питома чутливість (мкА/лм·В) є відношенням фотоструму до світлового потоку при напрузі 1В:, де U – напруга, прикладена до фотоелементу. Максимальну чутливість визначають як добуток питомої на максимальну різницю потенціалів.

Залежність чутливості фотоелемента від довжини хвилі світлового потоку називають спектральною характеристикою, а коефіцієнт чутли-вості, знайдений для певної довжини хвилі – спектральна чутливість.

Прикладом використання фотоелектронного приладу у якості датчика освітленості є фотореле типу ФР-2, яке встановлюють на комплектних трансформаторних підстанціях 10/0,4кВ для керування вуличним освітленням. У залежності від величини освітленості фотореле вмикає або вимикає освітлювальні установки. Датчиком у реле є фоторезистор ФСК-Г1, який має теневий опір 3,3 МОм, а при освітленні 200 лк – тільки 3,3 кОм. Фотореле складається з електронного ключа, керуємого фоторезистором та випрямляча напруги живлення. Електронний ключ представляє собою фотореле з підсилювачем струму на транзисторах VT1, VT2. Колекторним навантаженням транзистора VT2 є проміжне електромагнітне реле КV (рис.4). Фоторезистор Фр R1 та R2 утворюють поділювач напруги, з якого на базу транзистора VT1 подається напруга зміщення. За нормальної освітленості, коли опір фоторезистора малий, транзистор VT1 відкритий, а транзистор VT2 закритий. Котушка реле КV при цьому обезструмлена, а контакти реле КV1.1, КV1.2 розімкнені. При зменшенні освітленості опір фоторезистора зростає, від’ємна за знаком напруга на базі транзистора VT1 зменшується, транзистор VT1 закривається, а транзистор VT2 відкривається, реле КV спрацьовує та замикає контакти КV1.1, КV1.2, через які вмикається освітлення.

 

Рис.2. Світлові характеристики: а) фоторезистора; б) вакуумних фотоелементів; в) фотодіода; г) фототранзистора; д) - фототиристора

 

 

Рис.3. Вольт-амперні характеристики: а) фоторезистора; б) фотоелемента; в) фотодіода; г) фототранзистора; д) фототиристора

 

Рис.4. Схема електрична принципова фотореле:

- резистори R1 – ФСД-Г1; R2 – 10 кОм; R3 – 56 кОм; R4 – 30 Ом;

- транзистори VT1, VT2 – МП-25А;

- діоди VD1 – Д816В; VD2, VD3 – Д226В;

- реле KV – МКУ-48;

- конденсатори C1 – 30мкФ 160В; C2 – 4мкФ 600В;

- тумблер SA.

Рис.5. Схема дослідження фотодатчиків

 

 

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню фотодатчиків, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (рис.5).

3. Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Зняти вольт-амперну характеристику (ВАХ) вакуумного фотоелементу Iф=f(Uф) при Е=const. Освітленість змінюється шляхом зміни величини напруги живлення, яка подається на лампу розжарювання через ЛАТР, а величина освітленості вимірюється люксметром. Напруга живлення на фотоелементі змінюється за допомогою потенціометра RP1. Результати досліджень занести в таблицю.

5. Зняти світлову характеристику фотоелементу Iф=f(E) при U=const. Дані занести в таблицю.

6.Визначити опір фотоелементу в залежності від світлового фото потоку Rф=f (E) при U=const.

7. Аналогічно зняти характеристики фоторезистора. Дані досліджень занести в таблицю.

8. Закінчивши виконання роботи,вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.

Таблиця

Результати дослідження фотодатчиків - вакуумного фотоелемента та напівпровідникового фоторезистора

Вольт-амперна характеристика	Світлова характеристика
U,В	Е1, 250 лк	Е2, 250 лк	Е,лк	U1=5В	U2=10В
І1, mkA	І2, mkA	І1, mkA	R1, kОm	І2, mkA	R2, kОm
Вакуумний фотоелемент
					-		-
Вольт-амперна характеристика	Світлова характеристика
U*,В	Е*1, 1250 лк	Е*2, 2500 лк	Е*, лк	U*1=15В	U*2=30В
І*1, mA	І*2, mA	І*1, mA	R*1, kОm	І*2, mA	R*2, kОm
Напівпровідниковий фоторезистор
					-		-

Контрольні питання:

1.Поясніть принцип дії фотодатчиків.

2.Вкажіть переваги та недоліки фоторезисторів порівняно з вакуумними фотоелементами.

3.Як визначити чуттєвість фотодатчика? Наведіть приклад.

4.Яке використання фотодатчиків у схемах автоматики та автоматизації? Наведіть приклади.

5.Як зрозуміти "теневий" чи "світловий" струм фотодатчика?

6.З якою метою та яким газом наповнюють фотоелементи?

7.Поясніть принцип роботи фотодіода у фотоперетворювальному та фотогенераторному режимах.

8.З чим пов’язані переваги та недоліки фототиристора порівняно з фототріодом (фототранзистором)?

9.Поясніть світлові та вольтамперні характеристики фотодатчиків.

10.Поясніть принцип роботи фотореле (рисунок 5).

11.Поясніть будову,принцип дії,використання оптронів.

12.Як змінюється опір досліджуємих датчиків від зміни світлового фотопотоку?

Література: [ 2 ], c 95…132, [ 3 ], c 63…78.

Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунку,оформити звіт,вивчити теорію з літературних джерел.

 

 

Лабораторна робота №6

Дослідження датчиків температури

 

Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі датчиків температури – термоопорів, термопар, напівпровідникових, біметалевих, манометричних, дилатометричних.

Прилади та обладнання:

1.Датчики температури (термопари, термоопори, напівпровідникові, біметалеві, манометричні, дилатометричні).

2.Міліамперметр = 10мА.

3.Мікроамперметр = 50мкА.

4.Вольтметри ~50В, =15В, =1,5В.

5.Термометр 200 град С.

6.Універсальний лабораторний стенд.

7.Допоміжні резистори постійного та змінного опору.

8.З’єднувальні провідники.

9.Таймер.

Основні теоретичні положення:

Датчиками температури використовують такі елементи, фізичні властивості яких залежні від температури та не дуже залежні від впливу інших факторів, наприклад вологості, хімічного складу середовища та деяких ін. До таких фізичних властивостей відносять явища теплового лінійного або об’ємного розширення, зміни опору, ємності або термоелектрорушійної сили спеціального елементу, що знаходиться у контакті із контролюємим середовищем. Багато датчиків температури використовують принцип зміни фізичних параметрів самого контролюємого середовища під дією температури: тиску, щільності, в’язкості та інтенсивності радіаційних випромінювань.

До датчиків, працюючих на принципі теплового розширення рідин та газів відносять рідинні об’ємні та контактні термометри та манометричні термодатчики.

Для дистанційного контролю температури використовують термопари, термометри опору (термоопори) та напівпровідникові терморезистори.

Найбільше використання у засобах сучасної автоматизації отримали напівпровідникові терморезистори. Вони знайшли використання для дистанційного вимірювання температури, сигналізації про зростання температури в установках та різноманітних агрегатах, як сприймаючі органи у різноманітних схемах автоматики та телемеханіки, а також в якості термокомпенсаторів.

Ртутно-контактні термометри – це ртутні термометри із впаяними у капіляр контактами. При зростанні температури стовпчик ртуті піднімається і при досягненні відмітки температури, на рівень якої впаяний контакт, замикає відповідний ланцюг схеми. Ртутно-контактні термометри бувають регульовані та нерегульовані. Нерегульовані термометри (ТК-1, ТК-3 та ін.) мають тільки нерухомі контакти. Регульовані ртутно-контактні термометри (ТК-5, ТК-6, ТК-8) мають один з контактів рухомим. Діапазон роботи ртутно-контактних термометрів 0...300 град.С. Розривна потуж-ність їх контактів 2 Вт при силі струму 0,2 А. На сьогодні використання ртутно-контактних термометрів значно скоротилося в зв’язку із певними їх недоліками а також можливостями застосування інших більш точних та технологічних датчиків температури.

Термометри опору (термоопори) при зміні температури змінюють свій електричний опір. Тому визначення температури термоопорами зводиться до виміру електричного опору термочуттєвого елементу. Термочутливий елемент термоопорів виконують з тонкого платинового або мідного дроту, який намотують на каркас з ізоляційного матеріалу (слюда, пластмаса).

Платинові термоопори призначені для виміру температур від –200 до +650 град.С. Платиновий дріт має діаметр 0,05...0,07 мм та довжину близько 2 м. Дріт намотують на слюдяний каркас біфілярно. До платинового дроту під”єднують срібні виводи, ізольовані фарфоровими бусинками. Чутливий елемент захищений від механічних пошкоджень за допомогою захисної арматури з головкою, у якій розміщується клемна колодка із підключеними до неї виводами від чутливого елементу. Платинові термоопори позначають літерами ТСП та виготовляють із різними градуюваннями: гр.20, гр.21, гр.22 та ін. При температурі 0 град. С опір цих термоопорів відповідно 10, 46 та 100 Ом.

Мідні термоопори виготовляють з мідного ізольованого дроту діаметром 0,1 мм, намотаного на пластмасовий каркас. До кінців обмотки припаяні два мідних виводи діаметром 1...1,5 мм. Чутливий елемент розташований у сталевій гільзі, захищеної від механічних пошкоджень ізоляційним матеріалом. Виводи обмотки прикріпляють до клем колодки, що вмонтована у головку термоопору. Мідні термоопори позначають літерами ТСМ та виконують із градуюваннями гр.23, гр.24 та ін. із опорами при 0 град.С 53 та 100 Ом відповідно. Межі вимірюємих температур мідними термоопорами становлять – 50...+ 180 град. С.

В якості вторинних приладів для виміру опору використовують логери та врівноважені мости.

Принцип дії біметалевих датчиків заснований на неоднаковості розширенні двох зварених між собою деталей, виготовлених з різних матеріалів, котрі мають різні значення коефіцієнту лінійного розширення. Біметалеві стрічки використовують у вигляді пластин або спіралей. Один кінець стрічки закріпляють, а другий при зміні температури розкручується або розгинається. У схемах сільськогосподарської автоматики отримали розповсюдження біметалеві датчики ДТКМ. Вітчизняна промисловість випускала більше 28 модифікацій ДТКМ на різні температурні діапазони та різноманітного конструктивного виконання. У половини модифікацій ДТКМ контакти замикаються при зростанні, а у решти – при зниженні температури контролюємого середовища. Датчики із регульованою уставкою виготовляють з такими шкалами: -30...0; -10...+10; 0...+30; +10...+30; +15...+25; +20...+50 град. С. Маркірують їх таким чином: ДТКМ-30, ДТКМ-31, і т.д. по ДТКМ-57. Чутливий елемент датчика виготовлений у вигляді біметалевої спіралі. При зміні температури навколишнього середовища вільний кінець спіралі переміщується та замикає або розмикає контакти. Для вмикання датчика у схему на ньому є клемна колодка. Всі елементи датчика закріплюють на ізоляційній основі та закривають з”ємною кришкою. Розривна потужність контактів на змінному струмі напругою 220 В становить 50 В·А, а на постійному струмі напруги 110 В – 50 Вт. Гарантований термін служби – 3 роки.

У дилатометричного датчика осердя з металу з малим коефіцієнтом температурного розширення розташоване всередині трубки з металу з великим коефіцієнтом теплового розширення та одним кінцем жорстко закріплено на неї. Для зменшення теплової інерції у стінах трубки зроблені отвори. При зміні температури зменшується довжина трубки та як наслідок відбувається переміщення осердя, з вільним кінцем якого з’єднана показуюча стрілка.

Через великі похибки у вимірюванні біметалеві та дилатометричні датчики температури на сьогодні обмежені у використанні (захист електродвигунів, котли для нагріву рідин, протипожежний захист та деякі ін.) та замінені на сучасні технологічні датчики з кращими параметрами та характеристиками.

Принцип дії термоелектричних датчиків (термопар) полягає у виникненні електрорушійної сили ЕРС при зміні температури одного зі спаїв замкненого ланцюга, складеного з різнорідних термоелектродів. При нагріванні спаю у електричному колі виникає термо-ЕРС, величина якої пропорційна різниці температур нагрітого та вільного кінців електричного кола та залежить від матеріалу дротів. Розрізняють стандартні технічні та нестандартні термопари. У автоматичних системах використовують металеві та напівпровідникові термопари:

- високотемпературні (до 2500 град. С), наприклад, платинородій-платинові ТПП з межами – 20...+1300 град. С;

- середньотемпературні (до 1200 град. С), наприклад, хромель-алюмелеві ТХА з межами – 50...+1000 град. С (хромель-сплав з 90% нікелю та 10% хрому; алюмель - 95% нікелю та 5% алюмінію, кремнію та марганцю);

- низькотемпературні (до 800 град. С), наприклад, хромель-копелеві ТХК (копель-сплав з 55% міді та 45% нікелю).

Термопари дозволяють вимірювати та реєструвати температури з від-носно високою точністю та передавати покази на відстань. Термопари віднесені до генераторних датчиків, тобто таких, які самі генерують ЕРС та можуть не використовувати зовнішнє джерело живлення вимірювальної схеми.

Манометричні термодатчики перетворюють температуру у тиск, тиск – механічне переміщення, а далі у електричний сигнал. До датчиків температури манометричного типу відносять температурне реле РТ-1, яке застосовували в інкубаторах “Універсал-45” та “Універсал-50”. Реле РТ-1 має сильфон, всередину якого введено 3-5 куб.см ефіру. В результаті нагріву ефір розширюється, деформує сильфон, який діє на ртутно-магнітний вимикач ВРМ-7. Реле РТ-1 можна регулювати, встановлюючи уставку температури, при якій спрацьовує реле. Контакти реле вмикають на напругу 24 В.

Напівпровідникові (НП) терморезистори (термистори) при зростанні температури зменшують свій опір. Чутливість НП терморезисторів набагато вища ніж чутливість термоопорів чи термопар. Так, наприклад, якщо термоопори при нагріванні від 0 до 100 град. С збільшують свій опір приблизно на 40%, то напівпровідниковий терморезистор за такого ж самого нагріву зменшує свій опір у 20 та більше разів. З окислів металів (кобальту, марганцю) виготовляють терморезистори типу КМТ (КМТ-1,КМТ-4 та ін.) на номінальні опори від 22 до 1000 кОм. З окислів міді та марганцю виготовляють терморезистори типу ММТ (ММТ-1, ММТ-4, ММТ06 та ін.) на номінальні опори від 1 до 220 кОм. Напівпровідникові терморезистори призначені для контролю температури повітря та інших газових сумішей від –60 до +125 град. С. Допустимий струм терморезисторів 12 мА. Строк служби їх становить не менш ніж 5000 год.

На відміну від звичайних НП терморезисторів позистори мають позитивний температурний коефіцієнт, тобто при зростанні температури контролюємого середовища опір позистора зростає.

Рівняння температурної характеристики термоопору має вигляд

,

де: Т- температура, К; та В – постійні коефіцієнти, які визначають за формулами.

; ,

де та - опори НП терморезисторів при температурах та відповідно. Температурний коефіцієнт від’ємний:

,

та у десятки разів більший, ніж у металів, та зменшується із зростанням температури Т. Температурний діапазон роботи позисторів, аналогічно іншим НП – 40…+100град. С, тиск до Н/ , відносна вологість до 70%. Спеціальні герметизовані позистори призначені для використання в умовах агресивного навколишнього середовища. Характеристики позисторів відносно стабільні. За механічними показниками вони не поступаються радіотехнічним опорам. Строк їх служби за нормальних режимів роботи практично не обмежений. Максимально допустима потужність розсіювання позисторів становить для різних типів від 5 до 800 мВт. Значний опір позисторів дозволяє зменшити вплив опору провідних дротів, контактів та контактних ЕРС, що дозволяє вимірювати температуру на значних відстанях. Теплова інерційність позисторів невелика, що дозволяє використовувати їх у якості чутливих датчиків при регулюванні температури малоінерційних об”єктів.

Вольт-амперні характеристики (ВАХ) НП терморезисторів отримують за кімнатної температури Тк та більшої ніж кімнатна температури Тб, напругу на терморезисторі регулюють потенціометром (рис.1).

Вольт-амперна характеристика НП терморезистора на початковій дільниці прямолінійна (струми малі та нагрів датчика невеликий). Далі відбувається самонагрів датчика, його опір зменшується, а струм швидко зростає. Тому в процесі отримання спадаючої ділянки вольт-амперної характеристики НП терморезисторів потрібно зменшувати напругу живлення. Робочою ділянкою вибирають лінійну частину вольт-амперної характеристики. Для кожної точки ВАХ можуть бути визначені статичні rT та динамічні rд опори:

rT = U/T rд = dU/dI.

Температурну характеристику датчика rT =f (T) отримують в інтервалі температур Тк 293…373 град. К (5-8 точок). Електрична схема для визначення температурної характеристики представляє собою вимірювальний мост, в одне з плечей якого включений датчик. Мост отримує живлення від джерела постійного струму. Напругу підтримують незмінною за допомогою потенціометра PR. Для відповідних вимірювань використовують міліамперметр, вольтметр та мілівольтметр постійного струму. Терморезистор розташовують в термостаті, температура у якому вимірюється ртутним термометром. При отриманні температурної характеристики ключ SK необхідно перевести на вольтметр PV. Поступово збільшуючи температуру, фіксують у протокол досліджень покази ртутного термометра, вольтметра та міліамперметра. За цими даними визначають опір датчика. Слід пам’ятати, що фіксувати результати дослідів можна тільки через 2…4 хвилини після того, як встановлюється задана температура у термостаті. Постійні коефіцієнти , та температурний коефіцієнт опору визначають аналітично. Таріровка вимірювального моста здійснюється за допомогою мілівольтметра, який включають у вимірювальну діагональ. За початкової (кімнатної) температури мост врівноважують змінним резистором RP. Ключ К переводять на мілівольтметр PmU.

Рис.1.Схеми дослідження та характеристики НП терморезисторів: а) схема дослідження ВАХ; б) схема дослідження температурної характеристики та градуювання моста; в) ВАХ; г) температурна характеристика

Рис. 2. Напівпровідниковий терморезистор у схемі термореле (а) та ВАХ реле(б)

 

Скласти схему термореле (Рис.2) та визначити його параметри: температуру спрацювання та повернення. ВАХ датчика, відповідає двом значенням температури навколишнього середовища Т1 < Т2 та має релейний ефект (кидок струму І1-І2). Коли струм досягає значення Іспр., спрацьовує реле КV та через контакт К2 вмикає сигнальну лампу HL (або інше навантаження).

 

Таблиця 1

Результати дослідження термодатчиків

Датчики	Параметри	Час t, хв.
Термопара	І1,мкА
Т1,град
Термоопір	І2,мкА
Т2,град

Порядок виконання роботи:

1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню датчиків температури, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схеми досліджень (Рисунок 1).

3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Зняти температурну характеристику термопари І1=f (Т1). Користуючись годинником фіксувати значення струму за мікроамперметром РА1 у відповідності з таблицею 1. Зростання температури відбувається за рахунок спеціального резистору-нагрівача. Дані фіксувати через кожну хвилину від початку дослідження (таблиця 1).

5.Зняти температурну характеристику термоопору І2=f(Т2).Користуючись годинником фіксувати значення струму за міліамперметром РА 2 у відповідності з таблицею 1. Зростання температури відбувається за рахунок спеціального резистору-нагрівача. Дані фіксувати через кожну хвилину від початку дослідження (таблиця 1).

6. Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.

7. За отриманими результатами побудувати графічні характеристики I1=f(t) при Т1=f(t), І2=f(t) при Т2=f(t), I1=f(T1), I2=f(T2).

Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.

 

Контрольні питання:

1.Дайте класифікацію датчиків температури.Поясніть їх принцип дії.

2.Порівняйте між собою датчики температури за їх перевагами та недоліками.

3.Дайте пояснення параметрів та характеристик датчиків температури.

4.Поясніть,чому ВАХ НП терморезистора нелінійна?

5.Чому безконтактні датчики температури визнані кращими за контактні?

6.Поясніть порядок виконання роботи.

7.Поясніть застосування датчиків температури у с.-г. виробництві.

Література: [ 2 ] c 116…121, [ 3 ] c 85…97.

Лабораторна робота № 7