Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений - файл n1.doc

приобрести
Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений
скачать (328.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3997kb.13.12.2001 21:29скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

Погрешности, обусловленные потерями тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры, более характерны для промышленных термометров сопротивления.

Отклонение градуировочной характеристики конкретного ИП от номинальной может происходить из-за неточности подгонки начального сопротивления при 0С и из-за отличий в чистоте металла. Допустимые отклонения R0 и Т от номинальных задаются ГОСТ.


Стабильность характеристики R = f(T) определяется условиями эксплуатации, причем изменения происходят, главным образом, при длительной работе ИП за пределами допустимого температурного диапазона.

Погрешность от лучеиспускания возникает из-за наличия разности температур терморезистивного ИП и стенок объекта измерения. Значение погрешности находится по формуле

Т = - С1/[(TИП /100)4 - (TСТ /100)4], (5.30)

где ТИП – температура терморезистивного ИП; ТСТ – температура стенок объекта; С1 – коэффициент лучеиспускания материала поверхности ИП; – коэффициент теплоотдачи от среды к ИП.

Погрешность, обусловленная потерями тепла за счет теплопроводности защитной арматуры (характерна для промышленных ТС)

Т = - (ТС - ТГ ) / ch [l П/( S)], (5.31)

где ТГ – температура головки ИП; l – глубина погружения ИП в объект; – периметр защитной трубы, S – площадь поперечного сечения защитной трубы; – коэффициент теплопроводности материала трубы.

Погрешность из-за инерционности имеет место при динамических измерениях. Инерционность РИП характеризуется постоянной времени .

Погрешность от протекания измерительного тока связана с нагревом терморезистивного ИП проходящим током

Т = I2 R/(F). (5.32)

Области применения терморезистивных ИП

Терморезистивные ИП используются для измерения: температуры; скорости жидкости или газа (в термоанемометрах); перемещений; для анализа состава и плотности газов.

5.3.6. Оптикоэлектрические РИП (фоторезистивные ИП)

Принцип действия оптикоэлектрических РИП (фоторезистивных ИП) заключается в изменении удельного сопротивления полупроводников и диэлектриков под действием оптического излучения.

Чувствительность материалов к оптическому излучению характеризуется значением оптического коэффициента электрического сопротивления

Еопт = (d/dEопт)/0, (5.33)

где Eопт - интенсивность оптического излучения; 0 - значение удельного сопротивления при Eопт = 0.

Оптикоэлектрические РИП отличаются: 1) чрезвычайно высокой чувствительностью; 2) большим диапазоном измерения; 3) нелинейностью характеристики R = F(Ф); 4) малым быстродействием (10-6  10-2) с; 5) большим значением ТКС (1 - 5)%/0С; 6) зависимостью чувствительности от времени хранения и работы; 7) зависимостью чувствительности от спектрального состава излучения; 8) миниатюрностью и возможностью интегрального исполнения; 9) дешевизной.

Основные характеристики фоторезистивных ИП

К характеристикам фоторезистивных ИП относятся: функция преобразования; темновое сопротивление; кратность изменения сопротивления; монохроматическая чувствительность; спектральная характеристика; световая характеристика; вольтамперная характеристика; постоянная времени и др.

Уравнение преобразования может быть представлено выражением

R = A E-nОПТ, (5.34)

где А - коэффициент, зависящий от свойств материала и конструкции фоторезистора; n = 0,5 - 1,0 (n = 1 при малых освещенностях, n = 0,5 - при больших освещенностях).

Порог чувствительности - это минимальное значение потока излучения, который вызывает на выходе фоторезистора сигнал, в заданное число раз превышающий уровень шума. Порог чувствительности может составлять значение от 10-10 до 10-8 люмен.

Монохроматическая чувствительность S - это отношение приращения фототока I к изменению плотности монохроматического потока P с длиной волны : S = I/P, мкА/Вт.

Спектральная характеристика S - зависимость монохроматической чувствительности от длины волны S = f().

При работе в видимой части спектра оптического излучения используется интегральная световая чувствительность - отношение приращения фототока к изменению светового потока SФ = I/Ф, мкА/лм.

Различают чувствительность по току и чувствительность по напряжению, в зависимости от схемы включения фоторезистора.

Вольтамперная характеристика определяет зависимость фототока от напряжения питания, приложенного к фоторезистору при постоянном значении светового потока.

Кратность изменения сопротивления - это отношение темнового сопротивления к сопротивлению при определенной освещенности (как правило, 200 или 300 люкс) n = RТЕМН /RЕ=200лк. Кратность для разных типов фоторезисторов лежит в пределах от единиц до сотен тысяч.

Темновое сопротивление RТЕМН - это сопротивление при ЕОПТ = 0. Сопротивление RТЕМН достигает десятков мегом.

Световая постоянная времени - это время, в течение которого сопротивление (фототок) фоторезистора изменяется при затемнении или при освещении в е раз по отношению к установившемуся значению.

Различают постоянные времени при затемнении СП и освещении Н фоторезистора. Значения постоянных времени равны СП, Н  (10-8 - 10-2 ) с.

В табл. 5.5 представлены основные характеристики некоторых типов фоторезисторов [10].

Таблица 5.5

Параметры фоторезисторов

ФСА-1а

ФСК-5

СФ3-1

СФ4-1

Темновое сопротивление, Ом

104 - 106

5 106

3 107

104 - 106

Удельная чувствительность, мкА/(лм В)

500

3000

105

6.104

Кратность

1,2

600

105

1,03

Постоянная времени при затемнении, с

4 10-5

-

-

(3-5).10-6

Верхняя граничная

Частота, Гц

(1-5) 103

100

-

3.104

Длина волны при S max, мкм

2,1

0,64

3,5

3,5



Материалы и устройство фоторезистивных ИП

Наибольшее применение находят материалы на основе соединений кадмия (CdSe - тип ФС-Д, CdS - тип ФСК), свинца (PbS - тип ФС-А). Применяются также на основе тройных соединений типа HgCdTe, PbSnTe и др.

Фоторезисторы имеют самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, дифференциальные, позиционно-чувствительные и др. Форма чувствительного элемента также может быть самой разнообразной: прямоугольной, кольцевой и др.

Погрешности фоторезистивных ИП

Погрешности фоторезистивных ИП обусловлены следующими причинами: 1) нестабильностью свойств материала фоторезистора во времени; 2) изменением параметров и характеристик фоторезистора под действием температуры; 3) влиянием фоновой засветки.

При длительной эксплуатации фоторезисторов изменяются характеристики фоточувствительного слоя и необходима периодическая проверка и градуировка фоторезистивного ИП.

При изменении температуры фоторезистора изменяется его сопротивление, порог чувствительности (увеличивается с ростом температуры) и изменяются постоянные времени (с ростом температуры , как правило, уменьшаются). Для уменьшения этой погрешности фоторезисторы подвергают тренировке.

Погрешность, обусловленная фоновой засветкой, уменьшается применением специальных оптических фильтров.

5.3.7. Измерительные цепи резистивных ИП

Для измерения выходного параметра резистивных ИП может быть использована любая цепь, предназначенная для измерения сопротивления. Питание измерительной цепи может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе.

Цепь последовательного включения состоит из РИП RX и сопротивления нагрузки RH (например, амперметра) и показана на рис. 5.8. В общем случае сопротивление резистивного ИП является функцией измеряемой величины Х и может быть записано в виде RX = R0  RX. Уравнение преобразования цепи (рис. 5.8) будет IX = E/[RН + R0  RX].

Измерительная цепь последовательного включения характеризуется нелинейной зависимостью между IX и R(X). Погрешность линейности может быть уменьшена при работе на начальном участке характеристики IX = F(R).




Цепь резистивного делителя напряжения
показана на рис. 5.9 а. Уравнение преобразования цепи имеет вид

где RОГ - сопротивление, ограничивающее ток в цепи.

В качестве нагрузки RH может быть использован вольтметр. Если сопротивление вольтметра RН = RВ  RХ, получим

UВЫХ = E(R0  R X)/(RОГ+ R0  RХ). (5.35)


Измерительные цепи последовательного включения и резистивного делителя напряжения характеризуются нелинейной зависимостью между выходной величиной (IX, UX) и изменением RХ. Погрешность линейности умень-шается при работе на начальном участке характеристики преобразо-вания. Эта погрешность также может быть уменьшена при включении в цепь делителя напряжения дифференциального преобразователя (рис. 5.9 б).

Полагая, что RX1 = R0/2 - RX; RX2 = R0/2 + RX и RН  RХ2, для цепи с дифференциальным преобразователем получим линейную зависимость UВЫХ от RX

UВЫХ = E(R0 + 2RX)/2R0. (5.36)

Недостатком рассмотренных измерительных цепей является то, что нулевому значению измеряемой величины (Х = 0) соответствует не нулевое значение выходной величины (IX  0; UВЫХ  0). При измерении переменных величин этот недостаток устраняется использованием разделительных кон-денсаторов. Результирующие погрешности цепей последовательного включения и делителя напряжения зависят от погрешности ИП, погрешности от нестабильности параметров источника питания и нагрузки.

Рассмотренные измерительные цепи могут работать как на постоян-ном, так и на переменном токе.


Мостовые измерительные цепи выполняются в виде неравновесных и равновесных мостов. В неравновесных мостах (рис. 5.10) в исходном состоянии осуществляется компенсация начального значения выходного сигнала так, чтобы при Х = 0 он был равен нулю. При отклонении измеряемой величины Х от нуля изменяется сопротивление RX = R0 + RX и мост выходит из состояния равновесия.

В
ыходное напряжение мостовой цепи (рис. 5.10 а) определяется как

Измерительные преобразователи могут быть включены в одно (рис. 5.10 а), два (рис. 5.10 б) и четыре (рис. 5.10 в) плеча моста. Как видно из формулы (5.37), выходное напряжение моста при заданном напряжении питания Е в общем случае нелинейно зависит от RX для всех вариантов включения ИП.

При включении дифференциального ИП (рис. 5.10 б), равенстве в состоя-нии равновесия сопротивлений всех плеч моста RX1 = RX2 = R3 = R4 = R0 и RН >> R0 уравнение преобразования мостовой цепи будет линейным.

Выходное напряжение для равноплечего моста при RH  R0 определяется следующими формулами: UВЫХ1 = E RX /4R0 (рис. 5.10 а);

U
ВЫХ2 = E RX /2R0 (рис. 5.10 б); UВЫХ4 = E RX /R0 (рис. 5.10 в), то есть выходное напряжение линейно зависит от изменения сопротивления RX [10].

Рис. 5.10

К достоинствам мостовой цепи можно отнести возможность получения нулевого выходного сигнала при значении измеряемой величины равной нулю.

Мостовые цепи работают как на постоянном, так и на переменном токе, причем питание может осуществляться как от источника напряжения, так и от источника тока.

Основными причинами погрешностей мостовых цепей являются: временная и температурная нестабильность нерабочих плеч моста; нестабильность источника питания; погрешности ИП.

Измерительные цепи в виде равновесных мостов отличаются от неравновесных мостов тем, что в них независимо от значения измеряемого сопротивления условие равновесия поддерживается постоянно, причем уравновешивание моста может осуществляться оператором или автоматически.

На рис. 5.11 приведен пример схемы автоматически уравновешиваемого моста. При отсутствии входного сигнала мост уравновешен и движок реохорда RР находится в начальном положении. При изменении вход-

ного сигнала мостовая цепь вы-

RX R3 ходит из равновесия. На выходе

моста появляется напряжение UМ,

которое усиливается усилите-

E Ус лем Ус и подается на реверсив-

двигатель Д, который перемеща-

R2 RP R4 ет ет движок реохорда RP до тех

пор, пока не наступит новое сос-

Д тояние равновесия в мостовой

цепи. Шкала указателя на валу

двигателя и реохорда градуирует-

Рис. 5.11 ся в единицах входной величины.

Самоуравновешивающиеся (автоматические) мосты относятся к измерительным цепям астатического следящего уравновешивания, в которых превалирует аддитивная погрешность, обусловленная наличием порога чувствительности нуль органа и двигателя.

И
змерительные цепи РИП с операционными усилителями
обладают достаточно высокими характеристиками и находят широкое применение при и построении измерительных приборов с резистивными первичными преобразователями. На рис. 5.12 приведены примеры схем преобразователей сопротивления в напряжение. Схема с двухпроводной линией связи (рис. 5.12 а) применяется в тех случаях, когда измеряются большие сопротивления или когда РИП находится в непосредственной близости от измерительной схемы. Уравнение преобразования имеет вид UВЫХ = -ЕR2/R1. Датчик может быть включен вместо любого из сопротивлений схемы.

а) б) в)

Рис. 5.12

Измерительная цепь, показанная на рис. 5.12 б, может быть использована для дифференциальных резистивных датчиков. Уравнение преобразования этой цепи имеет вид UВЫХ = 2Е RХ/R0 [15].

На рис. 5.12 в показана схема моста с ОУ. Уравнение преобразования имеет вид UВЫХ = -2 RХ/(2R0).

6. Термоэлектрические ИП

6.1. Принцип действия термоэлектрических ИП
1   2   3   4   5   6   7   8


Погрешности, обусловленные потерями тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры, более характерны для промышленных термометров сопротивления
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации