Разделы

Авто
Бизнес
Болезни
Дом
Защита
Здоровье
Интернет
Компьютеры
Медицина
Науки
Обучение
Общество
Питание
Политика
Производство
Промышленность
Спорт
Техника
Экономика

Т е р м о р е з и с т о р ы

Терморезистором называется устройство, содержащее проводник или полупроводник, электрическое сопротивление которого сильно меняется с изменением температуры окружающей среды. В технике широко применяются терморезисторы с теплочувствительным элементом в виде проводника меди и платины. Выбор меди и платины обусловлен большой их механической и химической стойкостью при высоких температурах.

Металлические терморезисторы (термометры сопротивления) обеспечивают измерения температуры для медных от - 50 до 150 °С, платиновых от - 200 до 660 °С.

Зависимость сопротивления от температуры в указанных диапазонах для медных и платиновых термометров :

где : Rt - сопротивление термометра при температуре t , Ом ;

R0 - начальное сопротивление термометра при температуре t0, Ом

a - температурный коэффициент сопротивления, 1° С ;

t - температура в момент измерения , °С ;

t0- начальная температура термометра , °С ;

k - коэффициент k = - 5,8´10-7

Металлические терморезисторы выполняются из тонкой проволоки 1 диаметром около 0,1 мм, намотанной на слюдяной, фарфоровой или кварцевый каркас, который укладывается в защитный кожух 2 (рисунок 8). Обычно сопротивление терморезисторов при 0°С составляет порядка 100 Ом. Медные терморезисторы имеют условное обозначение ТСМ,

платиновые - ТСП.

Рисунок 8

 

Недостатки - большие габариты и значительная инерционность.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) - изготавливают из полупроводникового материала. Широко применяются термисторы ММТ (медно-марганцевые) и КМТ (кобальта - марганцевые). Термисторы имеют большой отрицательный коэффициент сопротивления, т. е. при увеличении температуры их сопротивление уменьшается.

Сопротивление термистора при температуре Т можно определить по формуле :

где : R0- начальное сопротивление термистора при температуре

Т0, Ом ;

е - основание натурального логарифма ;

В - постоянная материала, К ;

Т - температура в момент измерения , К;

Т0 - начальная температура термистора, К .

 

Термистор конструктивно представляет собой диск, трубку из полу проводникового материала с металлическими выводами 2. (рисунок 9)

 

Чтобы защитить термистор от

действия влаги, его покрывают

слоем лака.

 

Рисунок 9

 

Следует отметить, что сопротивление термистора уменьшается с ростом его температуры по закону экспоненты (Рисунок 10).

Термисторы имеют ряд преимуществ перед металлическими термометрами сопротивления : высокое удельное электрическое сопротивление, благодаря чему термистор можно сделать очень маленьким, высокая чувствительность.

Рис.10

Недостатки термисторов - нелинейность и нестабильность характеристики, разброс характеристик.

Основные параметры терморезисторов :

1) номинальное сопротивление, определяемое как сопротивление рабочего тела терморезистора при температуре окружающей среды 20 °С ;

2) температурный коэффициент сопротивления (ТКС) a, характеризующий чувствительность терморезисторов к изменению температуры. ТКС, значение которого обычно приводится для температуры 20 °С , выражает изменение величины сопротивления терморезистора при изменении температуры на 1°С , % .

3) максимальная рабочая температура, обеспечивающая в течении срока службы стабильность характеристик терморезистора ;

4) постоянная времени, характеризующая тепловую инерцию терморезистора, определяется временем, в течении которого температура терморезистора становится равной 63 °С при перенесении его из воздушной среды, с температурой 0 °С , в среду, с температурой 100 °С .

Терморезисторы применяются для измерения и регулирования темпе­ратуры, термокомпенсации различных элементов электрической цепи и т.д. Измерение температуры терморезисторами проводится в основном с помо- щью неравновесных и равновесных мостов.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ РЕАКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ.

Параметрические датчики реактивного сопротивления питаются от источника переменного тока. К ним относятся индуктивные и емкостные датчики.

Индуктивные датчики. Принцип действия датчиков основан на изменении индуктивности обмотки с сердечником, вследствии изменения магнитного сопротивления Rм магнитной цепи датчика, в результате перемещения одной из подвижных деталей.

С помощью индуктивных датчиков контролируют механические перемещения, параметры деталей, деформаций, а также осуществляют управление следящими устройствами.

Рассмотрим принцип действия простейшего индуктивного датчика (нереверсивного). На сердечнике 1 располагается обмотка 3 , подключаемая к источнику переменного тока через сопротивление нагрузки 4. (рисунок 11а, б).

Ток I в обмотке 3 возбуждает переменный магнитный поток Ф~. Между полюсами сердечников и перемещающимся якорем 2 имеется воздушный зазор dв. Сердечник 1 и якорь 2 образуют магнитопровод датчика. Переменный магнитный поток Ф~ проходит через них и через два воздушных зазора dв, входящих в магнитную цепь датчика. Якорь механически связывается с объектом, перемещение которого необходимо контролировать, и в процессе работы смещается относительно сердечника в направлениях, указанных стрелками.

а) б)

 

Рисунок 11

 

Физика процесса преобразования механического перемещения в электрический сигнал состоит в том, что в следствии перемещения якоря и изменения величины воздушного зазора изменяется магнитное сопротивление магнитной цепи датчика, а следовательно, индуктивное и полное сопротивление обмотки. Соответственно изменится величина тока I, проходящая через нагрузку 4 . В итоге приходим к выводу, что выходная величина - ток I_ - зависит от длины зазора dв т.е. I_ = f (dв) . Эта зависимость называется выходной характеристикой датчика.

Если обозначить усилие, действующее на перемещение якоря через F, то в индуктивном датчике будем иметь следующую цепь преобразований :

F® dв ® RM® L® X L® Z ® I~

где : dв - длина воздушного зазора;

Rм - магнитное сопротивление цепи (сердечника, якоря и двух

воздушных зазоров );

L - индуктивность катушки датчика;

X L - индуктивное сопротивление катушки датчика;

Z - полное сопротивление катушки датчика.

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от зазора dв.

По закону Ома величина тока в нагрузке :

I ~ = U / Z ( 1 )

где Z - полное сопротивление катушки, Ом ,

( 2 )

где w - угловая частота питающего напряжения;

R - активное сопротивление катушки и нагрузки, Ом

Индуктивность катушки (без учета потока рассеивания) с числом витков w: L = w×Ф / I ~ ( 3 )

где Ф - магнитный поток, Вб ;

I - ток, протекающий в катушке, А .

Магнитный поток Ф = I~ W / Rм.ц. ( 4 )

где Rм.ц.=R м.ст.+Rм.d., Гн , т. е. магнитное сопротивление магнитной цепи датчика слагается из магнитного сопротивления стали R м.ст. (сердечника и якоря ) и магнитного сопротивления Rмd двух воздушных зазоров.

Для рассматриваемого примера простейшего датчика это магнитное сопротивление магнитной цепи :

( 5 )

 

 

где L ст. - суммарная длина средней магнитной силовой линии в стали

сердечника и якоря , м ;

Sм - площадь поперечного сечения магнитопровода, равная актив-

ной площади поперечного сечения сердечника в зоне воздуш-

ного зазора, м2.

dв - длина воздушного зазора , м ;

mст,m0- соответственно значения магнитной проницаемости материала магнитопровода и воздушного зазора ( для воздухаm0 = 4p×10-7Гн/м)

Формула ( 4 ) после преобразований имеет вид :

(6)

Подставив ( 6 ) в ( 3 ) получим значение для индуктивности :

(7)

Индуктивное сопротивление катушки :

(8)

Подставив ( 8 ) в ( 2 ) получим значение полного сопротивления катушки :

( 9 )

Величина Z = f ( d ) имеет вид. Величина тока, протекающего в катушке под действием приложенного переменного напряжения :

(10)

 

Из выражения 10 видно, что величина тока в катушке датчика зависит от длины воздушного зазора dв, частоты напряжения источника питания f и величины активного сопротивления Rпри неизменных конструктивных параметрах датчика.

Чувствительность датчика :

где DZ / Z - относительное изменение полного сопротивления

катушки датчика ;

DdВ - приращение воздушного зазора .

 

Индуктивные датчики имеют ряд достоинств: простота и прочность конструкций, надежность в работе (отсутствие скользящих контактов) ; воз- можность подключения к источникам промышленной частоты; относительно большая величина мощности на выходе преобразователя, что дает возможность подключать контрольный прибор непосредственно к преобразователю; значительная чувствительность.

Основные недостатки рассмотренного датчика: наличие напряжения (тока) на выходе при нулевом воздушном зазоре UX.X.(IX.X.), нелинейность реальной статической характеристики, возникновение больших усилий между якорем и сердечником дросселя (до нескольких кг), которые необходимо преодолевать, фаза тока на выходе датчика не меняется на противоположную при изменении направления перемещения якоря ; при необходимости измерять перемещение якоря в обоих направлениях надо устанавливать начальный воздушный зазор dв.о. и, следовательно, начальный ток I0, что создает неудобство в работе и в процессе измерения приводит к погрешностям от колебаний питающего напряжения и температуры окружающей среды.

На практике такие датчики применяются в тех случаях, когда необходимо ступенчатое релейное управление (бесконтактные датчики положения, концевые выключатели, датчики положения кабин лифтов). Конструктивно датчик выполняют таким образом, чтобы якорь его перемещался не в плоскости магнитопровода, а параллельно этой плоскости.

От перечисленных недостатков свободны реверсивные датчики. Реверсивные датчики включаются по дифференциальной, или по мостовой схеме (рисунок 12 а,б)

Рисунок 12

 

Состоят они из двух нереверсивных датчиков, имеющих общий якорь1. Усилие, действующее на якорь, равно разности сил притяжения со стороны сердечников 2. В среднем положении якоря при наличии полной симметрии реверсивного датчика результирующее усилие равно нулю.

Для питания дифференциального индуктивного датчика используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между этим выводом и общим концом обеих катушек включается прибор 4. При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры с обеих сторон одинаковы, индуктивные сопротивления обеих катушек 3 одинаковы, следовательно, величины токов в катушках равны и результирующий ток в приборе равен нулю. При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величины, зазор между якорем и одним из сердечников (например 3) уменьшается, а между другим сердечником и якорем увеличивается, при этом индуктивное сопротивление катушки 3 возрастает, а катушки 3’ уменьшается. Прибор 4 в этом случае регистрирует ток, равный разности токов в обмотках и являющийся функцией смещения якоря от среднего положения.

Реальная статическая характеристика реверсивного датчика (кривая 3) получается путем алгебраического суммирования ординат характеристик нереверсивных датчиков ( кривая I и II ) (рисунок 13)

 

За начало отсчета перемещений

берут среднее положение якоря,

при котором схема будет уравновешена и ток через нагрузку

IН= 0. При небольших отклонениях якоря ток (напряжение возрастает практически линейно. При изменении знака перемещения (переход якоря через среднее положение в противоположную сторону) фаза напряжения (тока)

меняется на 180 °С.

 

 

Рисунок 13

 

 

К достоинствамрассмотренных реверсивных датчиков можно отнести большую, чем у нереверсивных, линейность статической характеристики; меньшую зависимость характеристики от колебаний напряжения и температуры.

Основным недостатком реверсивных датчиков является сложность балансировки датчика. Рассмотренные датчики применяются для входных перемещений от 0,001 до 1 мм.

Для измерения перемещений от 1 до 60 мм применяются датчики соленоидного типа (плунжерные), включенные по мостовой схеме. (рисунок 14)

Рисунок 14

 

Магнитопровод датчика выполняется в виде цилиндрической трубки 1 с двумя крышками. Якорь (плунжер) 4 также имеет цилиндрическую форму. Для увеличения магнитной проводимости между наружным ярмом и якорем, посередине цилиндра (на линии АВ) помещается ферромагнитный диск. Якорь перемещается внутри катушек 2 и 3 , что позволяет получить значительно больший рабочий диапазон величин измеряемых перемещений. Если обозначить индуктивности обмоток при нейтральном положении плунжера через L0, а коэффициент взаимоиндукции через М, то реактивные сопротивления катушек 2 и 3 зависят от :

XL2 = jw(L0+DL+M)

XL3 = jw(L0-DL+M)

где DL - приращение индуктивности при перемещении якоря. При среднем (нулевом) положении якоря ток через измерительный прибор равен нулю ( IПР = 0 ), так как XL2 = XL3 . При смещении якоря от среднего положения изменяются в противоположных направлениях реактивные сопротивления XL2 и XL3 и через измерительный прибор протекает ток. Фаза тока зависит от направления перемещения якоря.

В автоматике также применяются магнитоупругие датчики –рисунок 15. Принцип действия датчика основан на явлении изменения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов, в зависимости от величины механических напряжений, возникающих в них.

 

Рисунок 15

 

Если к сердечнику датчика, у которого отсутствует воздушный зазор, приложить усилие Р, то произойдет изменение магнитной проницаемости m сердечника и, следовательно изменится магнитное сопротивление RМ сердечника

где L0 и SC - длина и площадь поперечного сечения сердечника.

При этом изменяется индуктивность катушки, помещенной на сердеч- нике. Эффект изменения магнитных свойств материала под воздействием механических деформаций называют магнитоупругим эффектом.

Таким образом, в магнитоупругом датчике имеется следующая цепь преобразований :

Р® s ® m ® RM® L ® Z

где Р - механические усилия;

s - механические напряжения материала сердечника;

m - магнитная проницаемость ферромагнитных тел ;

RM - магнитное сопротивление ;

L - индуктивность катушки ;

Z - полное сопротивление катушки .

Для магнитоупругого эффекта хорошим материалом являются пермаллоевые (железоникелевые) сплавы, имеющие большое значение магнитной проницаемости и малую величину индукции насыщения.

Чувствительность магнитоупругого датчика :

где : Dm/m - относительное изменение магнитной проницаемости;

- относительная деформация.

=sЕ

где: Е - модуль упругости;

s - механическое напряжение.

s

Магнитоупругий эффект используется при выполнении магнитоупругих тензометров (рисунок 16). Пусть стальная балка 1 подвергается действию механических сил.

С балкой скреплены зажимы 2, натягивающие проволоку из ферромагнитного материала 3 (пермаллой). На проволоке размещаются две катушки: рабочая (намаг­ничивающая) 4, которая включается в цепь переменного тока, и измерительная 5 .

Рисунок 16

 

Измерительная катушка включается в одно плечо измерительной схе- мы. Так как с изменением деформации меняется магнитная проницаемость ферромагнитной проволоки, а индуктивность обмотки связана с магнитной проницаемостью L= f ( m ) , то по величине измеренной индуктивности можно судить о величине деформации или механического напряжения стальной балки.

Встречаются конструкции тензометрических магнитоупругих датчиков, в которых магнитная цепь выполнена из тонкого листа пермаллоя, наклеиваемого на контролируемую поверхность.

Магнитоупругие датчики обладают высокой чувствительностью, но не обеспечивают стабильной работы из-за наличия ряда погрешностей :

температурная погрешность, вызванная влиянием колебания температуры окружающей среды на магнитные свойства сердечника.

Для уменьшения этой погрешности применяют схемы с температурной компенсацией;

дополнительная погрешность, вызванная влиянием гистерезиса. Из-за гистерезиса характеристика датчика, снятая при возрастании нагрузки, не совпадает с характеристикой , снятой при уменьшении нагрузки. Погрешность может достигать нескольких процентов. Для уменьшения этой погрешности сердечники изготавливают из ферромагнитных материалов сузкой петлейгистерезиса и высоким пределом упругости, что обеспечивает устойчивые характеристики во времени.

погрешность, обусловленная колебаниями напряжения питания. При колебаниях напряжения питания изменяется намагничивающий ток, и следовательно, изменяется начальное значение магнитной проницаемости, а вместе с ней и величина магнитоупругого эффекта. По этим причинам необходима стабилизация напряжения питания.

 

Дата публикации:2014-01-23

Просмотров:553

Вернуться в оглавление:

Комментария пока нет...


Имя* (по-русски):
Почта* (e-mail):Не публикуется
Ответить (до 1000 символов):







 

2012-2018 lekcion.ru. За поставленную ссылку спасибо.