Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №3
Шрифт:
Преобразователи должны обладать высокой чувствительностью, непрерывностью преобразования и сохранять постоянство своих характеристик во времени независимо от проявления внешних факторов (температуры, влажности, давления и др.). Воздействие преобразователя на исследуемый процесс должна быть минимальным.
Статической характеристикой преобразователя называют зависимость параметров выходного сигнала от медленного изменения входного воздействия. Динамической характеристикой называют ту же зависимость, но при быстром изменении входного воздействия.
Факторами, характеризующими преобразователь, являются способ преобразования, чувствительность и динамический диапазон преобразования, линейность и стабильность характеристик, погрешность преобразования и быстродействие.
К резистивным преобразователям
В контактных преобразователях перемещение чувствительного элемента преобразуется в скачкообразное изменение сопротивления датчика (замыкание или размыкание электрической цепи). Их применяют в системах автоматического управления и регулирования и классифицируют по числу контактов, числу пределов регулирования, по типу контактных групп, по контактному давлению (маломощные — до 1 г и мощные — до 100 г), по материалу, из которого изготовлены контакты, по их форме (плоские, полусферические).
В термоконтактных преобразователях (контактные ртутные термометры) используют контакт между столбом ртути и вплавленным в капилляр электродом из платиновой или вольфрамовой проволоки. Существуют термоконтактные преобразователи с магнитной перестановкой контактного электрода на разные пределы регулирования (ТК-6, ТК-8), с постоянно установленными контактами на один или несколько пределов регулирования (ТК-5), бесшкальные постоянные (ТК-1, ТК-2, ТК-3, ТК-4).
В реостатных преобразователях движок токосъемника под воздействием преобразуемой величины совершает линейное или угловое перемещение, изменяя тем самым сопротивление реостата. Эти преобразователи различают по типу намотки (много- витковые — не менее 200 витков, одновитковые — реохордные), по используемому проводу (манганиновые, константановые, фехралевые, из драгоценных металлов). Проволоку из драгоценных металлов применяют для изготовления особо чувствительных и ответственных преобразователей. Движок реостатного преобразователя выполняют из двух-трех упругих проволок из платинового сплава либо в виде пластинчатой щетки из серебра. Контактную поверхность обмотки или реохорда полируют, Каркас обмотки изготовляют из текстолита, стеклотекстолита, керамики или алюминия, покрытого изоляционным лаком. Алюминиевый каркас наиболее распространен, так как отличается механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Выбирая конкретную форму каркаса и параметры обмотки, добиваются требуемого закона преобразования — линейного, логарифмического и др.
В преобразователях контактного сопротивления перемещение преобразуется, так и в реостатных преобразователях, в изменение активного сопротивления чувствительного элемента. Наиболее распространен преобразователь с угольными шайбами. Угольные шайбы с пришлифованными плоскостями собирают в столб из 10–30 шт. Столб зажимают с небольшим усилием между двумя электродами, закрепленными в металлической раме. При воздействии на столб внешнего осевого усилия сопротивление столба уменьшается вследствие уменьшения контактного сопротивления между шайбами. Шайбы изготавливают из электродного угля с удельным сопротивлением (25-100)•10– 4 Ом-см. Диаметр шайб выбирают в пределах от 5 до 15 мм.
На аналогичном принципе работают преобразователи, выполненные из тензолита — графитового порошка (или сажи), фиксированного бакелитовым лаком. Выпускают также преобразователи, изготовленные из прессованных порошков полупроводниковых материалов на основе сернистого свинца, сернистого кадмия (материал, из которого изготавливают фоторезисторы) и др.
Общий недостаток этого класса преобразователей — значительный механический гистерезис (до 10 %).
Принцип действия тензорезисторов основан на свойстве некоторых материалов ощутимо изменять свое электрическое сопротивление под воздействием сжимающей или растягивающей силы. С помощью этих датчиков измеряют различные деформации и напряжения в механических конструкциях. Традиционные тензорезисторы представляют собой тонкую проволоку или фольгу толщиной 0,02-0,05 мм, уложенную петлями разной формы и ориентации и закрепленную в тонком слое застывшего клея (пленочные) или наклеенную на тонкую бумагу, пропитанную клеем (бумажные).
Пленку или бумагу с тензорезистором наклеивают на поверхность испытуемой детали. Сжатие или растяжение исследуемого объекта приводит к изменению геометрических размеров петель проволоки и тем самым к изменению сопротивления тензорезистора в целом. Для приклейки тензорезисторов пользуются специальной технологией, описание которой прикладывают к каждой партии датчиков, поступающей с завода.
В настоящее время промышленность выпускает проволочные константовые датчики на бумажной основе с размерами базы от 5 до 30 мм и сопротивлением до 400 Ом (2ПКБ), проволочные константановые на пленочной основе с той же базой и таким же сопротивлением (2ПКП), фольговые константановые прямоугольные (2ФКПА, 2ФКПД), розеточные (2ФКРВ, 2ФКРГ), фольговые константановые мембранные (2ФКМВ, 2ФКМГ), фольговые константановые термокомпенсированные на пленке клея БФ-2 (1ФКТК), на бумаге, пропитанной клеем БФ-2 (2ФКТК), и на бумаге, пропитанной клеем ВК-32-2 (ЗФКТК), с сопротивлением от 50 до 400 Ом, малобазовые проволочные тензорезисторы с базой от 1 до 3 мм и сопротивлением от 50 до 250 Ом.
Кроме указанных, промышленностью освоен выпуск полупроводниковых тензодатчиков, чувствительность которых в 50–60 раз больше, чем у проволочных и фольговых. Полупроводниковые тензорезисторы построены на кристаллах германия, кремния и других, которые пока не получили широкого распространения. У материалов n– типа знак тензоэффекта отрицателен, а р– типа — положителен. Промышленность выпускает полупроводниковые тензорезисторы типа КТЭ, КТЭМ и р– типа КТД, КТДМ Коэффициент тензочувствительности у них равен 120 (у проволочных и фольговых он не превышает 2), температурный интервал работоспособности от — 60 до +3000 °C. Температурный коэффициент не выходит за пределы 0,4 % в интервале от 0 до 80 °C. Недостаток полупроводниковых тензорезисторов — малая механическая прочность и значительный разброс параметров.
Тензорезисторы широко используют для измерения перемещения, вибрации, ускорения, деформации, давления, распределения нагрузки по элементам конструкций.
Терморезисторы — элементы, сопротивление которых изменяется в зависимости от их температуры. На интенсивность теплообмена оказывают влияние геометрические размеры, форма, материал и характер армирования преобразователя, а также состав, плотность, теплопроводность, скорость перемещения, температура и агрегатное состояние исследуемой среды. Источником тепла при этом может быть также ток, пропускаемый через терморезистор. Большое число факторов, влияющих на теплообмен, делает практически неограниченной область применения терморезисторов. Измерение температуры, анализ состава газовой и жидкой сред, измерение вакуума, концентрации, скорости потока — вот далеко не полный перечень областей применения терморезисторов.
Различают проволочные терморезисторы и полупроводниковые — термисторы. Для изготовления проволочных терморезисторов, как правило, используют чистые металлы (платина, медь, никель, вольфрам). Наиболее химически стойкой в широком интервале температуры является платина, но она имеет низкое удельное сопротивление и большой коэффициент температурного расширения при значительной остаточной деформации. Это препятствует использованию платиновых терморезисторов в тех случаях, когда надо получить большую чувствительность. Платиновые терморезисторы работают при температуре от — 183 до +660 °C. Для их изготовления используют проволоку диаметром 0,02 мм.
Более подходящим материалом для изготовления чувствительных проволочных терморезисторов является вольфрам. Широкому внедрению вольфрама препятствовала его значительная химическая активность при высокой температуре. Сейчас разработана технология получения химически стойкой золоченой вольфрамовой проволоки. Поэтому термопреобразователи из вольфрама широко используют в чувствительных газоанализаторах, хроматографах и в другой прецизионной измерительной аппаратуре. Этому способствует и то, что вольфрам обладает высокой упругостью, малым температурным расширением. Поэтому вольфрамовые терморезисторы можно изготавливать в виде спирали без дополнительного армирования стеклом и другими защитными покрытиями.