КИП книга каз. 1 блім физикалы шамаларды лшеуді техника негіздері

• Название: 1 блім физикалы шамаларды лшеуді техника негіздері
• Анкор: КИП книга каз.doc
• Дата: 24.04.2017
• Размер: 6.26 Mb.
• Имя файла: КИП книга каз.doc
• Тип: Документы; #4370
• страница: 6 из 11

3.3 Жылулық түрлендіргіштер
Жылулық түрлендіргіш қоршаған ортамен жылу алмасып отыратын үлкен температуралық коэффициенті мен тогы бар өткізгіш немес жартылай өткізгіш. Жылу алмасудың бірнеше жолдары бар: конвекция; ортаның жылу өткізігіштігі; өткізігіштің жылу өткізігіштігі; сәулелену.

өткізгіштің қоршаған ортамен жылу алмастыру қарқындылығы келесі факторларға байланысты: газ немес сұйық ортаның жылдамдығы; ортаның физикалық қасиеттері (тығыздық, жылуөткізгіштік, тұтқырлық); орта температурасы; өткізгіштің геометриялық өлшемдері. Бұл аталған факторлардан өткізгіш температурасы мен кедергісінің тәуелділігін газдық немесе сұйық ортаны сипаттайтын түрлі электрлік емес шамаларды: температура, жылдамдық, концентрация, тығыздықты (вакумм) өлшеу үшін қолдануға болады.

Түрлендіргіш материалы. Жылулық түрлендіргіш ретінде температуралық коэффициенті жоғары және тұрақты электр кедергісі бар өткізгішті алуға болады. Бұл талаптарды химиялық таза металдардан жасалған өткізгіштер қанағаттандырады, себебі олардың көпшілігі 0,35-тен 0,68 %-ға дейін 1 °С-ге тербелетін (0... 100 ◦С аралығында) оң температуралық коэффициентке ие.

Түрлендіргіштер ретінде платина, мыс және никель тарлған. Түрлендіргіш материалын таңдау мәселесі өлшенетін ортадағы металдың химиялық инерттілігімен және температураның өзгеру шегімен шешіледі. Сонымен, мыс түрлендіргішті -50...+180°С аралықтағы температурада газ ылғалдылығынан бос атмосферада қолдануға болады. өте жоғары температурада мыс қышқылданады. Мысты оқшаулау үшін эмаль, винифлекс, жібек алынады. Мыстың кемшілігіне оның кіші меншікті кедергісі жатады.

Орта әсерінен оқшауланғанда никельді 250... 300 ◦С аралығында қолдануға болады, ал өте жоғары температуpaда R=f(t)тәуелділігі ол үшін бірмәнді емес. Никельде R=f(t) сызықты тәуелділігі 100°С-тен жоғары емес температураларда ғана орындалады. Никль түрлендіргіштердің кемшілігіне никельдің әр маркасына температуралық коэффициенттің түрлі болуы (0,51...0,58% на 1°С) жатады. Сондықтан никель өткізгішпен әдетте температуралық коэффициентті есептікке дейін төмендететін оны тұрақтандыратын манганиндік кедергісі қосылады. Никельдің артықшылығына үлкен меншікті кедергі жатады (= 0,075...0,085 Ом·мм²/м).

Ең жақсы қасиеттерге платина ие, өйткені, біріншіден, химиялық инертті, екіншіден, -200... +650°С температура аралығында қолдануға болады. Алайда платинаны қалпына келтіруші ортада (көміртек, кремний, калий, натрий буы) пайдалану мүмкін емес.

Қазіргі уақытта жартылай өткізгіш терморезисторлар (термисторлар) жиі қолданылады, олар түрлі метал: мыс, кобальт, магний, марганец, т.б. окидтері қоспасынан дайындалады. Дайындау процесі кезінде түрлендіргіш жоғары температурада күйдіріледі. Күйдіру кезінде оксидтер шарик, бағана немесе шайба түріндегі тығыз массаға пісіріледі, оған электродатр тозаңданады және мыс сымдар дәнекерленеді. Сыртқы әсерлерден қорғау үшін термистордың сезімтал элементі қорғайтын бояумен жабылады, герметикалық металл корпуска орналастырылады немесе шыныға дәнекерлейді.

Температура өскен сайын термистор кедергісі азаяды. Кедергінің температурадан тәуелділігі былайша өрнектеледі
,
мұнда А – материалға, оның өлшеміне және пішініне тәуелді тұрақты; В – жартылай өткізгіштің физикалық қасиеттеріне тәуелді тұрақты; Т – абсолютті шкала градусындағы түрлендіргіш температурасы.     

Өнеркәсіп ММТ, КМТ-4, МКМТ типті түрлі конструктивті орындаудағы кедергі терморезисторларын жасап шығарды.

артықшылыұтары: өте жоғары температуралық кедергі коэффициенті (2,5...4%  на 1°С),  сезімталдығы металл терморезисторынан 6…10 есе жоғары, кіші жылу сыйымдылық және инерциялық.

Кемшіліктері: кедергінің температу­радан бейсызық тәуелділігі (3.12-сурет), үлкен шашылу және үлгіден үлгіге сипаттамаларының тұрақсыздығы. Бұл құралдың сызықтық шкаласын алуды және істен шыққан жартылай өткізгішті алмастыруды қиындатады. Сонымен қатар, оларда температуралық диапазон өте аз (-100... +120 °С).


3.12-сурет терморезистордың түрлену функциясы:

1 — ММТ типті; 2 - мыс
Түрлендіргіштерді қолданып, барлық факторлардың түрлендіргіш кедергісіне аз әсер етуіне тырысу қажет. Соған байланысты түрлендіргішке қойылатын талаптар, оның қателіктері мен қасиеттері олардың қолданылуына байланысты анықталады. Түрлі электрлік емес шамаларды өлшеу үшін жылулық түрлендіргішітердің қолданылу принципін қарастырайық..

Термоанемометрлер. Егер токпен қыздырылатын жылулық түрлендіргіш сұйық немесе газдық ортаға қойылған болса, онда оның температурасы сымға жіберілетін және ортаға берілетін жыллу көлемі арасындағы жылулық тепе-теңдік режимімен анықталады. Егер орта қозғалса, яғни сұйық немесе газ ағымы түрінде болса, онда жылуды конвекция жолымен беру барлық суытқыш факторларды көбейтеді және ағым жылдамдығына тәуелді болады.

Газдық ағым жылдамыдығын өлшейтін құралдар термо­анемометр деп аталады (3.13-сурет).


3.13-сурет. Термоанемометр құралы:

1 – платиналық сым; 2 – манганиндік серіппелер; 3 –тұтқа; 4 – шығыстар
Мұндай элементтің термосезімтал элементі ретінде оқшаулаушы материалдан жасалған тұтқаға 3 бекітілген манганиндік серіппелермен 2 бекітілген платина сымы 1 алынады. Түрлендіргішті өлшеу тізбегіне қосу үшін шығыстар 4 қолданылады. Құрал жұмысы сымның 1 кедергісінің газдық ағым жылдамдығына байланысты өзгеруіне негізделген.

Сымның конвекция жолымен жылуды жоғалтуы мына өрнекпен өрнектеледі

I²R = εF(t_np-t_cp)
мұнда ε — жылуберу коэффициенті; F — ортадағы сым беткейі; t_пр және t_ср — сәйкесінше сым мен ортаның температуралары.

Мұнда ε шамасы тек орта қозғалысының жылдамдығынан ғана емес, сондай-ақ орта тұтқырлығына, жылу сыйымдылығына тәуелді, сондықтан ұқсастық теориясы көмегімен есептейді. Анемометр түрлендіргіші әдетте көпірліқ тізбекке қосылады (3.14-сурет).


3.14-сурет. Термоанемометр түрлендіргішінің көпірлік тізбекке қосылу схемасы
Өлшеуді көпірдің тармақталамаған бөлігіндегі ток күшін Iнемесе көпірдің қорек көзін (тепе-тең емесе жұмыс режимінде) тұрақты етіп ұстап тұрып, немесе көпірдің тепе-теңдігін ұстап тұрып ток күшін өзгерту жолымен термоанемометр түрлендіргішінің кедергісінің R_np мәнін тұрақты етіп жүргізуге болады(сонда көпір υ жылдамдықтың әр мәні үшін тепе-теңдік режимінде болады). I= const болғанда градуирленген қисық R = f(υ) 3.15-суретте көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай, құрал шкаласы сызықты емес.



3.15-сурет. Термоанемометр құралының шкаласының бөліктеу қисығы
Кедергі термометрі. Бұл құралдар температура өлшейтін датчиктер сияқты қолданылады. Сезімтал элемент материалы бойынша олар платиналық кедергі термометрі (ТСП) және мыс кедергі термометрі бөлінеді.

Платина өткізгіштік түрлендіргіш негізінде кедергі термометрінің құрылғысын қарастырайық (3.16-сурет).


3.16-сурет. Кедергі термометрі
Түрлендіргіш өлшемі 100 х 10 мм каркасқа оралған диаметрі 0,05...0,07 мм платина сым 2 түрінде болады. Орау каркас жанында тісті ойықтарға жатқызылады. Кар­кас ретінде жылуға шыдамды және жоғары электроқшаулағыш қасиеттерге ие: слюда, кварц, фарфор материалдар қолданылады.

Орам ұштарына фарфор моншақтарымен оқшауланған күмәс сымнан жасалған шығыстар 3 дәнекерленеді. 100°С температураға дейінгі температураны өлшейтін кедергі термометрлерінде мыс сымдар қолданылуы мүмкін. өте жоғары температурада мыс пен платинаның дәнекерленуі терможұп құрады және сол арқылы өсетін ЭҚК-і қателік көзі болып табылуы мүмкін.

Каркаспен орау екі слюда төсем 4 арасында болады, содан соң бүкіл құрылымды пакетке күміс таспамен пакетке жинайды және жұқа қабырғалы алюминий құбырға, кейіннен тот баспайтын қабына қосылады. Датчик шығыстары қорғаныш қаптың басына орнатылған арнайы плата қысқыштарына қосылады. Мыс кедергі термометрінің сезімтал элементі диаметрі 0,1мм мыс сыммен оқшауланған бірнеше қабат пластмасса каркасқа оратылады. Одан соң бетін глифтал лакпен жабады, ал орам шығыстарын фарфор моншақтармен оқшаулайды. Орамды платаны ұзындығы 105мм жұқа қабырғалы металл гильзаға, одан соң қорғаныш қабына салады.

Кедергі термометрлері бір жақты және екі жақты болады. Екі жақты термометрлерде бір нүкте температурасын екі құралмен бір мезгілде өлшеуге қолданылатын бір-бірінен оқшауланған екі сезімтал элемент орнатылған. Мыс және платина кедергі термометрлер кедергінің қатаң анықталған мәндерімен жіберіледі. Ең көп тараған температура түрлендіргішіне 50М және 100М бөліктенуі бар мыс, 50П және 100 П бөліктенуі бар платина термометрлері жатады. 50 және 100 сандары 0 °С кезіндегі сезімтал элементтің кедергісін (50, 100 Ом), ал М және П әріптерімен - сәйксесінше мыс және платина – кедергі термометрінің орамының материалын белгілейді.

Температура өзгергенде термометрдің электр кедергісі бөліктеу деректермен және жуықтатылған формуламен анықталады:
R_t=R₀(1+ αt),

мұнда R_t, — t°C-қа қыздырылғанда термометр кедергісі; R₀ - 0°С-тағы термометр кедергісі; α— температуралық коэффициент (мыс үшін α = 4,3 ·10^-3).

Технологиялық объекттер температурасының өлшеу қателіктеріне әсер ететін негізгі факторлар – термодатчик инециялығы, олардың дұрыс орнатылмауы, монтаж және құрал жұмыстары шарттарының бұзылуы.

Термодатчиктің инерциялығы объект температурасының өзгеру жылдамдығының өсуімен көрінеді, себебі құрал көрсеткіштері мен объекттің шынайы температурасы арасында үлкен айырмашылық пайда болады.

Термодатчиктерді агрессивті ортада және жоғары қысымда сәйкес қорғаныс гильзалары есебінде қолдану кезінде олардың инерциялығы ұлғаяды. Оны азайту үшін датчик пен орнатушы гильза арасындағы саңылауды бар ұзындығы бойымен жылу сыйымдылығы үлкен ортамен толтырады. 0...200°С жұмыс температурасында компрессия майы, 200 °С-ден жоғары температурада - шойын немесе қола үгiндiлерi қолданылады.

Кедергі термометрлері дәлдігі бойынша үш классқа бөлінеді; инерциялығына қарай – аз инерциялық (9 с-қа дейін), орта инерциялық (10...80 с), жоғары инерциялық (4 мин-қа дейін).

Кәіспорын талаптарына сәйкес температура датчиктері 60...3200мм аралықта түрлі монтждау ұзындығына ие.
3.4 Иондаған түрлендiргiштер
Иондаған түрлендіргіштер деп өлшенетін электрлік емес шама газдық ортаның электрондық және иондық өтімділігінің тогымен функционалды байланысатын түрлендіргіштерді айтады.

Электрондар мен иондар ағымы иондаушы агент әсерінен газдық ортаның иондануымен немесе термоэлектрондық эмиссия жолымен немесе газдық орта молекулаларын электрондармен атқылау жолымен және т.б. жолдармен иондаған түрлендіргіштерде алынады

Кез келген иондаған түрлендіргіштің міндетті элементі – сәулелену көзі мен қабылдағышы.

Иондаушы агенттер. Иондаушы агенттер ретінде α-, β-бөлшектері, γ-сәулелер және рентген сәулелері қолданылады:

• α-бөлшектер гелий ядросы болып табылады және оң зарядталған. Олар өте ауыр бөлшектер, сондықтан олардың энергиясы үлкен және өте күшті мондаушы агент болып есептеледі. Алайда ену қабілеті өте төмен. α – бөлшектердің ауадағы ең үлкен жүгіру ұзындығы 90 мм-ге тең, ал қатты денелерде бірлік немесе ондаған микрон қабаттарда жұтылып кетеді (мысалы, алюминий үшін жүгіру ұзындығы 0,05 мм). Сондықтан иондаушы агент ретінде α-бөлшектерді қолданғанда сәуле таратқыш түрлендіргіш ішіне орналастырылады;

• β-бөлшектер теріс зарядталған (электрондар) бөлшектер ағымы. Олардың энергия қоры аз, бірақ өтімділігі қатты денелерде бірнеше мм-ге жетеді (мысалы, алюминий үшін жүгіру ұзындығы 1,75мм-ге тең), сондықтан өлшеу техникасында β-бөлшектердің өтімділік қабілеті қолданылады және сәуле таратқыш түрлендіргіштен тыс орналастырылады;

•  γ сәулелері - толқын ұзындығы өте аз электромагниттік тербелістер.

Электромагниттік энергия үздіксіз емес, ал электрлік заряд тасымалдамайтын кванттармен немесе фотондармен сәуле шығарады, сондықтан да электрлік те, магниттік те өрімпен ауытқымайды; γ-сәулелер жарық жылдамдығымен таралады және өтімділік қабілеті жоғары (мысалы, алюминийде — 12 см-ге дейін);

• рентген сәулелері электромагниттік тербелістер болып табылады, бірақ толқын ұзындығы үлкен. Олар γ-сәулелердікі сияқты қасиеттерге ие және барлық заттармен сәулелене береді, егер соңғысы электрондармен немесе энергиясы жеткілікті басқа бөлшектермен атқылауға ұшыраса.  Осы сәулелерді өлшеу техникасында қолдану жарық өткізгіш денелер арқылы өту қабілетіне негізделген.
Ионданған камера. Газдық ортаның радиоактивті заттардың немесе рентген сәулелерімен иондануы тәсілін қолданатын түрлендіргіштер ионданған камера және есептегіш деп аталады (3.17-сурет).


3.17-сурет. Ионданған камера схемасы:

1— камера; 2 — иондаушы агент; 3 — дене; 4 - электродтар
Газдық орта камерада 1 иондаушы агент 2 әсерінен ионданады. Камерада U кернеуі берілетін екі электрод 4 орналасқан. Камерада газ ионданғанда электрондар мен осы газдың оң иондарының ретті қозғалысы пайда болады, яғни берілген кернеу, иондаушы агент қасиеттерінің, иондалатын орта, камера қабырғалары, басқа да денелердің 3 фунциясы болып табылатын ионданған ток пайда болады. Ионданған токтың барлық осы факторлардан тәуелділігін пайдаланып, түрлі физикалық және геометриялық шамаларды өлшеу үшін ионданған түрлендіргіштерді қолдануға болады.

Сцинтилляциялық есептегіштер. Сцинтилляциялық есептегіштердің жұмыс принципі енетін әлсіз жарық жарқылы радиациясы – сцинтиляция әсерінен кейбір заттарға енуіне негізделген. Люминофор, фотокатод және фотоэлектрондық көбейткіштің бір жарық өтпейтін корпуста қиыстырылуы сцинтилляциялық есептегіш деп аталады.

Люминофорлар күміспен белсендендірілген кадмий және мырыш сульфиді кристалдарының қоспасынан дайындалады. Сцинтилляциялық есептегіштер зарядталған бөлшектерді, γ-кванттарды, нейтрондарды өлшеу үшін, γ-спектрі мен нейт­рондық сәулеленуді зерттеу үшін қолданады.

Масс-спектрометрлер. Масс-спектрометр түрлендіргіштері газ қоспасын зерттелетін газ қоспасының барлық оң зарядталған иондарының масса спектрін алу тәсілімен талдау үшін арналған.

Иондарды массасына қарай бөлу негізінде түрлі масса иондарының түрлі траекториямен жүруі арқасында элетр және магнит өрісі иондарына бір мезгілде әсер ету жүзеге асады.

Электр және магнит өрісі параметрлері мен масса арасындағы байланыс келесі теңдеумен сипатталады:
(3.3)
мұнда m — ион массасы; е — ион заряды; В — магнит өрісі индукциясы; r — электр және магнит өрісі әсерінен ионмен сипатталатын траектория радиусы; U — электр өрісінің кернеуі.

Сыналатын газ кішкене қысыммен иондаушы камераға енгізіледі (3.18-сурет), мұнда ол электрондар шоғының атқылауына ұшырайды. Атқылау кезінде пайда болған оң иондар потенциалдар айырымынан ΔU түзілген электр өрісі әсерінен үдеу алады. Иондаушы камера тесігі 3 арқылы ұшып шығып олар В индукциялы магнит өрісі әрекет ететін камераға тесік 2 арқылы түседі.

m/е шамасына байланысты магнит өрісі иондарды ауытқытады, олар радиустары r₁, r₂, r₃, және т.с.с. траекториямен қозғалады. Траектория радиусы r₃ иондар тесік 1 арқылы өтіп коллекторға түседі. Ол R кедергісі арқылы жермен қосылған. Уақыт бірлігінде өз коллекторын коллекторге беретін иондар санымен анықталатын ток R кедергісінде тұрақты ток күшейткішімен күшейетін және өзі жазатын құралмен V тіркелетін кернеу түсуін тудырады.


3.18-сурет. Масс-спектрометр құрылғысы:

1 – 3 –тесіктер; 4 - коллектор
Магнит өрісі индукциясын В өзгерте отырып U= const болғанда немесе керісінше, электр өрісі кернеуін U В = const болғанда өзгертіп түрлі масса иондарының 1 тесік арқылы коллекторға түсіп, жеткілікті кең аралықта диаграммада шыңдарға ие қисық алуға болады (3.19-сурет). Әр шыңның биіктігі газдық қоспадағы берілген масса иондар концентрациясының критериі болып табылады.



3.19-сурет. Иондардың масс-спектрометр камерасының тесіктері арқылы өту диаграммасы
Ионданушы ток мәнінің аз болуына байланысты (10^-9...10^-10А) өлшеу тізбегінің кіріс кедергісі өте жоғары болуы қажет (10¹²…10¹⁵ Ом), ағу тогы ионданушы токтан 2-3 ретке аз болуы үшін. Бұл басты және маңызды талапты кіріс кедергісі 10¹²…10¹³ Ом болатын электрондық өлшеу тізбектері қанағаттандырады.

Артықшылықтары: өлшенетін объектпен тікелей байланыссыз өлшеу мүмкіндігі. Олардың көмегімен агрессивті ортада, жоғары температурада, қысымда, т.б. өлшеу жүргізуге болады.

Иондаушы түрлендіргіштер көмегімен өлшеу қателіктері ең алдымен қолданылатын өлшеу құралының жетілмегендігімен анықталады. Әсіресе тұрақты ток күшейткішімен енгізілген қателік үлкен облады. Сондықтан осы қателікті азайту үшін иондаушы түрлендіргіштер нолдік тәсілмен алынады. Сонымен қатар радиоактивті заттың біртіндеп құлауымен және уақыт бойынша сәулелену көзінің тұрақсыздығымен шартталған қателікті де ескеру қажет.

Иондаушы агенттер қасиетіне байланысты иондаушы түрлендіргіштер түрлі шамаларды өлшеу құралдарында қолданылады. Мысалы, α –сәуле шығарушысы бар иондаушы түрлендіргіштер орын ауыстыруды өлшеуге қолданылады, себебі иондаушы камера тогы электродтар арасындағы қашықтыққа, газ тығыздығына, газдардың ағу жылдамдығына, түтіндік қоспаларлың саны мен газ ылғалдылығына тәуелді.

β-сәуле шығарушысы бар иондаушы түрлендіргіштер α-сәулешығарушылардың орнына жоғарыда келтірілген жағдайлардың кейбірінде, сондай-ақ беттік материал қалыңдығы мен жабын қалыңдығының байланыссыз тәсілімен өлшеу үшін қолдануға болады.

өтімділік қабілеті жоғары γ-сәуле шығарушысы бар иондаушы түрлендіргіштер зат тығыздығын, қалыңдығын, деңгейін өлшеу үшін қолданылады.