измерение Лабораторные. Выполняемые лабораторные работы на учебном лабораторном стенде нтц05. 08. 1 Электрические измерения с мпсо

• Название: Выполняемые лабораторные работы на учебном лабораторном стенде нтц05. 08. 1 Электрические измерения с мпсо
• Дата: 13.03.2023
• Размер: 6 Mb.
• Имя файла: измерение Лабораторные.docx
• Тип: Документы; #984268
• страница: 22 из 34

Рисунок 7.2

Рисунок7.3
Рассмотрим один из применяемых способов включения измерительного механизма

ИМ(рисунок 7.3) к термопаре А — Бс зажимами АИ б.

Соединительные провода ВИ Г(удлинительные термоэлектроды, должны быть термоидентичными: провода В и В'—с электродом А, а провод Г — с электродом Б. В этом случае холодным спаем термопары является спай T₀; термостатируя его, можно избежать влияния изменения температуры спаев А' и б', при этом спаи А и б могут иметь любую, но одинаковую температуру.

К материалам термопар предъявляются следующие требования: однозначность зависимости термо-э.д.с. от температуры; постоянство термоэлектрических свойств; химическая и механическая стойкость при высоких температурах; хорошая электропроводность. Желательно, кроме того, чтобы сочетание термоэлектродов термопары давало возможно большее значение термо-э.д.с.

Термоэлектроды термопары соединяют друг с другом путем пайки или сварки и помещают в защитную арматуру, предохраняющую термопару от действия химически агрессивных газов. Эта арматура изготовляется газонепроницаемой, механически прочной и пароупорной, хорошо проводящей тепло. Материал арматуры, кроме того, не должен выделять при нагревании газов или паров, вредных для термоэлектродов.

В качестве защитной арматуры применяют трубы из специальных сталей, а для термопар из благородных металлов — кварцевые и керамические трубы. Для электрической изоляции используют асбест (до 300° С), кварцевые трубки и бусы (до 1000° С) и керамические трубки и бусы (до 1400° С).

Эксплуатационные характеристики. Уравнение преобразования термопары в общем случае с достаточным приближением можно представить в виде:

𝐸_𝑇 = 𝐴𝑡 + 𝐵𝑡² + 𝐶𝑡³

где Е_т— термо - э.д.с; t — разность температур горячего спая и холодных концов; постоянные A,BИ Cзависят от материалов термоэлектродов. Отсюда следует, что чувствительность S_Tне является величиной постоянной, а зависит от температуры,т.е.


T
S ≈ ^dET = 𝐴𝑡 + 2𝐵𝑡² + 3𝐶𝑡³ dt

В связи с этим для выпускаемых промышленностью термопар даются табличные

данные термо - э.д.с. для разных температур с интервалом в 10 С при температуре холодных концов T₀= 0° С.

Для измерения температур ниже 1000°С применяют, как правило, термопары из неблагородных металлов и их сплавов.

Применяя термопары для измерения температур выше 1000° С, следует иметь в виду, что с ростом температуры увеличивается подвижность и активность атомов материалов термопары, что ведет к увеличению нестабильности и невоспроизводимости ее характеристик. В связи с этим для температур от 1000 до 1750° С применяются термопары из благородных металлов платиновой группы. Термопары из благородных металлов в силу своих высоких метрологических свойств находят применение преимущественно в качестве образцовых термопар. Для кратковременных измерений высоких температур (до 1000° С) применяют дешевые вольфрамо-молибденовые термопары, характеризующиеся низкой чувствительностью (10 мВ/°С) и малой стабильностью.

Для температур выше 1750° С используются термопары из жароупорных металлов и их сплавов (иридия, необия, молибденита, рения, тантала и вольфрама). Иридий-вольфрамовые термопары, например, работают в нейтральной атмосфере до температуры 2300° С. Вольфрам- рениевые и молибден-рениевые термопары в нейтральной и восстановительных средах позволяют измерять температуры до 1800° C с погрешностью порядка 1,5%.

В некоторых случаях хорошие результаты обеспечивают специальные термопары, составленные из металлического проводника и полупроводника (уголь, кремний) или двух полупроводников. Эти термопары, не отличаясь механической прочностью, развивают термо э.д.с, значительно превышающую термо э.д.с. термопар из металлических электродов, и, кроме того, позволяют измерять высокие температуры. Например, термопара карбид необия - графит в нейтральной и восстановительных средах работают до температуры 3000° С.

Терморезисторы

Терморезистор представляет собой проводник или полупроводник, включенный в электрическую цепь и находящийся в теплообмене с окружающей средой.

Требования, предъявляемые к материалу терморезистора: возможно более высокое значение температурного коэффициента сопротивления, химическая стойкость к воздействиям окружающей среды; достаточная тугоплавкость и прочность; большое удельное электрическое сопротивление, что важно при изготовлении малогабаритных преобразователей.

Во всех случаях для уменьшения потерь тепла через теплопроводность токоподводящих проводников стремятся увеличивать отношение длины провода терморезистора к его диаметру, Это отношение, как правило, имеет значение не менее 200.

Проводниковые терморезисторы. В большинстве случаев в качестве материала проводниковых терморезисторов применяют чистые металлы, так как сплавы имеют более низкий температурный коэффициент электрического сопротивления, чем чистые металлы, входящие в состав сплава. Кроме того, зависимость сопротивления от температуры для чистых металлов хорошо известна, в связи с чем часто приборы с их использованием допускают стандартную градуировку.

Из металлов практическое применение нашли главным образом медь, платина и

никель.

Медные терморезисторы. Электролитическая медь допускает нагрев не более чем до

180° С (во избежание окисления).

Уравнение преобразования медных терморезисторов в диапазоне температур от -50 до +180° С практически линейное:

𝑅_𝑡 = 𝑅₀(1 + 𝛼𝑡)

где α— температурный коэффициент электрического сопротивления, равный 4,3∙10-31/°Св интервале температур от нуля до 100° С; t— температура; R₀— сопротивление при 0° C.

Когда сопротивление R₀неизвестно, применяют соотношение

𝑅<sub>2

=</sub> 𝑅₁(𝑟+𝑡₂)

𝑟 + 𝑡₁

где R₁и R₂- сопротивления при температурах t₁и t₂соответственно; τ=1/α - постоянная, зависящая от рода материала и равная, например для меди, 234° С. Для расчета сопротивления

R₂при любой температуре t₂по формуле требуется знать лишь сопротивление R₁при любой другой температуре t₁.

Платиновые терморезисторы. Платина допускает нагрев до 1200° С без опасности окисления или расплавления.

Уравнение преобразования - нелинейное и имеет вид: в интервале температур от нуля до +660° С.

𝑅_𝑡 = 𝑅₀(1 + 𝐴𝑡 + 𝐵𝑡²)

в интервале температур от нуля до -180°C

𝑅_𝑡 = 𝑅₀(1 + 𝐴𝑡 + 𝐵𝑡² + 𝐶(𝑡 − 100)³)

где R₀— сопротивление при 0° С; A, В, С - постоянные. Для температур выше 660° С и ниже -180° С зависимость R_t= f(t) стандартизована и дается в виде таблицы.

Нелинейность уравнения преобразования является основным недостатком платиновых терморезисторов. Однако высокая воспроизводимость зависимости R_t=f(t), химическая стойкость и пластичность платины, позволяющая изготовлять очень тонкие нити (до 1,25 мкм), делает ее в ряде случаев незаменимой. Платину нельзя применять в восстанавливающей среде (углерод; пары кремния, калия, натрия и др.).

Рисунок 7.4

Никелевые терморезисторы. Никель применяется до температур (250÷300)° С. При более высоких температурах зависимость R_t= f(t) - неоднозначная. В интервале температур от нуля до +100° С справедлива зависимость = ₀(1 + ) при α≈5∙10-81/°С.

Электрические свойства никеля в сильной степени зависят от примесей и термической обработки.

Основные преимущества никеля: высокое удельное электрическое сопротивление (в пять раз больше, чем у меди) и большой температурный коэффициент сопротивления, что позволяет использовать его в тех случаях, когда терморезистор должен иметь малые размеры, Полупроводниковые терморезисторы (термисторы). Зависимость сопротивления полупроводников (смеси окислов некоторых металлов, спрессованных и спеченных при высоких температурах) от абсолютной температуры Тдостаточно точно описывается соотношением:

1 1

_𝑅𝑇 _{≈ 𝑅}0_𝑒𝛽 (_𝑇−_𝑇0)

где R₀— сопротивление при абсолютной температуре Т₀; β— коэффициент, зависящий от рода полупроводника.

На рисунке7.4представлена кривая R_T= f(T)и для сравнения показана зависимость R_t

сопротивления проводника.

Значение температурного коэффициента полупроводника резко зависит от температуры (в противоположность проводнику) и определяется формулой:

𝛼 = − ^𝛽𝑇

𝑇₀

откуда следует, что α отрицателен и возрастает с увеличением температуры.

Полупроводниковые терморезисторы имеют большой температурный коэффициент (в 8—10 раз больший, чем у металлов) и значительно большую величину удельного электрического сопротивления, в связи с чем они могут иметь малые размеры (объем порядка

1 мм3) и, следовательно, небольшую инерционность. Недостатком полупроводниковых

терморезисторов является плохая воспроизводимость зависимости Rt=f(T) для одних и тех же типов, что затрудняет их стандартную градуировку.

В целях частичного исправления нелинейности уравнения преобразования полупроводниковые терморезисторы включаются в электрические цепи в сочетании с манганиновыми резисторами параллельно, последовательно или последовательно- параллельно

Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы)

Принцип действия и устройство. Тензорезисторы бывают проволочные, фольговые и полупроводниковые. Устройство наиболее распространенного проволочного тензорезистора схематически представлено на рисунке7.5.

Рисунок 7.5

На полоску бумаги (пленку клея) 1, называемую подложкой, наносится зигзагообразно тонкая проволока 2(диаметром 0,02÷0,03 мм), к концам которой привариваются или припаиваются контакты 3из металлической фольги. Все это заливается клеем, а сверху проволока часто заклеивается еще тонкой бумагой 4для предохранения от механических повреждений. Для изготовления проволок используются константан, нихром, платиноиридиевый сплав и др.

Длина l₀(смотрите рисунок 7.5) называется базой преобразователя. Обычно l₀равна 8÷5 мм. Однако в специальных случаях применяют тензорезисторы и с малой базой (до 2,5 мм). Ширина а преобразователей — от 3 до 10 мм; сопротивление — порядка 50÷150 Ом. Когда размеры преобразователя не ограничиваются, то длина базы достигает 100 мм, а сопротивление — 800 ÷ 1000 Ом.

Образованная указанным способом решетка проволоки приклеивается к исследуемой детали 5и воспринимает деформацию последней. Вместе с деформацией детали деформируется проволока, тем самым изменяется сопротивление преобразователя вследствие явления тензоэффекта. Входной величиной преобразователя является деформация, выходной

— изменение сопротивления.

Рассматривая деформацию как изменение длины проволоки ∆l, уравнение преобразования будет иметь вид ∆𝑅 = 𝑓⁽∆𝑙⁾, где ∆𝑅 — изменение сопротивления преобразователя.

Практически для характеристики тензорезистора пользуются коэффициентом тензочувствительности

𝑘 =

∆𝑅_⁄𝑅

∆𝑙_⁄𝑙

где ^∆𝑅⁄_𝑅 — относительное изменение сопротивления преобразователя;

^∆𝑙⁄_𝑙 — относительная деформация проволоки.

Опыт показывает, что тензоэффект проводника происходит не только вследствие изменения его геометрических размеров в процессе деформации (длины и поперечного

сечения), но и в. результате изменения удельного электрического сопротивления. Коэффициент kдля разных металлов лежит в пределах 0,5—4. Так как механическое напряжение σв исследуемой детали связано с модулем упругости Ематериала этой детали соотношением

𝜎 = 𝐸 ^∆𝑙

𝑙

то уравнение преобразования тензорезистора можно получить в виде

∆𝑅 ^𝑘





⁄_𝑅 = _𝐸 𝜎

Механические напряжения как в материале детали, так и в проволоке тензорезистора не должны превышать предела упругих деформаций, ибо, в противном случае, в материале произойдут необратимые деформации, которые могут привести к резкому изменению характеристик преобразователя. В связи с этим допустимую величину напряжений в материале деталей ограничивают 20÷30% предела упругости.

Как известно, в металлах значение относительной деформации ^∆𝑙⁄_𝑙 в пределах упругих

деформаций не превышает 2,5∙10^-3, что при значениях коэффициента k, равных 0,5÷4, приводит к значениям ^∆𝑅⁄_𝑅 = (1, 25 10)10⁻³. Таким образом, относительное изменение сопротивления преобразователей не превышает 1 % при предельных напряжениях в металлах, в связи с чем сопротивление преобразователя не должно изменяться во времени или от

влияния внешних факторов более чем на сотые доли процента. Основные требования, предъявляемые к материалу проволоки, следующие: возможно большее значение k;малый ТКС; высокое удельное электрическое сопротивление (при заданном значении l₀стремятся получить возможно большее сопротивление преобразователя).

Температурные коэффициенты линейного расширения проволоки и материала объекта, на который наклеивается преобразователь, должны быть близки по значению, иначе может появиться температурная погрешность.

Тензорезисторы являются преобразователями разового действия, так как они наклеиваются на деталь и не могут быть сняты без повреждения.

Свойства тонких проволок в сильной степени зависят от химического состава сплава, а также от термической и механической обработок. Поэтому на практике из партии одного и того же провода изготовляют серию преобразователей и градуируют несколько штук (8÷10%). Полученная цифра среднего значения коэффициента тензочувствительности k принимается для всех преобразователей из данной партии проволоки.

В целях увеличения мощности рассеяния тензорезистора применяют проволочные решетки, закрепленные по концам,—«открытые конструкции» (рисунок 7.6, а). Здесь части 1и 2 связаны с объектом и могут перемещаться относительно друг друга. Проволока закрепляется на стойках 3из изолирующего материала (керамика).

Рисунок 7.6

В практике находят применение так называемые «мощные» тензорезисторы, представляющие собой большое число параллельно (или последовательно) соединенных

решеток преобразователей (до 30÷50), что значительно увеличивает отдаваемую мощность в измерительный прибор и позволяет использовать их без усилителей при непосредственном включении магнитоэлектрического прибора или вибратора осциллографа.

Широко применяются фольговые тензорезисторы, изготовляемые путем специальной фотографии контура решетки на тонкую (0,004÷0,012 мм) металлическую фольгу. Обратная сторона фольги покрывается лаком или клеем. После проявления незащищенная эмульсией часть фольги протравливается, и на пленке лака остается только контур тензорезистора (рисунок 7.6, б). Подобную конструкцию имеют и пленочные преобразователи, изготовляемые методом вакуумной возгонки материала с последующей его конденсацией на подложке.

Фольговые преобразователи допускают большую мощность рассеяния, так как металл преобразователя имеет хороший тепловой контакт с объектом. Они имеют также более надежный механический контакт с поверхностью объекта, могут быть изготовлены практически любой формы и размеров, что важно в специальных случаях (например, для использования на мембранах манометров, как это показано на рисунке7.6,в),и имеют удобные выводы, допускающие непосредственную припайку концов, в отличие от проволочных преобразователей, у которых наблюдаются частые обрывы в местах присоединения выводов.

В последнее время промышленность изготовляет преобразователи из монокристаллов полупроводников: кремния, германия, арсенида галлия и др. Ценным свойством таких преобразователей является большое значение коэффициента тензочувствительности k (от -200 до +850) при очень малых базах (до 2,5 мм). Выпускаются преобразователи, позволяющие применять их при температурах от -250 до +250° С; недостаток их—механическая непрочность.

К тензорезисторам относятся также преобразователи объемного сжатия, используемые для измерения давлений. Такие преобразователи представляют собой катушку из провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент. Подвергаясь всестороннему сжатию при высоких и сверхвысоких давлениях, они изменяют свое сопротивление.

Для приклейки тензорезисторов к исследуемым деталям применяют специальные клеи. Разработаны клеи для работы в нормальных условиях (БФ-2; БФ-4, ацетоноцеллулоидные), в условиях повышенных и высоких температур — до 600÷700° С (Б-56, ВН-15), а также при работе во влажной среде или в воде.

Погрешности. Основная погрешность тензорезисторов во многом определяется точностью градуировки. Опыт показывает, что при тщательной приклейке тензорезисторов и хорошем качестве клея погрешность, обусловленная неидентичностью преобразователей, не превышает 1,5%, если пользуются средним значением коэффициента тензочувствительности. При индивидуальной градуировке преобразователя основную погрешность можно уменьшить до 0,2÷0,5% и даже менее (до 0,03% при особо тщательном изготовлении).

Существенное значение имеют остаточные деформации клея при его просушке. Это явление может привести к изменению начального сопротивления преобразователя до 1% в начальный период (после наклейки) и к менее значительным изменениям — в последующий (0,1÷0,2%).

Тензорезисторы обладают также поперечной чувствительностью, под которой понимают чувствительность преобразователя в направлении оси Y(ось боковой чувствительности), обусловленной тем, что в направлении оси Yдлина проволоки хотя и значительно меньше длины по оси X(ось основной чувствительности), но не равна нулю (рисунок7.5). Поперечная чувствительность приводит к появлению систематической погрешности в случае, когда при измерениях имеют место деформации в разных направлениях (как в направлении оси X ,так и оси Y). Поперечная чувствительность проволочных тензорезисторов составляет 0,25÷1% от основной чувствительности.

Для преобразователей с неприклеенными петлями (рисунок7.6,а)поперечная чувствительность мала, а для фольговых и пленочных она практически может быть устранена путем увеличения ширины торцевых концов.

Температурная погрешность тензорезисторов обусловлена разностью температурных коэффициентов линейного расширения материала преобразователя и объекта измерения, а также ТКС материала преобразователя. Например, для тензорезисторов из константановой проволоки температурная погрешность может достигать 10% и выше при колебании температуры среды или детали на 10° С. У полупроводниковых тензорезисторов эта погрешность еще больше. В случае применения дифференциального включения преобразователей в мостовую цепь эта погрешность резко уменьшается.

Рисунок 7.7.

Изменение свойств материала тензорезистора вследствие старения и остаточных деформаций очень невелико и приводит к пренебрежимо малой погрешности.

Измерительныецепи.В подавляющем большинстве случаев применяют мостовые цепи с питанием постоянным или переменным током (рисунок 7.7). Предпочтение отдается цепям с дифференциальным включением преобразователей, в которых один тензорезистор R₁испытывает деформацию растяжения, а второй R₂— деформацию сжатия. В этом случае исключается температурная погрешность и вдвое увеличивается чувствительность. В связи с тем, что при деформации относительное изменение сопротивления преобразователей ^∆𝑅⁄_𝑅

невелико, мощность на измерительной диагонали моста, как правило, недостаточна для

работы выходного указателя, вследствие чего требуется ее усиление (на рисунке: У — усилитель; ФД— фазочувствительный демодулятор; Ук— выходной указатель).

Мостовые цепи с тензорезисторами, за исключением цепей, предназначенных для измерения только переменных во времени деформаций, имеют элементы для уравновешивания моста перед началом измерения. Это необходимо, так как даже очень незначительная разница в сопротивлениях тензорезисторов приводит к тому, что при отсутствии деформации мост окажется неуравновешенным. Элементы для уравновешивания должны выполняться исключительно тщательно, ибо очень малые изменения их сопротивлений могут привести к большим погрешностям.

При питании мостовых цепей переменным током возникает необходимость уравновешивания также и по реактивной составляющей в связи с наличием паразитных емкостей и индуктивностей. В частности, установлено, что емкость между проводом тензорезистора и металлическим объектом, который, как правило, заземлен, достигает в ряде случаев больших значений — 500÷1000 пФ. На рисунке7.7емкость Си сопротивление R_cслужат для указанной цели. Для измерения статических деформаций широко используются самоуравновешивающиеся мосты.

Областиприменения. Тензорезисторы применяются для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упругую деформацию.

Простота конструкции и малые габариты позволяют использовать тензорезисторы в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций последних.

Тензорезисторы широко применяются для измерения быстропеременных величин (порядка десятков килогерц).

Порядок выполнения

Часть 7.1. Исследование терморезистора.

1. 
   Собрать схему, представленную на рисунке7.8
   

Рисунок 7.8

2. 
   Перед включением стенда убедится, что все остальные переключатели находятся в начальном положении (выключены).
   
3. 
   Переключить режим индикации прибора PV5/PK5в режим отображения температуры с помощью тумблера SA17 (вниз).
   
4. 
   Включить стенд автоматическим выключателем QF1.
   
5. 
   C помощью органов управления генератором R20, R21и SA19по прибору PV4
   

задать постоянный сигнал величиной 10В.

6. 
   Записать показания температуры термопары по прибору PK5, C, ток и напряжение терморезитора PA4и PV4.
   
7. 
   В блоке9включить тумблер SA18в блоке8.
   
8. 
   Контролируя температуру по прибору PK5,C,нагреть исследуемый терморезистор до 80-90 градусов. При этом через равные промежутки времени снимать показания приборов PK5,PA4 и PV4.
   
9. 
   Выключить тумблер SA18.
   
10. 
    По формуле произвести пересчет сопротивления и построить график зависимости
    

RK_X(t):

где R18=200Ом.

𝑅𝐾_𝑋 = 𝑈_𝑃𝑉4𝐼_𝑃𝐴4 − 𝑅18

11. 
    Выключить стенд в следующем порядке:
    
    • 
      Выключить стенд автоматическим выключателем QF1;
      
    • 
      Переключить тумблер SA17в верхнее положение PV5;
      
    • 
      Убрать все перемычки.