Контактные методы и средства измерений.

Измерение неэлектрических величин.

Измерение температуры.

В нашем мире существует великое множество неэлектрических величин. И для их оценки в настоящее время широко используются электрические методы и средства измерений. Но для этого сначала необходимо преобразовать неэлектрическую физическую величину в электрическую (электрическое напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность, заряд и др.)

Рассмотрим применение этих подходов на примере измерения некоторых неэлектрических величин, наиболее часто встречающихся в практических задачах.

1) Температура – одна из важнейших физических величин, оцениваемых в научных, технических и промышленных исследований.

В настоящее время для измерения температуры используются как электрические, так и неэлектрические методы и средства измерения температуры.

Так же различают статические ( в которых предполагается неизменность значения температуры в течении времени наблюдения) и динамические измерения (когда процесс достаточно быстро меняется и необходимо знать характер поведения величины или отслеживать все ее изменения).

Кроме того существует деление средств измерений на показывающие и регистрирующие.

По способам преобразования информации средства измерений (СИ) делятся на: 1)аналоговые; 2)цифровые.

По принципу взаимодействия прибора с объектом методы и средства измерения (СИ) делятся на: контактные и бесконтактные.

Многоканальные измерители (регистраторы) температуры предназначены для регистрации нескольких процессов и / или для синхронных измерений температуры в нескольких точках.

На практике широко используются комбинированные цифровые приборы, которые могут измерять две или несколько различных физических величин, например, температуру и относительную влажность воздуха или температуру и скорость потока воздуха (термоанемометр).

Основными требованиями, предъявляемыми к средствам измерения и регистрации температуры являются: достоверность результатов измерения; надежность; малые размеры и масса; простота; наглядность информации, доступная цена.

Контактные методы и средства измерений.

Если преобразовать неэлектрическую физическую величину – температуру – в какую-либо пропорциональную электрическую величину (ЭДС, напряжение, ток, сопротивление, частоту сигнала и т.д.) с помощью первичных измерительных преобразователей, то затем ее значение можно легко определить средствами электрических измерений.

При построении первичных измерительных преобразователей (датчиков) используются разнообразные физические эффекты. В основном применяются следующие разновидности термоэлектрических датчиков:

1) Металлические термометры сопротивления (ТС);

2) Термоэлектрические преобразователи (ТП) – термопары;

3) Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы);

4) Пьезоэлектрические (кварцевые) преобразователи с частотным выходным сигналом;

Можно кратко охарактеризовать основные особенности этих преобразователей следующим образом.

Металлические ТС – обеспечивают высокую точность, линейность, стабильность и повторяемость характеристик. Основные недостатки – возможное влияние (на результат измерения) сопротивление проводников линии связи и необходимость дополнительного источника питания. Кроме того, возможен саморазогрев ТС от протекающего по нему тока, что может привести к дополнительным погрешностям.

Термопары – не требуют вспомогательного источника питания, имеют широкий диапазон измеряемых температур. Однако им присуща заметная нелинейность характеристик преобразования. Некоторые проблемы создает необходимость учета (компенсации) влияния температур свободных концов ТП на результат измерения. Кроме того, малое выходное напряжение требует довольно чувствительного вторичного преобразователя (усилителя) и/или выходных приборов.

Термометры сопротивления и термопары отличаются достаточно высокой точностью, стабильностью и повторяемостью своих характеристик преобразования.

Термисторы (полупроводниковые сопротивления) – имеют высокую чувствительность, простую схему включения, высокое быстродействие. Но при этом и них есть недостатки – резко нелинейная характеристика преобразования и плохая повторяемость характеристики, кроме того они имеют сравнительно узкий диапазон измеряемых температур.

Полупроводниковые интегральные датчики – имеют линейную характеристику преобразования, но ограниченный диапазон измеряемых температур (до 150-200°С) и, кроме того, требуют наличия внешнего источника питания.

У кварцевых резонаторов – выходной величиной является изменение резонансной частоты колебаний при изменении температуры. Такие датчики обеспечивают наиболее высокую точность, правда, в узком диапазоне температур. Кроме того, основные параметры характеристик преобразования таких датчиков и их температурные коэффициенты не стандартизированы и подразумевают индивидуальную градуировку.

Все упомянутые датчики выпускают в различном конструктивном исполнении, что позволяет решать самые разнообразные задачи. Есть датчики для поверхностных измерений, погружные, воздушные, магнитные и т.д.

Рассмотрим подробнее особенности применения этих типов датчиков.

Термометры сопротивления. Приборы и преобразователи на основе металлических ТС используют зависимость электрического сопротивления металлов R_Т от температуры Θ. У чистых металлов эта зависимость практически линейна и выражается следующим образом:

Где R₀ – сопротивление при температуре 0°С; α- температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления α, 1/°С, определяется по формуле:

(2)

Значение температурного коэффициента сопротивления у современных ТС лежат в диапазоне (0,003 -0,006 1/°С).

Наиболее часто используемые материалы: медь (для диапазона температур -50…+200°С) и платина (для диапазона -250…+1000°С).

Конструктивно ТС состоят из чувствительного элемента, защитного кожуха (чехла) и элементов крепления. Чувствительный элемент представляет собой намотку из тонкой изолированной проволоки (диаметром доли миллиметра) на диэлектрическом каркасе (стержне), выполненном из слюды, керамики или стекла.

Как правило, ТС включается в мостовые схемы. Различают уравновешанные и неуравновешанные мостовые схемы. Уравновешанная мостоваясхема может иметь один или несколько резисторов, сопротивление которых может целенаправленно меняться (вручную или автоматически) с тем, чтобы добиться равновесия.

Зная значения сопротивлений R₁, R₂,R₃, то по формуле (3) можно определить значение неизвестного сопротивления

(3)

Если в роли R_X выступает ТС с сопротивлением R_T то можно, зная характеристику ТС, оценить значение температуры, которая действует на датчик.

Главная проблема при работе с датчиками – ТС – влияние на результат измерения сопротивление проводников линии связи. В зависимости от специфики конкретных задач применяют двухпроводное, трехпроводное, четырехпроводное, подключениеТС к измерителю.

Термопары. Приборы и преобразователи на основе ТП широко распространены.

Выходной сигнал ТП – постоянное напряжение – довольно легко может быть преобразован в цифровой код и измерен с помощью цифрового мультиметра. ТП могут быть подключены также к различным измерительным преобразователям (аналоговым или цифровым) для статических и динамических измерений.

Диапазон температур измеряемых с помощью ТП довольно широк (-200…+2000°С). Измерители на основе ТП отличаются высокой точностью, чувствительностью, хорошей повторяемостью характеристик. Обычный диапазон выходных напряжений составляет (0…50мВ).

Зависимость термоЭДС от разности температур спаев нелинейна, но для небольших диапазонов температур ее можно считать линейной и эта зависимость может быть выражена формулой:

(4)

Где S_T- чувствительность ТП (коэффициент преобразования);

Θ₁ – температура рабочего спая;

Θ₂ – температура свободных концов.

В соответствии с международной классификацией термоэлектрические преобразователи (термопары) разделяются на несколько типов в зависимости от применяемых материалов и характеристик, они представлены в (таблице 1).

Термисторы. Существует особый класс датчиков – полупроводниковые термометры сопротивления имеющие значительно больший, чем обычные ТС, температурный коэффициент сопротивления, равный (1…20 1/°С), причем знак этого коэффициента может быть как положительным (позисторов), так и отрицательный (термисторов). Это обеспечивает значительно более высокую чувствительность термометров на их основе.

Основные преимущества:

•малые габариты и масса;

•простота конструкции;

•надежность и прочность;

•низкая цена.

Недостатки:

•узкий диапазон измеряемых температур (-50…+150°С);

•нелинейность характеристики;

•плохая повторяемость характеристик;

•значительная временная нестабильность характеристик.

Интегральные полупроводниковые датчики. Этот тип датчиков появился благодаря успехам микроэлектроники. Они обеспечивают выходной сигнал (напряжение или ток), практически линейно зависящий от температуры.

Выходное напряжение датчика через усилитель-повторитель подается на вход цифрового вольтметра ЦВ, или АЦП, преобразующее это напряжение, пропорциональное температуре, в цифровой код.

Интегральный датчик тока подключается через резистор (преобразующий ток в пропорциональное напряжение) к ЦВ, или на вход АЦП, преобразующего далее это напряжение в цифровой код.

Цифровой термометр. Наиболее распространены ЦТ, которые в качестве датчика используют термопару ТП.

Термопара подключается ко входу усилителя, назначение которого поднять уровень входного сигнала с милливольт, до единиц вольт. АЦП преобразует сигнал в цифровой код, пропорциональный уровню термо-ЭДС и, следовательно, значению измеряемой температуры. Выходной код АЦП запоминается и хранится в регистре и затем выводится на цифровой индикатор. Микропроцессорный контроллер управляет работой всех узлов прибора. В структуре прибора может присутствовать интерфейс для обмена информацией с внешними цифровыми устройствами.