Первичные изм. преобразователи. Часть 2

2.7. Термостаты

Термостаты представляют собой обычный тип температурных преобразователей с открытым или закрытым одним или несколькими электрическими контактами, определяющими прохождение определенной температурной точки. Они реализуют скорее дискретный, нежели непрерывный способ восприятия температуры. По этой причине их называют иногда температурными переключателями и редко используют в измерительных системах. Однако довольно часто они применяются в системах управления, когда требуется лишь, чтобы температура не превышала некоторого значения или не опускалась ниже установленного уровня. Примером такого прибора является домашний комнатный термостат.

Чаще всего в конструкцию термостата входит биметаллический чувствительный элемент, в котором два металла с различными коэффициентами температурного расширения механически соединены друг с другом в виде ленты. Когда температура изменяется, длина каждого индивидуального слоя металла изменяется различным образом, полоска (лента) изгибается и замыкает электрический контакт.

Полупроводниковые термостаты, обладающие такими же характеристиками, как и биметаллические, также находят широкое применение. Полностью твердотельные, без подвижных частей, эти приборы функционируют как высокоомные сопротивления (приблизительно 100 кОм), когда внешняя температура не превышает значения, при котором происходит их переключение. Если же температура превышает установленное значение, то сопротивление термостата резко снижается (приблизительно до 100 Ом). Термостаты могут работать в широком диапазоне номинальных точек переключения (в градусах Цельсия). Однако на практике используются точки переключения, отличающиеся от номинального значения температуры на

±5° С.

60

2.8. Термоэлектрические датчики вибраций

Весьма перспективным является применение термоэлектрического метода для записи вибраций. В этом случае датчиком является зона трения двух тел. Например, при исследовании вибраций металлорежущих станков получается своеобразная термопара инструмент - обрабатываемая деталь, ток которой, будучи записан на осциллографе, позволяет судить об имеющихся в системе вибрациях [2].

Рис.2.8.1. Схема записи вибраций при резании металлов

термоэлектрическим методом

Как известно, температура на режущей кромке инструмента зависит от скорости и силы резания. Возникающие вибрации влияют на скорость и силу резания, в результате чего меняется и температура.

На рис.2.8.1 представлена принципиальная схема записи колебаний токарного станка при резании. Резец 2, изолированный от станка прокладками 1, соединяется с вибратором осциллографа. Другая ветвь цепи, по которой идет термоток, состоит из обрабатываемой детали 3, шпинделя станка 4 и контакта 5.

Рис.2.8.2 дает представление о получающихся в этом случае вибрациях, характер которых соответствует изменению термоэлектродвижущей силы термопары инструмент — деталь (кривая 1).

61

Рис.2.8.2. Осциллограмма изменения термоэлектродвижущей силы при

условии вибрационного резания

Подобная схема может быть применена и для изучения крутильных колебаний (рис.2.8.3). Исследуемая деталь имеет форму валика 1 с диском 2 на конце. В диске сделаны специальные вырезы 5, чтобы получить прерывистую поверхность точения.

При точении детали резцом 3 возникают крутильные колебания. В промежутках между моментами резания деталь колеблется свободно. Один из проводов, идущих к вибратору осциллографа, соединяется с резцом, изолированным от станка прокладками 4, и другой провод соединяется с исследуемой деталью посредством скользящего контакта.

Изменение величины термотока соответствует крутильным колебаниям.

Рис.2.8.3. Схема записи крутильных колебаний термоэлектрическим

методом

На рис 2.8.4 показаны кривые, соответствующие записи крутильных колебаний с помощью термоэлектрического датчика (кривая 2) и с помощью

62

проволочных датчиков (кривая 1), наклеенных на детали 1 в точке D (рис.2.8.3). Как видно из осциллограммы, кривые получаются аналогичными.

Рис.2.8.4. Осциллограммы крутильных колебаний детали и изменения

термоэлектродвижущей силы

Достоинством термоэлектрических датчиков является возможность записи высокочастотных вибраций.

Вопросы для самоконтроля по главе 2

1.Перечислите способы передачи тепла от одного тела к другому. Какие Вам известны температурные шкалы?

2.Объясните работу платинового термометра сопротивления, приведите типовые зависимости некоторых материалов от температуры. Укажите конструктивные особенности проволочных резистивных преобразователей.

3.Объясните как работает термистор. Каким уравнением описывается характеристика термистора в случае, когда известно его сопротивление при некоторой температуре?

4.Приведите уравнение Шокли. Какой параметр является информативном при измерении температуры с помощью полупроводникового диода?

5.В чем заключается физическая сущность термоэлектрического эффекта (эффекта Зеебека)? Объясните работу термопары. Какие материалы используются при изготовлении термопар? Приведите зависимости напряжения от разности температур.

6.Какие принципы положены в основу радиационного метода измерения температур? Объясните закон Стефана-Больцмана.

7.Опишите принцип работы радиационного пирометра, диапазон измеряемых температур, преимущества перед другими типами термопреобразователей, особенности конструкций.

63

ГЛАВА 3. ПРОВОЛОЧНЫЕ И РЕОСТАТНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.1. Проволочные датчики

Действие проволочных датчиков основано на изменении электрического сопротивления проводников при упругих деформациях растяжения и сжатия

[7].

Когда проволока подвергается деформации растяжения, то ее длина увеличивается, а поперечное сечение уменьшается, что вызывает увеличение сопротивления; при сжатии уменьшение длины и увеличение поперечного

сечения вызывают уменьшение ее сопротивления.
Основной	характеристикой	проволочных	материалов	является
относительная чувствительность датчика S, представляющая отношение
относительного изменения сопротивления R к относительной деформации

									R
l , т. е.
l
			R
S =		R				= S1 + S		2 ,	(3.1.1)
			l
		l
где R и l — сопротивление и длина чувствительного элемента датчика;
S1 — величина, характеризующая изменение геометрических размеров
проволоки;
S2— величина, характеризующая изменение электрических свойств
материала при деформациях.
В свою очередь, значения
S1	= 1 + 2μ ;
			ρc
S2 =			ρc				,
				l

l

64

где	µ — коэффициент Пуассона, который для металлов равен 0,2—0,4;
ρc —	удельное сопротивление.

Для большинства металлов величина S колеблется в пределах 1,48—1,8. Чувствительные элементы датчиков преимущественно изготовляют из

металлической проволоки.

Применяются также проволочные датчики с решетками из фольги. Они представляют собой весьма тонкую ленту из фольги, в которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную ниже на рис. 3.1.2, б решетку с выводами. Перед травлением на фольгу наносят светочувствительную эмульсию, затем на эмульсию контактным способом (с негатива) наносят отпечаток решетки, проявляют, окрашивают и дубят (делают стойким к травильной кислоте). Затем на обратную сторону фольги наносят слой лака и полимеризуют его. После этого фольгу травят, получая таким путем решетку из фольги, прикрепленную к пленке лака.

В качестве материала для проволочных датчиков используются:

константан (60% Cu + 40% Ni); нихром (80% Ni + 20% Cr);

железохромалюминиевый сплав № 2 (22,3% Cr + 4,8% Al + 0,035% Со + F —

остальное); манганин (84% Cu + 12% Mn + 4% Ni); хромель (65% Ni + 25% Fe + 10% Cr); платиноиридиевый сплав (95% Pt + 5% Ir) и др.

По своей конструкции проволочные датчики делятся на две группы:

ненаклеиваемые и наклеиваемые [2].

На рис.3.1.1 приведены примеры устройства некоторых типов ненаклеиваемых датчиков, а на рис.3.1.2 и 3.1.3 — наклеиваемых датчиков. Для изготовления этих датчиков применяется круглая проволока диаметром 0,015—0,06 мм. Бумага, употребляемая для основания и изоляции датчика, имеет толщину 0,02—0,05 мм.

65

Рис 3.1.1. Различные схемы ненаклеиваемых датчиков:

1 - проволока; 2 - изолятор; F - деформирующая сила

Рис. 3.1.2. Конструктивные схемы наклеиваемых датчиков с петлевым расположением витков: а- проволочный датчик; 1 - проволока; 2 - выводы; 3 - пайка или сварка; 4- бумага или лаковая пленка; 5 - клей;

б - фольговый датчик; 1 - фольга; 2 - выводы; 3- бумага

66

Рис. 3.1.3. Конструктивная схема наклеиваемого датчика с навитой проволокой: 1 - проволока; 2 - выводы; 3 - каркас из бумаги; 4 - склейка из каркаса; 5 - бумага

К проволочным датчикам предъявляются следующие требования: они должны иметь наибольшую относительную чувствительность, наименьший температурный коэффициент сопротивления, наибольшее удельное сопротивление, наибольшую механическую прочность и, наконец, наименьшую термоЭДС проволоки в паре с медью, так как выводы, припаиваемые к проволоке датчика, делаются из меди.

Рис.3.1.4. Характеристика проволочных датчиков для измерения

сложных деформаций

67

Рис.3.1.5. Примеры расположения проволочного датчика

В пределах упругой деформации чувствительность проволочных датчиков практически не зависит ни от величины деформации, ни от ее направления (растяжения или сжатия), и поэтому характеристика проволочного датчика линейная (рис.8.1.4).

Рис. 3.1.6. Проволочный датчик линейных микроперемещений

Для измерения вибраций, возникающих в различных направлениях, применяют так называемые датчики-розетки, состоящие из трех проволочных датчиков (рис.3.1.5).

Учитывая, что датчики должны безотказно следовать за быстрыми изменениями деформации, вплоть до многих тысяч колебаний в секунду, они

68

должны быть тщательно протарированы. Проволочные датчики сопротивления позволяют изучить колебания и динамические напряжения таких элементов машин и конструкций, которые для других способов измерений недоступны. Для измерения вибрации, ускорений применяется много различных приборов, основанных на проволочных датчиках. Так, на рис.3.1.6 изображен проволочный датчик линейных микроперемещений, применяемый для исследования динамических режимов работы механизмов и машин [8].

Продольный изгиб небольшой плоской пружины 3 из бериллиевой бронзы при воздействии перемещения на упругую мембрану 2 датчика является мерой перемещения. Последнее регистрируется проволочными датчиками 4, включенными в мостовую схему. Шарик 1 воспринимает измеряемое перемещение. Такая конструкция датчика может давать на осциллограмме, при соответствующих усилителе и вибраторе, увеличение перемещения конца пружины в 2000 раз.

Плоская пружина 3 имеет размеры 0,35×10×50 мм. Проволока датчика 4 изготовлена из константана Ø30 мк.

На рис.3.1.7 изображена принципиальная схема проволочного датчика ускорений и амплитуды вибрации типа ЭВА. Плоская фигурная пружина 5, на которой с обеих сторон наклеены проволочные датчики 1, установлена на амортизаторе 4 и связана с сейсмической массой 2. Эта система подвергается деформации при воздействии ускорения. Датчики включены в мостовую схему. Для получения сигнала, пропорционального амплитуде вибрации, введено звено двукратного интегрирования.

69