5. Оформити звіт.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1. Структурна схема термоелектричного термометра

Контактний термоелектричний термометр складається з таких основ­них елементів (рис. І): первинного вимірювального перетворювача -термоелектричного перетворювача (ТП), лінії зв’язку (ЛЗ) та вторинно­го електровимірювального приладу (ВП)).

Рис. І. Структурна схема термоелектричного термометра

Первинний перетворювач ТП вміщується в середовище, температура θ_х якого вимірюється, і перетворює неелектричну величину –температу­ру θ_х – в електричну –електрорушійну силу Е_θ, яка через лінію зв’язку ЛЗ подається на вторинний електровимірювальний прилад ВП. Прилад безпосередньо вимірює Е_θ, але оскільки вона пов’язана з θ_х відомою функціональною залежністю, то покази N_θ вторинного при­ладу відповідають значенням θ_х і його шкала може бути проградуйована в градусах Цельсія.

2. Термоелектричні перетворювачі

Принцип дії ТП грунтується на використанні термоелектричного ефекту Зеебека, суть якого полягає у виникненні термоЕРС Е_θ у колі, що складається з двох різнорідних провідників (так званих термоелектродів), при різниці температур θ_р і θ_в місця з'єднання електродів (так званого робочого злюту ТП) і розімкнених (так званих вільних) кінців ТП. При вимірюванні температури робочий злют ТП вміщується в середовище, температура якого має вимірюватися, а вільні кінці під'єднуються до вторинного приладу з допомогою здовжувальних термоелектродних дротів (ТЕП), які виготовляються або з того ж матеріалу, що й термоелектроди ТП, або з дешевшого, але з такою ж номінальною статичною характеристикою перетворення при невисоких температурах (до 100°С).

Значення термоЕРС Е_θ залежить від різниці температур робочого злюту θ_р та вільних θ_в кінців ТП, тобто Е_θ =f(θ_р–θ_в). Як матеріали для тормоелектродів найчастіше використовуються спеціальні сплави (хромель, алюмель, копель, платинородій, вольфрамреній) та чисті метали (мідь, платина). Відповідно до ГОСТ 6616-74 залежно від матеріалу термоелектродів є такі типи термоелектричних перетворювачів: ТХА (хром ель–алюмель), ТХК (хромель–копель), ТПП (платинородій-платина) та ін. У лабораторній роботі вико­ристовуються ТП типів ТХА і ТХК; їх основні технічні характеристики подано в табл. 1, а номінальні статичні характеристики перетворення (НСХП), тобто залежності Е_θ від температури робочого злюту θ_р при температурі вільних кінців θ_в= 0°С (за ГОСТ 3044-84) –у табл. 2. Основні характеристики відповідних здовжувальних термоелектродних проводів (ТЕП) наведено в табл. 3.

Таблиця 1

Основні технічні характеристики ТП типів ТХА і ТХК

Тип ТП	Умовне позначен­ ня НСХП	Максимальний ді­а­пазон вимі­рюван­ня темпе­ратури, 0°С	Клас допус­ ку	Діапазон вимірювання температури, 0°С	Межі допус­тимих відхи­лень від НСХП ±ΔθТП, 0°С
ТХА	ХА(K)	–250…1350	3	–250…–166,7	0,015·θ
				–166,7…–40	2,5
			2	–40…333,4	2,5
				333,4…1350	0,0075·θ
			1	–40…375	1,5
				375…1350	0,004·θ
ТХК	ХК(L)	–200…800	3	–200…–100	1,5+0,01·θ
				–100…100	2,5
			2	–40…300	2,5
				300…800	0,7+0,005·θ

Таблиця 2.

Номінальні статичні характеристики ТП типів ТХА і ТХК

Температура робочого злюту, 0°С		-50	0	20	50	100	150	200
Значення термо-ЕРС θр,0 при θв=0°С для ТП типу, мВ	ТХА (К)	-1,89	0,0	0,798	2,022	4,095	6,137	8,137
	ТХК (L)	-3,11	0,0	1,303	3,350	6,898	10,624	14,570

продовження таблиці 2

250	300	350	400	450	500	550	600	650
10,151	12,207	14,292	16,395	18,518	20,640	22,772	24,902	27,022
18,690	22,880	27,130	31,480	35,870	40,270	44,670	49,090	53,820

продовження таблиці 2

700	800	900	1000	1100	1200	1300
29,128	33,277	37,325	41,269	45,108	48,828	52,398
57,820	66,420

Таблиця 3.

Основні технічні характеристики стандартних здовжувальних ТЕП

Тип ТП	Додатний			Від’ємний			Позна­чення дроту		Значен­ня ЕТП, мВ при тем­пе ратурі θр=100°С		Допусти­ме відхи­лення ΔЕТПдоп, мВ
	Мате­ріал	Колір	Мате­ріал		Колір
ТХА	Мідь	Черво­ний, рожевий	Констан­тан		Корич­невий	МК		4,10		±0,15
ТХК	Хро­мель	Фіоле­то­вий, чорний	Копель		Жов­тий, Оран­жевий	ХК		6,95		±0,20

3.Вторинні вимірювальні прилади

3.1. Електронні автоматичні потенціометри.

Спрощена схема самописного автоматичного потенціометра показана на рис. 2,

Рис. 2. Спрощена електрична схема автоматичного потенціометра КСП-2

В основу його роботи покладено компенсаційний метод вимірю­вання термо-ЕРС Е_θ термоелектричного перетворювача ТП, робочий злют якого вміщується в середовище, температура θ_х. якого вимірюється, а вільні кінці з допомогою здовжувальних термоелектродних дротів ТЕП під’єднуються до затискачів E,F.

З рис. 2 видно, що термо-ЕРС Е_θ компенсується напругою U_AB=U_CB–U_CA, яка забирається з діагоналі АВ незрівноваженого моста, скла­деного з резисторів R_H, R_M, R_y, R_б та реохорда R_р, який живиться постійним струмом від джерела стабілізованого живлення (СT). Якщо термо-ЕРС Е_θ не дорівнює напрузі U_AB, то на вхід електронного під­силювача (ЕП) змінної напруги через перетворювач сталої напруги в змінну надійде напруга небалансу ΔU=U_AB– Е_θ , яка після підсилен­ня подається на керуючу навивку (КН) реверсивного двигуна (РД), ви­кликає обертання його ротора та від­повідне переміщення контакту реохорда В, пов’язаного з ним механічно, до тих пір, поки термо-ЕРС Е_θ не буде скомпенсована напругою U_AB. З рухомим контактом пов’я­зані вказівник потенціометра і записуюче перо. Кожному значенню θ_х, відпо­ві­дає пев­не значення Е_θ , тобто певне положення контакту В і вказівника. То­му шкала приладу може бути проградуйована в градусах Цельсія. Зміна температури в часі записується на діаграмному папері.

Температура θ_в вільних кінців ТП, під’єднаних до затиска­чів E,F, що розміщені на приладі, може змінюватися. Щоб це не ви­кликало похибки вимірювання темпера­тури (адже, як відомо, зі змі­ною θ_в змінюється також Е_θ ), у схему потенціометра вве­дено термозалежний мідний резистор R_M, який розміщується поряд з затис­качами E,F так, щоб його температура завжди дорівнювала температу­рі θ_в вільних кінців ТП. Унаслідок цього при зміні θ_в і відповідній зміні Е_θ одночасно змінюється опір R_M. Це в свою чергу викликає зміну напруги U_AB, що дорівнює зміні Е_θ . Контакт В реохорда при цьому – не переміщується. Отже, покази приладу не залежать від температури θ_в вільних кінців ТП.

Покази потенціометра практично не залежать від опору ТП і термоелектродних дротів, оскільки в момент компенсації ЕРС напругою U_AB в колі ТП струм відсутний. Проте надмірне збільшення цього опору є недо­пустимим через зниження чутливості приладу до зміни вимірюваної ЕРС, тому згідно зі стандартом ГОСТ 7164-78 сумарний опір ТП і ТЕП не повинен переви­щувати 200 Ом.

Вітчизняною промисловістю випускаються автоматичні потенціометри класів точності 0,25; 0,5; 1,0, для яких межі допустимої основної по­хибки встановлюються у вигляді допустимої основної зведеної похибки

, (1)

де ΔU_доп - допустиме значення основної абсолютної похибки, мВ; U_норм– різниця термоелектрорушійних сил термоелектричного перетворювача, які відповідають кінцевій та початковій позначкам шкали приладу (так зване нормуюче значення), мВ; k –клас точності приладу.

Варіація показів потенціометрів не повинна перевищувати 0,2 % нормуючого значення для приладів класу точності 0,25 і половини ΔU_доп – для приладів класів точності 0,5 і 1,0.

Автоматичні потенціометри випускаються одно- та багаготочковими; в одно­точкових може встановлюватися реостатний пристрій для дистан­ційної передачі показів, а також сигналізуючий (позиційний регулюю­чий) пристрій.

2.3.2. Цифрові вимірювальні прилади (ЦВП).

Цифрові вимірювальні прилади мають вищі, ніж аналогові автома­тичні прилади швидкодію й точність. Вони дають змогу не тільки вимі­рювати температуру, а й сигналізувати про її відхилення від заданого значення і перетворювати покази у вихідний двійково-десятковий код, який може використовуватися для цифрової реєстрації результатів вимі­рювань та їх опрацювання з допомогою ЕОМ.

Рис. 3. Спрощена структурна схема цифрового термоелектричного термометра з ТП

У лабораторній роботі для вимірювань температури з допомогою ТП застосовуються цифрові вимірювальні прилади типу А565. Спрощена структурна схема цифрового термоелектричного термомет­ра з ТП показана на рис. З.

Робочий злют ТП вміщується в середовище, температура θ_x якого вимірюється, а вільні кінці з допомогою ТЕП під’єднуються до затиска­чів А,В приладу. Щоб компенсувати вплив зміни температури вільних кінців, до ТП послідовно під’єднується схема СК компенсації (СК) зміни термо-ЕРС термоперетворювача, викликаної зміною температури θ_в вільних кінців ТП, яка до термо-ЕРС Е_θр,θв додає напругу, що дорівнює Е_θр,0 (тут і надалі ін­дексами при Е, розділеними комою, позначено температуру відповідно робочого та вільних кінців ТП).

Таким чином, напруга U_x= Е_θр,θв+ Е_θв,0= Е_θр,0 між точками С, D), яку фактично вимірює прилад, не залежить від зміни температури вільних кінців ТП. Напруга U_x підсилюється підсилювачем сталої напруги (ПСН) і надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача АЦП, де перетворю­ється в імпульси, кількість яких n_х є пропорційною до U_x.

Оскільки залежність термо-ЕРС Е_θ і, отже, U_x від температу­ри θ_x, є нелінійною, то у цифровому термометрі передбачено блок лінеаризації (БЛ). Він нелінійно пере­тво­рює кількість імпульсів n_х, пропор­ційну до напруги U_x, у кількість імпульсів n_х, пропорційну до температури θ_x. Остання індукується в блоці цифрової індикації (БЦІ) в градусах Цельсія.

2.4. Похибки вимірювання температури термоелектричними термометрами .

Граничне значення похибки вимірювання температури θ_x за допо­могою ТП і ВП (автоматичного потенціометра або ЦВП, °С:

(2)

де Δθ_ТПгр, Δθ_ТЕПгр, Δθ_ВПгр – граничне значення похибок від­повідно термо­пере­творювача, (ТП), здовжувальних дротів (ТЕП) і вторинного вимірювального приладу (ВП), °С.

Похибка Δθ_ТПгр має дві складові - інструментальну, яка зумов­лена відхиленням дійсної статичної характеристики перетворення ТП від номінальної, і методичну, яка виникає через відхилення температури θ_р робочого злюту ТП від температури θ_x, яку потрібно виміряти, Значен­ня методичної похибки залежить від умов теплообміну між робочим злютом ТП і навколишнім середовищем. Особливо великого значення ця по­хибка може досягти при вимірюванні нестаціонарних температур, коли, через інерційність термоперетворювача, температура його робочого кінця не встигає змінюватися так, як змінюється θ_x. На практиці цю похибку намагаються звести до припустимого мінімуму, застосовуючи відповідну конструкцію ТП і так встановлюючи його на об"єкті, щоб забезпечити максимальне вирівнювання температур θ_р і θ_x.

У цьому разі при оцінці Δθ_ТПгр можна враховувати тільки інструментальну скла­до­ву, яка дорівнює граничному відхиленню дійсної НСХП від номінальної (ГОСТ 3044-84), наведеному в табл. І.

Похибка, зумовлена відхиленням ЕРС здовжувальних ТЕП від номі­нального значення, °С:

(3)

де ΔЕ_ТЕПгр – допустиме відхилення термо-ЕРС ТЕП від номінальної статичної характеристики (див. табл. 3); S_ТЕП – чутливість ТЕП в області температури вільних кінців θ_в, мВ/°С;

^, (4)

де ΔЕ_ТЕП, Δθ – відповідно приріст термо-ЕРС ТЕП в області температури вільних кінців і приріст температури (див. табл. 3).

При використанні автоматичного потенціометра граничне значення похибки ВП, °С

(5)

де ΔU_доп – граничне допустиме значення абсолютної похибки автоматичного моста, що визначається з (1), мВ; S_ТП -чутливість ТП в облас­ті температури θ_x, мВ/°С,

(6)

де ΔЕ_ТП, Δθ – відповідно приріст ЕРС ТП в області точки θ_x і приріст температури (див. табл. 2).

Для ЦВП типу А555 значення похибки Δθ_ВПгр розраховується за табл. 4 та граничним допустимим значенням основної відносної похибки. ЦВП, %:

(7)Δ

де θ_к - більша з меж вимірювання, °С; θ - показ приладу, °С.

Таблиця 4

Технічні характеристики ЦВП типу А565

Тип ТП	Діапазон вимірюван­ня температури, °С	Клас точності	Дискретність показів °С
ТХА	0...І300	0,1/0,06	0,2
ТХК	-50...800	0,15/0,05	0,1
ТПП	0...1600	0,25/0,2	1
ТПР	1000...1800	0,2/0,15	1

ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ

1. Експериментальне визначення основної похибки та варіації показів автоматичного потенціометра і ЦВП

1.1. Загальні відомості

Для.експериментального визначення основної похибки та варіації показів вторинного приладу (автоматичного потенціометра, ЦВП ) до нього слід замість ТП під’єд­нати зразкову міру напруги і, регулюючи значення напруги, встановити на відліковому пристрої приладу переві-рюваний показ. Абсолютна похибка приладу

ΔU = U_ном– U_N

де U_ном –номінальне значення напруги, яке відповідає перевіюваному показу;

U_N,- дійсне значення напруги, відраховане за зразковою мірою.

Значення напру­ги, що відповідають показам вторинних приладів, як було показано, автоматично ко­рек­туються відповідно до відхилення від 0°С температури θ_в вільних кінців (вхідних затискачів).

Тому

U_ном=Е_θр,θв = Е_θр,0 – Е_θв,0 ,

де Е_θр,0 , Е_θв,0 – значення ЕРС ТП згідно з НСХП (див. табл. 2), що відповідають перевірюваному показу приладу θ_р і температурі θ_в.

Достатньо точне визначення температури θ_в. вхідних затискачів приладу є складною, задачею. Тому на практиці для визначення основної похибки та варіації показів вторинних приладів, у яких передбачено компенсацію впливу температури вільних кінців ТП, переважно засто­совують схему, показану на рис. 4. Ця схема використовується також для перевірки працездатності вторинних приладів.

Рис. 4. Схема визначення- основної похибки та варіації показів автоматичного потенціометра та ЦВП типу А565.

За схемою вхідні затискачі приладу, що перевіряється, з'єднані з затискачами X зразкового потенціометра П_N (який виконує роль зразкової міри напруги) з допомогою термоелектродних проводів ТЕП, злютованих в пунктах a i b з мідними дротами (МП). Кінці ТЕП, що під'єд­нані до вхідних затискачів псревірюваного приладу, мають температу­ру θ_в, а інші і (a i b) поміщені в термостат, де підтримується темпера­тура , яка вимірюється за допомогою ртутного термометра. Внаслідок цього термоелек­тродні проводи (ТЕП) генерують ЕРС Е_θв,θТ , пропорційну до різни­ці температур θ_в – θ_Т, що віднімається від напруги зразкового потен­ціометра. Тому

U_ном= Е_θр,θТ= Е_θр,θТ– Е_θТ,0,

де Е_θТ,0 - значення термо-ЕРС термоперетворювача, що за НСХП відпові­дає температурі θ_Т (див. табл. 5).

Таблиця 5

Номінальні статичні характеристики ТП типів ТХА і ТХК

Температура робочого злюту, 0°С			15		16		17		18		19		20		21		22
Значення тер­мо-ЕРС θр,0 при θв=0°С ТП , мВ	ТХК	0,973		1,039		1,105		1,171		1,237		1,303		1,37		1,437
	ТХА	0,597		0,637		0,677		0,718		0,758		0,798		0,838		0,879

продовження таблиці 5

23	24	25	26	27	28	29	30
1,524	1,571	1,638	1,705	1,772	1,840	1,908	1,976
0,919	0,960	1,00	1,041	1,081	1,122	1,163	1,203

1.2. Вимоги до зразкового потенціометра

Зразковий потенціометр П_N повинен забезпечувати вимірювання напруг Е_θп...Е_θк, що відповідають діапазонові вимірювання θ_п...θ_к досліджуваного вторинного приладу, з абсолютною похибкою.

Тип прила­ ду	Діапазон вимі­ рювань напруги, мВ	Граничне допустиме значення основної похибки, В	Крок квантуван­ ня UквП
ПП-63	0…25 на межі «×0,5»	ΔUП=±(5·10^-4U+ 0,5UквП) U-показ потенціометра В UквП–крок квантування В	2,5·10^-^5B на межі «×0,5»
	0…50 на межі «×1»		5·10^-^5B на межі «×1»
	0…100 на межі «×2»		10^-^4B на межі «×2»
Р4833	0…111,1	ΔUП=±5·10^-4(U+ 0,03) U-показ потенціометра В	1·10^-^5B

(9)

де ΔU_доп – граничне допустиме значення основної абсолютної похиб­ки досліджуваного вторинного приладу, мВ,

Таблиця 6.

Технічні характеристики зразкових потенціометрів

Для автоматичного потенціометра ΔU_доп визначається з (І), а для ЦВП

ΔU_доп=Δθ_ВПУдоп S_ТП (10)

де Δθ_ВПдоп - граничне допустиме значення основної абсолютної по­хибки ЦВП, що визначене за табл.4 при температурі θ= θ_к,°С, S_ТП – чутливість ТП, визначена з (6) при температурі θ_х= θ_к мВ/°С.

Крок квантування напруги зразкового потенціометра П_N не повинен перевищувати значення

(11)

Технічні характеристики зразкових, потенціометрів, що можуть ви­користо­ву­ва­тися в цій роботі, наведено в табл. 6.

Вибираючи конкретний потенціометр, треба переконатися, чи задо­вольняють наведені раніше умови таким його параметрам: діапазону ви­мірювань напруги, граничному значенню основної похибки та кроку кван­тування.

1.3. Перевірка працездатності та визначення основної похибки й варіації показів автоматичного потенціометра.

Перед початком експерименту необхідно підготувати до роботи зраз­ковий потенціометр П_N згідно з інструкцією щодо експлуатації, зокре­ма встановити його робочий струм.

При перевірці працездатності автоматичного потенціомегра П_х ка зразковому потенціометрі треба встановити напругу, що дорівнює Е_θп , а потім збільшувати її так, щоб стрілка автоматичного приладу пройшла по всій шкалі від початку до кінця (без жодних механічних затирань).

Для визначення основної похибки й варіації показів автоматичного потен­ціометра необхідно:

1) на зразковому потенціометрі встановити таку напругу, щоб стрілка автома­тич­ного потенціометра була на кілька міліметрів зліва від перевірюваної позначки шкали θ_р;

2) плавно збільшуючи напругу, сумістити стрілку приладу з перевірюваною позначкою θ_р і прочитати показ зразкового потенціометра U_N1 мВ;

В) на зразковому потенціометрі встановити таку напругу, щоб стрілка автоматичного потенціометра була на кілька міліметрів справа від перевірюваної позначки θ_р шкали;

4) плавно зменшуючи напругу, сумістити стрілку приладу з перевірюва­ною познач­кою шкали θ_р і прочитати показ зразкового потенціометра U_N2 мВ. Значення U_N1 та U_N2 записати в табл. 7.

Таблиця 7

Результати експериментального визначення основної похибки та варіації показів автоматичного потенціометра типу КСП-2

Переві­рюва­ний по­каз θр, °С

Тип ТП

ЕРС ТП за НСХП Еθр,0, мВ

Температура холодних кінців θТ, °С °С

ЕРС ТП за НСХП при температурі θТ ЕθТ,0, мВ

Uном, мВ

UN1, мВ

UN2, мВ

ΔUmax, мВ

ΔUдоп, мВ

ΔUВ, мВ

ΔUВдою, мВ

За основну похибку автоматичного потенціометра на даній познач­ці θ_р шкали береться ΔU_max - більше з двох отриманих значень ΔU₁ або ΔU₂ :

ΔU₁= U_ном– U_N1; ΔU₂= U_ном– U_N2 (12)

де U_ном –номінальне значення напруги, що відповідає даній перевірюваній позначці θ_р, та визначене з (8), мВ.

Значення ΔU_max не повинно перевищувати ΔU_доп, а варіація показів автоматич­ного 'потенціометра не повинна перевищувати

1.4. Перевірка працездатності та визначення основної похиб­ки ЦВП.

Підготувати до роботи цифровий прилад А565, для чого ввімкнути кнопку "Сеть" і прогріти прилад. Після прогрівання натиснути кнопку "Калибр". На інди­каторному табло має засвітитися число, записане під цією кнопкою. Якщо засвічене число відрізняється від записаного біль­ше як на ±2 одиниці наймолодшого розряду, то обертанням осі під кноп­кою його треба відкоректувати.

При перевірці працездатності ЦВП А565 напругу на зразковому по­тенціометрі погрібно поступово збільшувати від значення Е_θп до Е_θк і переконатися, що в кожному з розрядів цифрового табло засвічується кожна з цифр від 0 до 9.

Для визначення основної похибки ЦВП А565 необхідно:

1. за формулою (8) розрахувати U_ном для заданого перевірюваного показу ЦВП температури θ_р;

2. встановити на зразковому потенціометрі напругу, що дорівнює U_ном;

3. записати в таблицю 8 показ θ_пок цифрового приладу.

Таблиця 8

Результати експериментального визначення основної похибки цифрового вимірювального приладу А565

Переві­рюва­ний по­каз θр, °С	Тип ТП	ЕРС ТП за НСХП Еθр,0, мВ	Температу­ра хо­лод­них кін­ців ТП θТ, °С	ЕРС ТП за НСХП при температурі θТ ЕθТ,0, мВ	Uном, мВ	Показ прила­ду θпок,°С	ΔθВП, °С	ΔθВПдоп, °С
1	2	3	4	5	6	7	8	9

Основна похибка ЦВП визначається так : Δθ_ВП= θ_пок– θ_р

Значення Δθ_ВП не повинно перевищувати Δθ_ВПдоп , визначеного за формулами таблиці 4 при температурі θ= θ_р. Варіація показів ЦВП А565 не визначається, оскільки вона відсутня.

2 Вимірювання температури з допомогою термоелектричного перство­рю­вача і заданого вторинного приладу

Для вимірювання температури вздовж осі печі з допомогою термо­ефект­ричного перетворювача та заданого вторинного приладу(КСП-2 або А565) потрібно не вміщуючи термоелектричний перетворювач ТП в піч , ввімкнути лабораторний автотрансформатор в мережу, встановити за вольтметром задану напругу і прогріти піч протягом заданого часу; ТП за допомогою термоелектронних дротів ТЕП під’єднати до заданого вторинного приладу (КСП-2 або А565). Робочий злют термоперетворювача вмістити в піч та раз за разом встановлювати його в заданих пунктах вздовж осі печі.

Для кожного положення ТП в печі за показом вторинного приладу відчитати значення температури і записати в таблицю. За результатами вимірювань побудувати графік розподілу температури вздовж осі печі

ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Завдання.

2. Обґрунтування вибору зразкового потенціометра.

3. Робочі схеми, застосовані при дослідженнях вторинних приладів та вимірюванні температури.

4. Технічні характеристики використаних засобів вимірювань.

5. Таблиці результатів експериментів(табл.7,8).

6. Формули, за якими обчислювалися значення величин, що входять до таблиць(у загальному вигляді та з числовими прикладами).

7. Графік залежності .

8. Висновки.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Поясніть принцип дії автоматичного потенціометра для вимірювання температури з допомогою ТП.

2. Як в автоматичному потенціометрі усувається вплив коливань температури вільних кінців термоелектричного перетворювача на результат вимірювання температури?

3. Поясніть принцип дії ЦВП для вимірювання температури з допомогою ТП.

4. Які складові має похибка вимірювання температури з допомогою ТП та автоматичного потенціометра або ЦВП?

5. Як визначаються основна похибка та варіація показів вторинного приладів, що працюють з ТП?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 12

ВИЗНАЧЕННЯ ФУНКЦІЇ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТА ЧУТЛИВОСТІ ТЕНЗОРЕЗИСТОРІВ

Мета роботи – вивчити принцип дії тензорезисторів, ознайомитись з їх ос­новними характеристиками та засвоїти методику визначення функції перетво­рення та чутливості.

ЗМІСТ РОБОТИ.

1. Вивчити принцип дії тензорезисторів.

2. Ознайомитись із основними характеристиками тензорезисторів і іх різновидами.

3. Розробити методику визначення функції перетворення та чутливості тензорезистора.

4. Ознайомитисъ із завданням і виконати необхідні розрахунки, виконати експерименти згідно з завданням.

6. Оформите звіт.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ.

Робота тензорезисторів базується на тензорезистивному ефекті (власти­вос­ті провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при їх механічній деформації під дією зовнішніх навантажень). Це явище можна вико­ристовувати для вимірювання деформацій різноманітних об’єктів , якщо при­му­сити провідник чи напівпровідник деформуватись разом із об'єктом, наприк­лад, внаслідок приклеювання, Оскільки деформація викликається зовнішніми на­вантаженнями, то тензорезистори використовуються для вимірювання ве­ли­чин, які спричинюють деформацію або так чи інакше з нею пов’язані , як, на­приклад, сила, момент, прискорення, тиск, та ін.

Електричний опір чутливого елемента тензорезистора

, (1)

де ρ –питомий опір матеріалу чутливого елемента тензорезистора;

l , S - відповідно довжина та площа поперечного перерізу провідника цього еле­мента.

Під дією зовнішніх навантажень тензорезистор деформується в в межах пружної деформації, тобто в нього змінюються геометричні розміри l , S, а та­кож структура матеріалу, що спричиняє зміну ρ

Відносна зміна опору тензорезистора описується такою залежністю

, (2)

де, Δρ Δl, ΔS – абсолютні зміни відповідних параметрів під дією наванта­ження.

У межах справедливості закону Гука, коли сили деформації пружного тіла є пропорціональними до прикладеної сили, відносна поперечна зміна діаметра провідника, з якого виготовлено тензорезистор

,

де Δd –абсолютна зміна вказаного діаметра, пов’язана з відносним поздовжнім видовженням залежністю

, (3)

де μ - коефіцієнт Пуассона; знак "–" свідчить про протилежність на­пря­мків вказаних змін (якщо провідник розтягується , то діаметр зменшу­ється , і навпаки).

Враховуючи (3), одержуємо

(4)

Тоді вираз (2) зводиться до вигляду

(5)

Основна характеристика тензорезистора - статична функія перетворення , яка при невеликих змінах є лінійною, а чутливістъ тензорезистора - постійною;

(6)

Вираз (6) містить у собі дві складові

(1+2μ), обумовлену зміною опору тензорезистора внаслідок зміни геометричних розмірів його чутливого елемента;

, обумовлену зміною питомого опору матеріалу чутливого елемента, спричиненого зміною його фізичних властивостей.

Для виготовлення чутливого елемента використовуються провідники і напів­провідники.

Для провідників <(1+2μ), тому чутливість металевого тензорезистора визначається переважно першою складовою і перебуває в межах значень 0,7...4,0.

Для напівпровідників >>(1+2μ), тому чутливість тензорезистора і має величину в діапазоні від 50 до 200 залежно від орієнтації чутливого еле­мента відносно кристалографічних напрямків напівпровідника. Для напівпро­від­ників n-типу чутливість має знак "+" а p-типу –знак "-".

Найчастіше тензоперетворювачі виготовляють у вигляді приклеюваних дротяних , фольгових і плівкових тензорезисторів.

На рис.1. а зображено дротяний тензорезистор. На ізоляційну ос­нову 2 з тонкого паперу чи лакової плівки (основи) клеєм або лаком прикріплюють дротяну решітку 3, викладену зигзагоподібно тонким дротом діаметром 0,01...0,03 мм.

Рис.1. Конструкції тензорезисторів: а)– дротяний, б)– фольговий.

До кінців чутливого елемента прилютовують чи приварюють вивідні про­відники із металічної фольги або дроту для з єднання тензорезистора з вимірю­вальною схемою. Зверху решітка покрита лаком.

У фольгового тензорезистора рис.1.б. решітку 3 виконано з фоль­ги завтовшки 4...15 мкм , яка також приклеюється до лакованої ос­нови 2. Дротяні тензорезистори виготовляють із матеріалів з великою чутливістю і ве­ликим питомим електричним опором , малим температурним кое­фіцієнтом опо­ру ТКО, високою часовою стабільністю. Найчастіше за­стосовують констан­тан (k = 1,9...2,1), ніхром (k = 2,І…2,3) і елінвар (k = 0,7 …3,8) рідше – платиноро­дій (k =5,1… 5,5) карм k = (2,1…2,2) ізопластик (k = 3,6).

Довжина l , яку займає дріт чи фольга тензорезистора (рис.1) називається вимірювальною базою. Дротяні тензорезистори найчастіше мають базу 3…30 мм і номінальний опір 20…600 Ом, Відхилення опору всередині серії перетво­рювачів, як правило, не перевищує ±0,5% від номінального значення, а чутли­вості - 2%,

Найчастіше фольгові тензорезистори виготовляютьі з константанової фольги завтовшки 5, 10,12, 15 мкм методом фотолітографії. Завдяки порівняно великій площі контактування чутливого елемента тензорезистора з досліджува­ним об'єктом його тепловіддача значно більша, ніж у дротяного. Це дозволяє живити фольгові тензорезистори значно більшим струмом і отримувати знач­ніші вимірювальні сигнали. Крім цього, поперечна чутливість до деформацій, направ­лених перпендикулярно до головної осі тензорезистора, у таких тензо­резисторів невелика.

Останнім часом широко розповсюджені плівкові тензорезистори , ви­готовлені вакуумним випарюванням тензочутливого матеріалу з наступною конденсацією його на основу. Плівкові тензорезистори виготовляють як з провідників, так і з напівпровідників .

Основна перевага напівпровідникових резисторів - їх висока чут­ливість і малі габаритні розміри, а недолік - залежність чутливості від температури.

До основних характеристик тензорезисторів, крім вказаних: бази, но­мінального опору, статичної характеристики і чутливості, належать повзучість, механічний гістерезис , гранична деформація, функція впли­ву температури на чутливість, допустимий вимірювальний струм та ін.

Повзучість приводить до зміни вихідної величини тензорезистора в часі при незмінній деформації;

, ( 7)

де - зведена до входу зміна вихідної величний при заданій від­носній деформації . Причиною повзучості є неідеальність властивостей основи і клею. Для більшості тензорезисторів вона не перевищує (0,5…1,0)% за першу годину після приклеювання і відповідно 1,0…1,5% – за 6 год.

Механічний гістерезис , як і повзучість, обумовлений якістю ос­нови і клею. Він визначається як різниця вихідних величин тензоре­зистора, отрима­них для од­ного і того ж значення деформації при плав­ному її збільшенні та при плав­ному її зменшенні до заданого значення.

Гранична деформація - максимальна допустима деформація, зумовле­на тим. що матеріал тензорезистора можна деформувати лише в межах пружної де­форма­ції. Згідно з законом Гука механічне напруження в ма­теріалі

де Е - модуль пружності матеріалу чутливого елемента. З урахуванням реаль­них значень, σ i E для тензорезистивних матеріалів гранична деформація у про­відникових тензорезисторів, як правило, не перевищує 1%, а у напівпровідни­ко­вих.–0,1%.

Допустима сила вимірювального струму - максимальна сила струму, що про­тікає через тензорезистор , при якому його перегрівання не переви­щує заданого значення (звичайно струм є 5…І00 мА залежно від конструкції та номіналь­но­го опору тензорезистора).

Зміна температури оточуючого середовища приводить до змін опору тен­зо­резистора , а також його чутливості. Для металевих тензорезисторів темпера­турний коефіцієнт чутливості малий (≈0,00003 K^-1 ) а для напівпро­від­никових він становить (≈0,0016 K^-1).

Зміна опору тензорезистора при зміні температури зумовлена двома фак­то­рами: температурним коефіцієнтом опору матеріалу чутливого елемента тен­зорезистора і додатковими механічними деформаціями тензорезистора в через відмінність значень температурного коефіцієнта лінійного розширення матеріа­лів об'єкта та тензорезистора .

Зміна опору тензорезистора зумовлена зміною температури на Δθ:

/9/

" Позірна" деформація

. /10/

де α- ТКО матеріалу чутливого елемента; R - номінальний опір тензоре­зис­тора; β_д, β_п – температурний коефіцієнт лінійного розширення матеріалу деталі, до якої приклеєно тензорезистор ,і тензорезистора відповідно.

ТКО константану в залежності від домішок-може мати довільне значення в діапазоні ±30·10^-6К^-1_, а у відносно невеликому діапазоні температур ТКО за­без­печується з похибкою ±(0,5…1,0)·10^-6К^-1. Це дозволяє виготовляти термо­компенсовані тензорезистори, “позірна” деформація яках у діапазоні темпера­тур 20…100°С не перевищує 1,5·10^-6К^-1 _, що при вимірюванні досить великих де­формацій ε_l=10^-2 (ε_l=1%) приводять до відносної температурної по­хибки 0,00015 К^-1 (0,015% К^-1)

Особливістю приклеюваних тензорезисторів ‘ те, що вони не можуть бути переклеєні з об`єкта на об`єкт , i тому не завжди можна знати дійсну статичну ха­рактеристику перетворення даного конкретного тензорезистора, і цьому ви­падку визначають чутливість одного чи декількох тензорезисторів з тієї ж пар­тії та приписують це значення всім її тен­зорезисторам. Похибка від неіден­тич­ності перебуває в діапазоні 1…5%. Якщо ж є можливість проградуювати тен­зо­резистор безпосередньо на об`єкті , то похибка вимірювання може бути зниже­на до десятих до­лей відсотка.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Суть вимірювань полягає в наступному. Два досліджуваних однотипних тензорезистори R_п приклеюють до двох різних боків балки з однаковим опором згину, тобто такої балки, для якої відносне видовження не залежить від місце­пе­ребування тензорезистора вздовж довжини L. Мікрогвинтом МГ здійснюють прогин балки, який вимірюють мікрометром М.

При відомих параметрах балка та виміряному прогині визначають віднос­не видовження довільного елемента на поверхні балки, а отже, й тензо­ре­зис­тора:

(11)

де h_0, L - відповідно товщина та довжина балки.

Відносну зміну опору ε_R тензо­ре­зистора можна виміряти, наприклад з до­по­мо­гою незрівноваженої мостової схеми

Схема містить два тензорезистори R_п1 і R_п2 ,приклеєні з різних боків бал­ки, і два магазини опорів R₁ та R₂ , одним з яких зрівноважують схему при від­сут­ності деформації, регульований блок стабілізованого живлення та цифровий мілівольтметр mV . Опори R₁ i R₂ вибирають виходячи з можливості зрівнова­ження схеми при відсутності деформації.

Рис. 3. Схема вимірювання відносної зміни опору тензорезисторів

Зміна напруги в діагоналі мілівольтметра зумовлена зміною опору ΔR_i одного з плечей моста R_i (тензорезистора чи магазину):

, (І2)

де U_CT- напруга живлення мостової схеми.

Отже, при відомих напрузі живлення U_CT, опорі молодшої декади магазину опо­рів ΔR_min та дискретності молодшого розряду цифрового мілівольтметра ΔU_д опори R₁ i R₂ визначаються як:

, (13).

При згині балки опір одного тензорезистора збільшується, а дру­гого змен­шується. Оскільки в схемі вони ввімкнені в суміжні плечі моста, то згідно з (12) напруга в діагоналі мілівольтметра буде в два рази більшою:

, (14)

звідки

, (15)

Напругу живлення вибирають виходячи з допустимого струму що проті­кає через тензорезистор:

, (16)

ЗАВДАННЯ.

1. Розрахувати напругу живлення мостової схеми з двома тензорезисто­рами та вибрати межу вимірювання цифрового мілівольтметра для визначення чутливості тензорезистора , якщо задано:

• номінальні опори тензорезисторів R_п1, R_п2

• допустимий струм, що проходять через тензорезиотор I_доп

• прогин балки f.

• приблизну чутливість тензорезистора k

• параметри балки L i h₀ задані на макеті.

2. Розрахувати опори магазинів опорів R₁ i R₂ , якщо задано дискретність молодшої декада магазину опорів .

3. Експериментально визначити функцію перетворення тензорезистора та його чутливість.

ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ.

1. Згідно з завданням розрахувати напругу живлення мостової схеми за (16).

2. Виходячи а максимального заданого прогину балки f орієнтовної чут­ливості k тензорезистора , визначити вихідну напругу мостової схеми та вибрати границю вимірювання цифрового мілівольтметра при обчисленнях скористатись (6), (11) і (14).

3. Враховуючиі опір молодшої декади магазину опорів і дискретність молодшого розряду цифрового мілівольтметра, розрахувати опори R₁ i R₂ .

4. На виході блоку живлення з допомогою цифрового вольтметра встановити роз­раховану напругу.

5. Зібрати схему згідно з рис. 3. На магазинах опорів встановити обчислені рані­ше значення R₁ i R₂ .

6. Повертаючи мікро гвинт розвантажити балку.

7. Ввімкнути живлення схеми та з змінюючи опори R₁ або R₂ дозрівнова­жи­ти міст, тобто отримати показ “0” мілі­вольтметра, бо при вста­новленні роз­ра­хованих значень R_п1= R_п2 міст не буде повністю зрівноваженим, оскільки R_п1 ли­ше приблизно дорівнює R_п2.

8. Повертаючи^-мікрогвинт здійснити задані прогини балки та отримати покази мілівольтметра. Дані внести в табл.1.

Таблиця.1.

№	f, мм	δf, %	εl	δεl, %	UCT, B	δUCT, %	UmV, мB	δUmV, %	k	δk, %

9. Розрахувати ε_l і ε_R за (11) і (15), а також відносні по­хибки визначення цих—величин δ_εl і δ_εR:

(похибками визначення h₀ i L знехтуємо);

де - похибка установки стабілізованого живлення; c/d- клас точності мілівольтметра; U_K- межа вимірювання мілівольтметра.

Побудувати графік залежності

10. Обчислити значення чутливості для кожного прогину згідно з (6) та похибки вимірювання - k :

11. Визначити середню чутливість ,

де k_i - чутливість у кожній окремій точці (для заданого прогину балки);

n - кількість цих точок, а також середнє квадратичне відхилення

12. Записати для заданої гарантійної ймовірності Р результату вигляді.

де ε-гарантійна границя похибки при заданій імовірності Р ; ε=tσ; t - коефіцієнт Ст’юдента, який є функцією кількості ви­мірювань та гарантійної ймовірності.

13. Зробити висновки про роботу.

ЗМІСТ ЗВІТУ.

І. Зміст роботи.

2. Завдання.

З. Попередні розрахунки.

4. Схеми вимірювання, які використовувались при виконанні експе­рименту.

5.Технічні характеристики використаних засобів вимірювань (назва та тип границі вимірювання, максимальне число поділок одиниця мо­лодшої декади , клас точності, заводський номер, рік випуску та ін.).

6. Таблиці результатів.

7. Формули, за якими визначались розрахункові величини в таблицях.

8. Статична характеристика тензоперетворювача (побудувати).

9. Визначення середньої чутливості та оцінка похибки .

10. Висновки про роботу.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ.

1. Поясніть принцип дії тензорезистора та назвіть його основні харак­терис­тики.

2. Які матеріали використовуються для виготовлення чутливих елементів тензорезисторів?

3. Яка різниця між напівпровідниковими та металевими тензорезисто­ра­ми?

4. Які джерела похибок тензорезисторів?

5. Чим зумовлена гранична деформація тензорезисторів?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Основи метрології та вимірювальної техніки: Підручник: У 2 т./ М. Дорожовець, В. Мотало, Б. Стадник, В. Василюк, Р. Борек, А. Ковальчик; За ред. Б. Стадника. – Львів: вид-во НУ "Львівська політехніка", 2005

2. , М.М. Дорожовець, Б.І. Стадник, О.В. Івахів, Т.Г. Бойко, А. Ковальчик: Засоби та методи вимірювань неелектричних величин: Підручник: /За ред. проф. Є.С. Поліщука. – Львів: вид-во "Бескид Біт", 2008.

3. Левина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин.-Л.: Энергоатомиздат. 1989.

4. Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювання неелектричних величин.:Підручник–Львів: вид-во НУ "Львівська політехніка", 2000.

5. Измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Н.Н.Евтухиева, М., "Энергоиздат", 1990.

Навчальне видання