Сапожников А.И., Нечаев М.А., Образцов К.В. Элементы систем автоматики: лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Возникновение термо-ЭДС объясняется наличием свободных элек-

тронов в металлах. Эти свободные электроны хаотически движутся ме-

жду положительными ионами, образующими остов кристаллической

решетки. В разных металлах свободные электроны обладают при одной

и той же температуре разными скоростями и энергиями. При соедине-

нии двух разнородных металлов (электродов) свободные электроны из

одного электрода

проникают в другой. При этом металл с большей

энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следо-

вательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей

энергией свободных электронов приобретает отрицательный потенци-

ал. Возникает контактная разность потенциалов – термо-ЭДС.

Эта термо-ЭДС зависит не только от температуры горячего спая

(т.е., от измеряемой температуры), но и от температуры холодного спая

T и определяется разностью этих температур:

11 2

()UTT

⋅−,

где

– коэффициент пропорциональности или термоэлектриче-

ская чувствительность.

Только при условии поддержания температуры

T , равной стан-

дартному значению, измеряемая термо-ЭДС может рассматриваться как

функция, прямопропорциональная значению

T . В промышленности

принята стандартная температура для

равная 0°C; следовательно,

ЭДС будет определяться по формуле:

111 11

(0)

ВЫХ

UV T T

=⋅−=⋅.

Для измерения термо-ЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь

термопары включают измерительный прибор (милливольтметр). Мил-

ливольтметр включают либо разомкнув свободный спай (рис. 1, а), либо

в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 1, б). Как видно из схем

включения измерительного прибора, в случае разомкнутого свободного

спая (рис. 1, а) у термопары три спая: один горячий

1 и два холодных 2

и 3, которые должны иметь постоянную температуру.

При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлек-

тродов (рис. 1, б) имеется четыре спая: один горячий 1, один холодный

2 (он должен иметь постоянную температуру), два нейтральных 3 и 4

(они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной

температуре). Для обеих схем термо-

ЭДС и показания прибора будут

одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры

горячих и холодных спаев.

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т.п.) на термо-ЭДС

не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во

всех точках одинакова.

Рис. 1

Примеры термопар, построенных на разных комбинациях метал-

лов, показаны в табл. 1. Выбор конкретной термопары зависит от рабо-

чего диапазона температуры и желаемой чувствительности.

Таблица 1

Тип термопары α

(мкВ / ºС) Рабочий диапазон (ºС)

медь-константан 45 от -150 до +350

железо-константан 53 от -150 до +1000

хромель-алюмель 40 от -200 до +500

хромель-константан 80 от 0 до +500

платина-(платина-

родий)

6.3 от 0 до +1500

1.2. Измерение температуры с помощью термосопротивлений

Принцип действия термосопротивлений основан на том, что элек-

трическое сопротивление материала изменяется при изменении его тем-

пературы. Существуют два основных вида этих датчиков – металличе-

ские терморезисторы и полупроводниковые термисторы.

Типичный

терморезистор состоит из тонкого платинового прово-

да, намотанного на сердечник и покрытого защитным покрытием.

Обычно сердечник и покрытие сделаны из стекла и керамики.

Как следует из их названия, работа терморезисторов основана на

изменении сопротивления в металле, при более или менее линейной

прямопропорциональной зависимости сопротивления от температуры:

100

RTD

⋅+ ,

где

– сопротивление терморезистора в Омах;

α – температурный коэффициент ( 0,00385

[Ом/°C] в Европе,

0,00392

[Ом/°C] в США);

T – температура в градусах Цельсия.

Графически зависимости сопротивления

стандартного датчи-

ка Pt100 от температуры T представлены на рис. 2. При этом можно ви-

деть, что принятые как промышленный стандарт датчики имеют сопро-

тивление 100 Ω при 0 ºС. При этом среднее значение наклона зависимо-

сти сопротивления от температуры для терморезистора для данного

датчика зависит от чистоты в нем платины и определяется температур-

ным

коэффициентом α.

Наиболее часто используют терморезистор, получаемый из плати-

ны определенной чистоты и состава, со значением

0,00385

. Кроме

того, существует еще один стандартный датчик, получаемый из немного

другого платинового состава. У него немного большее значение

0,00392

= , и он применяется в основном в США.

RTD

0 ˚C

100

= 0,00392

= 0,00385

Рис. 2. Зависимости сопротивления терморезистора от температуры

Термисторы используют свойство изменения сопротивления ке-

рамического полупроводника при изменении температуры; его сопро-

тивление падает нелинейно с ростом температуры:

()

RRe

⋅−

=⋅ ,

где

– сопротивление термистора при температуре T (°K);

R – сопротивление термистора при исходной температуре T

(°K);

– постоянная, зависящая от материала (°K). Значение

нахо-

дится между 3000 и 4000K.

Регулировочная характеристика

)(TfR

термистора представ-

лена на рис. 3 и является отрицательной и существенно нелинейной.

Это затрудняет использование этого датчика. Однако, эта трудность

может быть устранена использованием термисторов в парах, таким об-

разом, что нелинейности взаимно компенсируется. Более того, произво-

дители предлагают специальные устройства, которые внутренне ком-

пенсируют нелинейность характеристики термистора.

Рис. 3

Наконец, нелинейность регулировочной характеристики ()

fT=

может быть скомпенсирована использованием параллельно включенно-

го сопротивления со значением

R (рис. 4).

Рис. 4

Эквивалентное сопротивление

ЭКВ

двух параллельно включенных

сопротивлений вычисляется по формуле:

ЭКВ

⋅

Если нужно выбрать

таким образом, чтобы линеаризовать кри-

вую в окрестности рабочей температуры

T , то следует найти значение

по формуле:

−

⋅

=⋅

⋅

После линеаризации характеристика термистора будет представ-

лять собой линейную зависимость ()

ЭКВ

в окрестностях точки с

температурой

T (рис. 3).

Термисторы обычно обозначаются в соответствии с их сопротив-

лением при температуре 250 ºС. Наиболее часто встречается значение

2252 Ом, среди других часто встречающихся 5000 и 10000 Ом.

1.3. Жидкостные и инфракрасные датчики температуры

Типичным примером жидкостного датчика является домашний

термометр, обычно содержащий одну из двух основных жидкостей:

ртуть или органическую жидкость (например, спирт). При увеличении

температуры жидкая среда расширяется, а, значит, увеличивается её

объём. Если поместить её в герметично закрытый сосуд, то можно на-

блюдать изменение объёма по изменению высоты столба жидкости.

Датчики с расширяющейся жидкостью не

требуют электрического пи-

тания, не представляют риска взрыва и стабильны даже после повто-

ряющихся циклов работы. С другой стороны, они не дают данные, ко-

торые можно легко записать или передать.

Инфракрасные датчики являются бесконтактными. Они измеря-

ют количество световой энергии, излучаемой поверхностью. Свет излу-

чают все вещества, независимо от их температуры. Во многих техноло-

гических процессах эта энергия излучается в инфракрасном диапазоне.

При увеличении температуры увеличиваются количество инфракрасно-

го излучения и его средняя частота, которые и измеряются датчиком.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

2.1. Микромультиметр цифровой ММЦ-01 – 2 шт. (или 3 шт.).

2.2. Термопара ТХК.

2.3. Терморезистор.

2.4. Термистор.

2.5. Магнитоэлектрический вольтметр М4213 с температурной

шкалой.

2.6. Соединительные провода.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

3.1. Ознакомиться с блоком 1, сектором А3.

3.2. К гнездам Х1, Х2 нагревательного элемента подключить на-

пряжение 30 В.

3.3. К гнездам Х3, Х4 термопары подключить микромультиметр

на пределе измерения 200 mВ и магнитоэлектрический вольтметр,

имеющий температурную шкалу (0 ÷ 600)

С.

3.4. Наблюдая по магнитоэлектрическому «термометру» за повы-

шением температуры, фиксировать по цифровому прибору значения

термо-ЭДС через каждые 20

С.

3.5. При этом фиксировать по цифровым микромультиметрам со-

противления R

и R

3.6. Результаты наблюдения занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

С 0 20 40 … 200

мВ

Ом

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1. Зарисовать исследуемые схемы и привести табл. 1.1.

4.2. По данным табл. 1.1 построить градуировочную характеристи-

ку термопары:

)(TfE

= , а также зависимости )(

TfR

и )(

TfR = в

одних осях.

4.3. Рассчитать чувствительность термопары по формуле:

где

20=Δ .

4.4. Рассчитать чувствительности терморезистора и термистора по

формуле

ЫХ

, где

Δ и сравнить их между собой.

4.5. По экспериментально полученной регулировочной характери-

стике термистора найти сопротивление параллельно включенного со-

противления

, если необходимо линеаризовать характеристику в ок-

рестностях точки с температурой

T , заданной преподавателем. Затем

построить характеристику ()

ЭКВ

на одном графике с эксперимен-

тальной характеристикой.

4.6. Ответить на контрольные вопросы.

4.7. Сделать выводы по работе, в частности, сравнить различные

датчики по чувствительности, линейности характеристики, диапазону

работы, и т.п., предложить в связи с этим варианты использования ис-

следованных схем.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1. Чем определяется ЭДС термопары? Каковы требования к ок-

ружающей среде?

5.2. По каким характеристикам выбирается тип термопары?

5.3. Как определить температуру с помощью терморезистора?

5.4. Проанализировать регулировочную характеристику термисто-

ра. Каким образом можно сделать её более линейной?

5.5. Сравнить между собой термопару, терморезистор и термистор

и выделить их основные достоинства

и недостатки.

5.6. Какие еще датчики пригодны для контроля температуры? Дать

краткую характеристику.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб: КОРОНА

принт, 1998. – 400 с., ил.

2. Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы сис-

тем автоматики. – М.: Высш. шк., 1991. – 304 с., ил.

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОДАТЧИКА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение принципов действия и схем включения

фотодатчика.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В качестве простейшего фотодатчика можно использовать фотоди-

од.

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n перехо-

дом. Световой поток, падающий на открытый p-n переход, приводит к

появлению в одной из областей дополнительных неосновных носите-

лей зарядов, в результате чего

увеличивается обратный ток. В общем

случае ток фотодиода определяется формулой:

() 1

ДИФ S Ф S Ф

IIIIe I

⎛⎞

=−+= −−

⎜⎟

⎝⎠

, (1)

где

I – обратный ток диода;

– тепловой потенциал;

ДИФ

I – прямой ток диода;

ФSi ⋅=

I – фототок; здесь Si – интегральная чувствительность,

Ф – световой поток.

Вольтамперные характеристики ФД приведены на рис. 1, а, его

схематичное изображение – на рис. 1, б. Здесь

– контактная раз-

ность потенциалов; для германия имеет значение 0,6 ÷ 0,7 В, а для

кремния – 0,9 ÷ 1,2 В.

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах:

•

короткого замыкания;

•

холостого хода.

В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю,

и ток в диоде равен фототоку, т.е. ФSi

⋅

−

Фзк

II (рис. 1, а). Таким

образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропор-

циональность между током в диоде и световым потоком.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого

хода

U , отмеченное на рис. 1, а, лежит на горизонтальной оси. Для

определения этого напряжения можно прологарифмировать выражение

(1), откуда находим:

ln 1

ХХ Т

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

. (2)

Ф=0

Ф>0

к.з

x.x

а)

б)

Рис. 1

При 0=

область

заряжается положительно, а область n – от-

рицательно, и между электродами фотодиода при освещении появляется

разность потенциалов, называемая фото-ЭДС. Фото-ЭДС равна напря-

жению

U и не может превышать контактной разности потенциалов

Ψ .

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависи-

мость выходного напряжения от освещенности, причем выходное на-

пряжение не превышает некоторого определенного значения при любой

освещенности.

Реализовать режим короткого замыкания фотодиода можно только

с помощью операционного усилителя, например, в схеме логарифмато-

ра тока (рис. 2). В цепи отрицательной обратной связи включен диод

VD.

Для

этой схемы можно записать уравнения:

XVD

ii=− ,

ЫХ VD

Учитывая связь между током и напряжением на диоде

SVD

eIi

≈

получаем значение выходного напряжения

ВЫХ Т

Uln

=− ⋅ . (3)

Рис. 2

На практике используют схему преобразования тока в напряжение.

Эта схема, преобразующая малый входной ток в напряжение, находит

применение в устройствах гальванической развязки цепей с использо-

ванием оптопар. В схеме (рис. 3) сопротивление нагрузки для источника

тока (фотодиода) '

стремятся получить близкое к нулю. Здесь

RMОм= ,

105 ⋅

, 20

R Ом

Uвых

Roc

Uсм

Рис. 3

Благодаря этой схеме увеличивается быстродействие фотодиода и

повышается линейность световой характеристики.

На практике реализовать режим холостого хода затруднительно. В

этом случае можно говорить о работе фотодиода на некоторую нагруз-

ку. Схема включения фотодиода на нагрузку приведена на рис. 4, а, а

нагрузочная характеристика – на рис. 4, б.

Для построения нагрузочной прямой поступают следующим

обра-

зом. На горизонтальной оси откладывают напряжение источника

, а