Параметрические датчики реактивного сопротивления

Принцип действия терморезисторов (термометров сопротивления) основан на зависимости электрического сопротивления (проводимости) различных материалов от температуры. Свойством темпера­турной зависимости электросопротивления в той или иной мере обладают все материалы.

Металлические терморезисторы - проволочные терморезисторы (в технической документации часто называют «термометрами сопротивления»). Термометры сопротивления, применяемых в метеорологии, изготавливают главным обра­зом из медной и платиновой проволоки диаметром 0,02— 0,1 мм. Металлы (медь, платина), из которых изготовлена проволока, должны быть высокой чистоты, так как даже не­большие примеси существенно изменяют их свойства.

Конструкция датчика зависит от его назна­чения. Так, например, датчик температуры воздуха, если он предназначен для установки на открытом воздухе, должен со­держать радиационную защиту и аспиратор; датчик, устанав­ливаемый в психрометрической будке, может не иметь эти кон­структивные элементы; почвенные терморезисторы должны иметь хорошую гидроизоляцию.

Температурная зависимость металлических терморезисторов с достаточной точностью определяется уравнением:

Rt = Ro(1+Аt),

где Rt — сопротивление при температуре t°С;

Ro — сопротив­ление при температуре 0°С; А — температурный коэффициент сопротивления данного металла. В широкой области температур А является постоянной величиной.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы), исполь­зуемые в термометрии, изготовляются обычно из полупровод­никовых материалов с большим температурным коэффициен­том. К этим материалам относятся, например, окислы урана, марганца, меди, железа, магния, а также их смеси. Сопротив­ление полупроводников убывает с ростом температуры. Темпе­ратурная зависимость их сопротивления выражается фор­мулой

R = Ae^В/Т,

где Т — абсолютная температура; А и В — постоянные, харак­теризующие полупроводник, из которого изготовлен терморе­зистор; е — основание натуральных логарифмов.

На рис. 1.3 показаны характеристики терморезисторов: металлического — (1) и полупроводникового — (2).

Рис.1.3

Основным параметром терморезистора является его чувствительность a, которая показывает на сколько единиц изменяется сопротивление терморезистора при изменении его температуры на один градус: a =DR/Dt.

Чувствительность металлических терморезисторов может быть вычислена и по формуле a =R_oA. Как видно из этой формулы, чувствительность металлического терморезистора не зависит от температуры.

Полупроводниковые термо­резисторы более чувствительны, чем металлические, по­этому применение их в некоторых случаях оказывается целе­сообразным. Однако массовое их использование встречает некоторые затруднения. В частности, из-за нелинейного харак­тера зависимости термосопротивления от температуры полу­проводниковый термометр сопротивления имеет переменную чувствительность по шкале температуры. Полупроводниковые терморезисторы даже одной пар­тии изготовления имеют разбросы по номиналу R_o и темпера­турному коэффициенту сопротивления В. Массовый подбор терморезисторов с одинаковыми характеристиками затрудни­телен. Для точных измерений температуры (с погрешностью менее 0,1°С) к каждому экземпляру терморезистора прихо­дится рассчитывать и изготовлять подгоночные элементы схемы. Характеристики полупроводниковых терморезисторов меняются во времени больше, чем металлических. Поэтому в настоящее время термометры с полупроводниковыми терморезисторами применяют для массовых измерений, не требую­щих высокой точности — порядка 1,0° С (в радиозондах, при агрофизических измерениях и некоторых других).

В стационарной наземной метеорологической аппаратуре в качестве датчиков температуры используются преимущественно металлические терморезисторы, ко­торые включаются в измерительную схему (например, мосто­вую) как один из ее элементов. На рис. 1.4 представлена схема измерения температуры на основе неравновесного моста.

В плечо 3-4 включен термометр сопротивления Rt – датчик температуры, соединенный с измерительной схемой линией связи с сопротивлением Rл.

Рис.1.4

В другие плечи измерительного моста включены высокостабильные резисторы: R1, R2, R3. Их сопротивления подбирают таким образом, чтобы при 0°С мост был уравновешен, в этом случае ток в цепи индикатора моста равен нулю. При изменении температуры мост разбалансируется и в цепи индикатора появляется ток, величина которого зависит от измеряемой температуры. Поэтому шкала индикатора проградуирована в °С.

Контактные датчики

Контактными называют датчики, в которых под воздействием контролируемой величины происходит замыкание или размыкание электрических контактов. Контактные датчики широко используются в автоматических измерительных системах и в системах автоматической сигнализации.

Каждый контактный датчик уникален по конструкции и принципу действия.

Рассмотрим несколько примеров контактных датчиков, используемых в автоматических радиометеорологических станциях.

Датчик скорости ветра КРАМС (рис. 1.5) включает в себя: постоянный магнит 1, связанный с воздушным винтом 2 и геркон 3. Магнит и геркон находятся внутри вертикальной стойки. При каждом обороте магнита контакты геркона дважды замыкаются. Частота замыканий контактов геркона пропорциональна скорости ветра. В измерительной схеме, в которую включен датчик, происходит подсчет числа импульсов за двухминутный интервал времени и преобразование их числа в значение скорости ветра.

Рис. 1.5

Датчик количества осадков станции М-107 (рис. 1.6)

Рис. 1.6

Осадки через воронку попадают в мерный сосуд 1 (сосуд разделен перегородкой на две равные камеры). Сосуд связан с осью 2, вместе с которой он может совершать качания в вер­тикальной плоскости между двумя крайними положениями, оп­ределяемыми ограничительными упорами. Центр тяжести сосуда 1 находится выше оси его качания — его поло­жение неустойчивое, — и поэтому он может находиться только в одном из двух крайних положений. Если сосуд слегка вывести из одного крайнего положения, он резко перейдет (качнется) в другое крайнее положение. Переход сосуда из одного положе­ния в другое сопровождается посылкой импульса электрического тока в измерительную цепь. Импульс формируется с помощью постоянного магнита 3, укрепленного на оси качания сосуда, и неподвижно закрепленного геркона 4. При каждом качании сосуда происходит одно кратковременное замыкание геркона.

Когда мерный сосуд находится в положении крайнего отклонения (любом), под сливной воронкой всегда находится одна из его камер, которая оказывается выше второй. При выпадении осадков через сливную воронку заполняется располо­женная под воронкой камера мерного сосуда. Как только они заполнится определенным количеством воды, сосуд выводится из равновесия, занимает второе крайнее положение и под воронкой оказывается другая (пустая) камера мерного сосуда. Вода из первой камеры сливается через водосливной цилиндр на землю. При заполнении второй камеры процесс повторяется.

С помощью упоров регулируют положение сосуда так, чтобы равновесие его нарушалось при заполнении его верхней камеры определенным объемом воды, равным 25 см³. Это соответствует 0,05 мм осадков. Количество выпавших осадков равно произведению 0,05 мм и числа качаний мерного сосуда. Пересчет выходных импульсов датчика в количество осадков осуществляется с помощью измерительной схемы.

Параметрические датчики реактивного сопротивления

Индуктивные датчики

Индуктивные датчи­ки широко распространены в промышленности, так как они просты, надежны, бесконтактны, у них сравнительно большая отдаваемая мощность, могут работать на пе­ременном токе промышленной частоты. Они используют­ся в основном для измерения угловых и линейных пере­мещений, а также для измерения силы давления. Индук­тивные датчики разделяются на датчики с подвижным якорем, подвижным сердечником и поворотным якорем.

На рис. 1.7 показана конструкция индук­тивного датчика с подвижным якорем (а) и его характеристика (б) — зависимость тока I, протека­ющего в катушке, от воздушного зазора d между сердечником и якорем.

Рис. 1.7

Если перемещать якорь 1 датчика, воздушный зазор d будет изменяться, а следовательно, будет изменяться и индуктивность катушки 2. Индуктивность катушки об­ратно пропорциональна воздушному зазору, т. е. при больших зазорах индуктивность имеет малое значение, а при малых — большое.

Ток в катушке датчика определя­ется по формуле

?

где U – напряжение питания, Z – полное сопротивление катушки, R – активное сопротивление катушки, X_L = 2pfL – индуктивное сопротивление катушки, f – частота питающего напряжения, L – индуктивность катушки, зави­сящая от воздушного зазора d.

Как видно из формулы, при постоянных U, R n f ток ка­тушки зависит только от индуктивности (а следова­тельно, от воздушного зазора d). Таким образом, ток в катушке датчика пропорционален воздушному зазору d:

I= kd

где k — коэффициент пропорциональности или чувстви­тельности датчика по току.

Реальная характеристика индуктивного датчика отли­чается от идеальной (показана пунктиром на рис. 1.7, б) наличием некоторой нелинейности. Большинство индук­тивных датчиков предназначено для работы при относи­тельно низких частотах напряжений питающей сети (до 5000 Гц), так как при более высоких частотах в значительной степени растут потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

Индуктивные датчики использовались в автоматических метеорологических станциях в схемах измерения атмосферного давления.

Емкостные датчики

Емкостный датчик представляет собой плоский кон­денсатор с изменяемой емкостью.

Емкостные датчики, как и индуктивные, работают на переменном токе, только в отличие от индуктивных в большинстве случаев работают на частотах выше 1 кГц.

Принцип действия их основан на изменении емкости кон­денсатора при перемещении обкладок конденсатора относительно друг друга. Это легко понять, если вспомнить формулу емкости плоского конденсатора

С=

где e —диэлектрическая проницаемость; S — площадь перекрывания пластин; d — расстояние между пластинами.

Из приведенной формулы видно, что емкость конден­сатора может быть изменена за счет изменения расстоя­ния между пластинами б, площади пластин S или ди­электрической проницаемости среды е.

На рис. 1.8 показаны разновидности конструкций емкостных датчиков.

а — с переменным расстоянием между пластинами, б — с переменной площадью пластин; в — с переменной диэлектрической проницаемостью.

Рис. 1.8

К преимуществам емкостных датчиков относятся большая чувствительность. Однако эти датчики получили небольшое распространение в наземной обслуживаемой аппаратуре, так как имеют серьезные недостатки. В частности, они непригодны для работы, на низких частотах и требуют специального высокочастотного генера­тора. Но эти условия выполнимы в радиозондах и метеорологических ракетах, где высокочастотные генера­торы используются в радиопередатчиках.

Генераторные датчики

1.3.1.Тахогенераторные датчики