Первичные преобразователи

Изучение устройства температурного датчика на основе термопары. Принцип работы металлических тензодатчиков веса (силы). Микросенсоры расхода газа (жидкости), их технические характеристики. Уравнение пироэлектрического эффекта. Способы измерения ускорений.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Министерство образования и науки

Российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Южный федеральный университет” г. Таганрог

Факультет РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

Кафедра МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

ДОКЛАД

по курсу

«Физические и алгоритмические основы построения интеллектуальных датчиков»

на тему: «Первичные преобразователи»

Разработал

Студент группы МГР-12 Д. С. Убирайло

Проверил

к. т. н., доц. Е.В. Удод

Таганрог 2013



1. Термопара

Температурный датчик на основе термопары образуется сварным соединением (спаем) двух различных металлов. Томас Зеебек в 1821 году обнаружил термоэлектрический эффект, названный в его честь эффектом Зеебека (Эффект Зеебека обратим: пропустив ток по цени из разнородных материалов другой ученый по фамилии Пултье заметил, что один из спаев нагревается, а другой охлаждается (эффект Пельте). На этом принципе работают охладители для компьютеров, автомобильные холодильники и т.д) , когда в месте между «горячим» и «холодным» спаем металлов с разными температурами возникает термо-ЭДС с небольшой разностью потенциалов (порядка нескольких мВ), которую можно измерить милливольтметром. Величина возбуждаемого напряжения зависит от того, какие металлы соединены. Для образования термопар существует три наиболее распространенных комбинации металлов: железо-константан (тип J), медь-константан (тип Т) и хром-алюминий (тип К). Напряжение, образуемое термопарой, имеет очень малую величину, обычно несколько милливольт. Напряжение термопары типа К изменяется всего на 40 мкВ на градус Цельсия. Такие малые изменения напряжений термопары требуют прецизионных измерений: для обеспечения точности измерения температуры 0.1 °С требуется точность измерения напряжения порядка 4 мкВ. С другой стороны, поскольку любые два разных металла образуют термопару при соединении, то точка соединения термопары с измерительной системой также будет иметь свойства термопары в месте их соединения из-за разницы температур, измеряемой термопары и температуры окружающей среды. Место соединения (колодка) начинает нагреваться и образует паразитную термопару из материала колодки и медных проводников, подсоединенных к ней. Под медными проводниками подразумеваются не только медные провода, но и медные дорожки печатной платы.

Данный эффект может быть сведен к минимуму размещением соединений в так называемом изотермическом блоке, выполненном из теплопроводного материала (Рисунок 1). Материал с высокой теплопроводностью снижает разность температур между точками соединения, уменьшая тем самым ошибку, вводимую местом соединения проводников. Распространенный способ компенсации температурной зависимости изотермического блока -- это размещение в блоке полупроводникового диода и измерение на нем падения напряжения.

Для усиления крайне малого сигнала термопары в десятые доли вольт необходим операционный усилитель, и обычно используется инструментальный усилитель в дифференциальном включении. Коэффициент усиления такого типа ОУ находится в диапазоне 100...300, и любой шум, воздействующий на термопару, будет усилен во столько же раз. Такое включение инструментальных усилителей значительно снижают синфазные помехи проводов термопары и усиливает только сигналы термопары. Правда, полностью снизить в реальных условиях синфазные помехи не удается и синфазная помеха «просачивается» на выход усилителя, который ослабляет помеху с определенным коэффициентом ослабления синфазных помех (КОСС). КОСС определяют в дБ. Инструментальные усилители по отношению к другим типам ОУ имеют повышенный КОСС.

Фирма Analog Devices выпускает специализированные усилители сигнала термопары типа J, такие как AD594/595. ИС AD594/595 не использует внешний /?-л-переход для компенсации изотермического соединения, вместо этого, в самой микросхеме предусмотрено биметаллическое соединение, компенсирующее температурную зависимость соединения термопары с усилителем. ИС проводит измерения в температурном диапазоне 0...300°С. Для наилучшей компенсации соединение проводов термопары с входом усилителя должно быть выполнено на плате как можно ближе к выводам микросхемы.

Усиленный сигнал термопары, как и терморезистора, необходимо масштабировать, чтобы соответствовать входному диапазону АЦП. Термопары относительно линейны в ограниченном диапазоне температур, однако если диапазон измерений достаточно широк, для компенсации нелинейностей понадобится дополнительное программное обеспечение. Зависимость напряжения термопары от температуры в этом случае можно будет представить полиномом, почти так же, как и зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

Рисунок 1 - Схема подключения термопары

2. Металлические тензодатчики веса/силы

Металлический тензодатчик веса/силы (Рисунок 2) обычно содержит проводник, представляющий собой тонкий слой металла, нанесенный на изолятор. Сопротивление проводника определяется его геометрическими размерами. При сжатии или растяжении изолятора проводник также изменит свою форму, и его сопротивление изменится. Тензодатчики характеризуются очень малым сопротивлением и еще меньшими изменениями этого сопротивления. Преимущество тензодатчиков в том, что они могут быть использованы для измерения веса (например, грузовика) на весах без каких-либо движущихся частей. Такой тензодатчик является структурной частью весов, прогибающихся под нагрузкой. Заметим, что гибкий элемент датчика может быть напечатан на подложке или даже на алюминиевой опоре, будучи от нее изолированным (Рисунок 2а). Как показано на Рисунок 2б чувствительная часть тензодатчика обычно собрана по мостовой схеме. В данном примере отношение R1/R2 равно R3/Rs (Rs -- сопротивление тензодатчика), когда тензодатчик не нагружен. При выполнении этого условия выходное напряжение Voux равно нулю. Если тензодатчик деформируется под действием веса или силы, и его сопротивление изменяется, у моста наступает разбаланс, R1/R2 уже становится не равным R3/Rs (так как Rs изменилось). Выходное напряжение может быть усилено и измерено. Преимущество мостовой схемы в том, что она служит фильтром для различных шумов (таких как пульсации, например) входного напряжения. Выходное напряжение будет зависеть от входного, но изменения входного напряжения не повлияют значительно на выходное напряжение.

Так как сопротивление тензодатчика очень мало, его выходное напряжение должно быть усилено во много раз перед измерением. Типичный тензодатчик имеет сопротивление порядка 100 Ом, и в практических применениях должен чувствовать крайне малые изменения сопротивления -- на уровне 0.0002% от номинальной величины. Тензодатчики в различном конструктивном исполнении применяются для измерения веса, силы и давления. Промышленностью также выпускаются полупроводниковые тензодатчики с микромеханическими сопротивлениями, нанесенными на кремниевую подложку. Преимущество такой технологии в том, что схемы усиления и обработки сигнала могут быть размещены на том же кристалле.

Рисунок 2 - Металлический тензодатчик веса/силы

3. Микросенсоры расхода (газа, жидкости)

Расходуемый газ (жидкость) перемещается по трубе. Для оценки количества проходящего газа микросистемными средствами не пригодны турбины, поршни и прочие устройства, используемые при больших расходах. Чаще всего в МСТ для определения расхода используется измерение отклонения температуры датчика, содержащего нагревательный элемент, которая происходит за счет изменения интенсивности охлаждения при изменении скорости газового потока. Другой прием - измерение перепада давления на некотором участке (базе) в трубе. На рис. 45 показано поперечное сечение микросенсора расхода, находящегося в трубке диаметром 4 мм.

Рис. 45. Поперечное сечение микросенсора с каналом газового потока:

1 - резисторы; 2 - обогреватель; 3 - радиатор и элемент канала газового

потока; 4- газовый поток на входе в трубку; 5 - стенка трубки

В сенсоре находится нагреватель (2) и две пары терморезисторов (1), расположенных слева и справа от нагревателя и включенных в схему моста. Левый резистор охлаждается холодным набегающим на нагреватель датчика потоком, а правый нагревается потоком, подогретым при прохождении над нагревателем. В итоге сигнал, снимаемый с моста пропорционален разности температур левого и правого резисторов, которая зависит от интенсивности охлаждения, т.е. от скорости потока. Радиатор (3) обеспечивает оптимальное распределение температуры вдоль мембраны с резисторами и формирует канал газового потока внутри сенсора.

Некоторые технические сведения:

Датчик изготовлен на подложке из монокристаллического кремния. Рабочая часть (мембрана) имеет размеры 2·1,5мм. Питание моста 3В, потребляемая мощность до 8МВт. Перегрев нагревателя 55°С. Чувствительность соответствует выходному напряж...