Комп’ютерний засіб вимірювання тиску і температури у кліматичній камері (стр. 2 из 6)

Революційна ідея полягає у тому, що сама пластина, певна частина якої зроблена дуже тонкою за допомогою мікрообробки, відіграє роль мембрани, яка деформується під впливом тиску.

Перші сенсори, виготовлені за цією технологією, давали не дуже добрі показники. У них був відчутний температурний дрейф, а також значний зсув нуля, який сильно змінювався від зразка до зразка. Електронні пристрої корекції, на щастя, могли суттєво згладити ці недоліки, а на сьогоднішній день стан значно покращився.

Виконання на одній пластині, окрім струнних сенсорів натягу, терморезисторів і резисторів з лазерною підгонкою дозволяє виробникам створювати і випускати вже калібровані і термокомпенсовані сенсори. Використовувати їх дуже просто: достатньо подати постійну напругу на одну діагональ моста, який складається з струнних сенсорів натягу, і знімати з іншої діагоналі цього моста напругу, пропорційну прикладеному тиску.

Сенсори як цього так і інших типів випускає фірма Motorola, яка є ведучим виробником сенсорів тиску. Фірма Motorola пропонує велику кількість сенсорів, які відрізняються підвищеною стійкістю до дії агресивних речовин, високою точністю вимірювань в широкому діапазоні температур, малими габаритами.

Рисунок 1.4 - Сенсори тиску фірми Motorola

Важливою перевагою сенсорів фірми Motorola є те, що більшисть із них термокомпенсовані, тобто вони мають однакову точність первинного перетворення в широкому диапазоні температур. Окрім того вони мають вбудовану мостову схему і буфер, що дозволяє отримати на виході сигнал постійної напруги, прямо пропорційний тиску, або послідовність імпульсів, шпаруватість яких є інформативним параметром вихідного сигналу сенсора. Для розробки приладу обираємо термокомпенсований тензоперетворювач тиску фірми Motorola MPX1986. Вихідним сигналом цього сенсора є послідовність імпульсів, шпаруватість яких прямо пропорційна тиску.

1.2 Методи вимірювання температури

В сучасному промисловому виробництві, наукових дослідах, при дослідженнях матеріалів і зразків найбільш розповсюдженими є виміри температури. Широкий діапазон вимірювальних температур, різноманітність умов використання засобів вимірювання і вимог до них визначають, з одного боку, різноманітність використовування засобів вимірювальної температури, а з другої сторони, необхідність розробки нових типів первинних перетворювачів.

Температура поряд з тиском і обсягом являє собою одну з трьох основних величин, що характеризують термодинамічний стан речовини, і безпосередньо пов'язана з його внутрішньою енергією. Практично немає жодної галузі діяльності людини, де б не вимагалося вимірювати і регулювати температуру, тому вона є однією з найбільш часто вимірюваних фізичних величин. Температура - це статистичне поняття, яке приміняється до систем, які складаються з великого числа часток, що знаходяться в тепловій рівновазі. Енергія часток, усереднена по їхньому числу, і визначає температуру системи (об'єкту).

Температура (temperature) латинське слово, що означає "суміш". При взаємодії двох рівно зважених систем, що мають різні температури, відбувається перехід енергії від системи з більшим енерговмістом в систему з меншим енерговмістом, доки обидві системи не приймуть новий стан рівноваги. Спільним для усіх видів часток первісно поділених систем є температура.

Діапазон температур, що вимірюється надто великий. Шляхом розчинення гелію ³Не в звичайному рідкому гелії ⁴Не досягнута температура 0.001 К. Методами магнітного охолоджування одержана температура 0.000016 К. Верхня межа існуючих температур практичні не обмежена. Як припускають, на початку розвитку Всесвіту існувала надто гаряча плазма з температурою 4

10³¹ К. Зараз практично необхідно вимірювати температури порядку 10⁸ К і більше, що мають місце в гарячій плазмі та при термоядерних реакціях.

Діапазон існуючих температур можна поділити на ряд характерних піддіапазонів: наднизькі температури (0-4,2 К), низькі (4.2-273 К), середні (273-1300 К), високі (1300-5000К) та надвисокі (від 5000 К і вище). Наднизькі і низькі температури необхідно вимірювати при проведенні різноманітних фізичних експериментів, і особливо при дослідженні надпровідності та її технічному застосуванні, у криогенній техніці та ін. За верхню межу надто низьких температур умовно прийнята температура, при якій провідники переходять у надпровідний стан. Найбільш часто температури, що вимірюються лежать в області низьких, середніх та високих температур. Такі виміри мають місце у різноманітних галузях народного господарства, при наукових дослідженнях, в медицині та ін.

Потреба у вимірі надто високих температур безупинно зростає, особливо у зв'язку з розвитком плазмених методів обробки матеріалів, ракетної та космічної техніки, а також при дослідженні управляємих термоядерних реакцій. Діапазон надвисоких температур починається приблизно з 4000-5000 К, тобто з температур, при яких всі речовини при нормальному тиску переходять у газоподібний стан. Температури, які находяться на початку діапазону надвисоких температур (4000-20000К), мають місце при слаботочних електричних дугових розрядах, в газорозрядних лампах, у ракетних двигунах, на поверхні Сонця (приблизно 6000 К), на тепловому щиті космічних апаратів, в плазмотронах для обробки матеріалів (5000-20 000 К) і т. ін.

Температури порядку 5×10⁴-10⁵ К мають місце в стаціонарних електричних дугах і надзвукових потоках плазми, при короткочасних електричних розрядах у фокусі плазми. При ядерних реакціях, всередині Сонця та зірок температури досягають 10⁸ К. Ще більш високі температури спостерігаються при неконтрольованих термоядерних реакціях (водневабомба).

Необхідно відзначити, що температура належить до фізичних величин, точність виміру яких ще невелика. При проведенні наукових досліджень, в частковості при визначенні фундаментальних фізичних констант, необхідно вимірювати температуру з похибкою10^-2-10^-4%. У промисловості також існує потреба у підвищенні точності виміру температури. Зараз промислові прилади забезпечують вимір температури з похибкою 0.5-1% і більше. Підвищення точності виміру температури, наприклад, при розливі стали на 0.1% дасть можливість поліпшити на 5-10% якісні показники сталі.

Різноманітні засоби вимірювання температури можна поділити за типом первинних вимірюючих перетворювачів.

В діапазоні низьких і середніх температур використовуються в основному контактні методи вимірювання, причому найбільш широко на практиці використовуються первинні перетворювачі в виді термометрів опору і термопар. При цьому необхідно враховувати, що в більшості випадків температуру необхідно вимірювати в багатьох точках об’єкту і дистанційно, тобто первинні перетворювачі можуть бути віддалені від вторинного вимірювального приладу на великі відстані.

Частіше всього включаються в зрівноважену мостову схему. Зрівноваження моста здійснюється за допомогою потенціометра. При вимірюванні опір резистора R_t, відповідно змінюється положенням потенціометра R і на його шкалі формуються показання мостового термометру

(1.7)

де R₁, R₂ - опори одинарного мосту.

Недоліком такої (двохдротової) схеми включення термометра опору є суттєва похибка, що вноситься опорами R_л1,R_л2 провідників, якими він підключений до мостової схеми.

При вимірюванні температури навколишнього середовища проходить зміна опорів проводів, що робить неможливим компенсацію вказаної похибки. Для зниження цієї похибки використовують трипровідну схему підключення термометрів опору. В цьому випадку опори проводів R_л1,R_л2 виявляються не в одній, а в різних (сусідніх) плечах моста і тому їх вплив суттєво зменшується. При симетрії моста їх опори віднімаються. Опір R_л3, третього провідника виявляється ввімкненим в коло джерела живлення і на результат вимірювання не впливає.

При збільшенні довжини лінії зв’язку, описані методи часто не дозволяють забезпечити високу точність вимірювання температури і виникає необхідність в попередньому перетворенні опору терморезистора в який-небудь параметр електричного сигналу, що забезпечує точну і завадостійку передачу вимірювальної інформації.

При використанні термоелектричних перетворювачів (термопар) виникає необхідність вимірів значення термо-ЕРС на виході термопари. Під час вимірювання температури вільні кінці термопари повинні бути при постійній температурі. Вільні кінці термопари конструктивно виведено на клеми для розміщення їх поблизу до об’єктів, тобто в зоні вимірюваної температури. Щоб віднести ці кінці в зону постійної температури, використовуються подовжувальні провідники, що складаються з двох жил, які виготовлено з металів чи сплавів і які мають однакові термоелектричні властивості з термоелектродами термопари. В лабораторних умовах температура вільних кінців термопари підтримується рівною 0 ⁰С шляхом розміщення їх в ємності Д'юара, наповненій потовченим льодом з водою. В промислових умовах температура вільних кінців термопари звичайно відрізняється від 0 ⁰С. Оскільки градуювання термопар виконується при температурі вільних кінців 0 ⁰С, то ця різниця може бути джерелом суттєвої похибки. Для зменшення цієї похибки необхідно ввести поправку в покази термометра. Проте необхідно мати на увазі, що функція перетворення термопари нелінійна, а відповідно, значення поправки повинно залежати не тільки від температури вільних кінців термопари, але і від значення вимірюваної температури. Ця обстава ускладнює точну корекцію вказаної похибки шляхом введення поправки. Широке застосування на практиці має автоматичне введення поправки на температуру вільних кінців термопари, що наведено на рис.1 В коло термопари ТП і мілівольтметра включено міст, одним з плечей якого є терморезистор R_t (мідний), який розміщено біля вільних кінців термопари.