в измерительной технике-термопары получили широкое распространение для измерения температур. Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры, показана на рис. 12.8, б. Если один спай, называемый рабочим, поместить в среду с температурой 0i, подлежащей измерению, а температуру 0о других, холодных спаев поддерживать постоянной, то

Еав ii%)=f (вх) - С=/1 (01)

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (пайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, входной величиной термопары является температура 0i ее рабочего спая, а выходной величиной -термо-ЭДС, которую термопара развивает при постоянной температуре 0о холодного спая.

Измерительные приборы можно включать в цепь термопары в разрыв одного из электродов (рис. 12.8, в). В этом случае преобразователь имеет четыре спая: один горячий, один холодный и два

Таблица 12.1

В А

Рис. 12.8. Термопары:

а - принципиальная схема; б - включеиие измерительного прибора между электродами; в - включение измерительного прибора в разрыв электрода

т 800 то то sx

Рис. 12.9. Зависимость ЭДС термопары от температуры

нейтральных. При постоянстве температуры холодного спая и равенстве температур нейтральных спаев термо-ЭДС будет зависеть только от температуры горячего спая. Таким образом, введение третьего проводника в цепь термоэлектрического преобразователя не изменяет результирующей термо-ЭДС при условии равенства температур в местах подключения третьего проводника.

В табл. 12.1 приведены термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая 0i=lOO°C и температуре холодных спаев 0о=О°С [46]. Положительные термо-ЭДС имеют материалы, у которых в паре с платиной ток в горячем спае течет от платины, а отрицательные- материалы, у которых ток течет к платине. Зависимость

термо-ЭДС от температуры обычно нелинейная, поэтому данные таблицы нельзя распространить на высокие температуры.

К материалам термоэлектродов предъявляются следующие требования: линейность зависимости термо-ЭДС от температуры, неизменность физических свойств при эксплуатации в пределах измеряемых температур, высокая электропроводность, малый температурный коэффициент сопротивления, технологическая возможность серийного производства.

В качестве примера на рис. 12.9 приведена зависимость Е= =/(0) для одной из наиболее распространенных термопар плати-нородий - платина.

При пользовании данными табл. 12.1 следует иметь в виду, что развиваемые термо-ЭДС в значительной степени зависят от малейших примесей, механической и термической обработки. При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой -отрицательную термо-ЭДС.

Кроме промышленного измерения температур, специальные термопары используются при измерениях тепловой радиации, для измерения температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметрах. Термопары этого типа работают при сравнительно небольших температурах, но для повышения точности измерения они должны поглощать минимальное количество теплоты, поэтому такие термопары изготовляются из тонкой проволоки диаметром d»54-10 мкм. Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих термобатарею. Свободные концы

П o6/l.Uh

термопары должны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0°С. Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды настолько гибкими и длинными, чтобы свободные концы ее можно было разместить в достаточном удалении от рабочего слоя.

Конструктивно термопара представляет собой две проволоки из разнородных материалов, горячий спай которых скручивается, а затем сваривается. Горячий спай изолируется фарфоровым наконечником. Сама термопара заключается в кожух, который защищает ее от воздействия горячих, химически агрессивных газов. Термопары из благородных материалов отличаются стабильностью характеристик и устойчивостью к влиянию внешней среды. Недостатком их является небольшое значение термо-ЭДС, гораздо меньшее, чем у термопар из неблагородных материалов (хромель - алюмель, хромель - копель).

Принципиальная схема устройства, предназначенного для измерения температуры вращающихся деталей (рис. 12.10) состоит

из двух П-образиых магиитопроводов /, обмоток возбуждения 2 и 2 и сигнальных обмоток 4 и 4. Обмотки возбуждения располагаются иа двух стержнях подвижного магиитопровода, а сигнальные обмотки - на двух стержнях неподвижного магиитопровода. Подвижный магнитопровод закреплен иа вращающемся валу 3. Катушки возбуждения и сигнальные катушки включены последовательно и согласно по отношению к рабочему потоку. Однако по отношению к внешнему магнитному полю сигнальные катушки включены последовательно и встречно, в результате чего внешнее переменное магнитное поле не оказывает влияния иа величину сигнала. Общее число систем возбуждения может составлять 15-20. Питание каждой системы возбуждения осуществляется от соответствующей термопары ТП.

В сигнальной обмотке при прохождении мимо нее системы возбуждения наводится ЭДС, амплитуда которой определяется по формуле, аналогичной (12.10):

где л -скорость вращения вала, об/мин; Бб -индукция в воздушном зазоре; л -радиус вращения; а -ширина стержня; Wc - число витков сигнальной обмотки.

Для взаимосвязи между ЭДС термопары и сигналом, наведенным в сигнальной обмотке, на вращающемся валу вместо одной

Рис. 12.10. Устройство для измерения температуры вращающихся деталей

системы возбуждения установлен постоянный магнит, сигнал от которого значительно превышает сигналы, полученные от термопар. Сигнал от постоянного магнита служит началом отсчета, который устанавливает связь между номером термопары и соответствующим сигналом, полученным на выходе преобразователя.

§ 12.4. Преобразователи на основе эффекта Холла

Эффектом Холла называется явление, связанное с возникновением поперечной разности потенциалов в пластине, изготовленной из полупроводникового материала и помещенной в магнитном поле, если в продольном направлении этой пластины протекает электрический ток (рис. 12.11).

Значение выходного напряжения для прямоугольной полупроводниковой пластины, расположенной в однородном магнитном поле,

/т В),

вых - хвх

где - коэффициент Холла; В - нормальная составляющая вектора магнитной индукции; /, Ь, d - соответственно длина, ширина и толщина пластины; f{llb. В)-функция, учитывающая зависимость выходного напряжения от соотношения геометрических размеров пластины и свойств полупроводника.

20 0,1 0,1 0,3 0,<tIi,A

Рис. 12.11. Преобразователь Рис. 12.12. Характеристики управления преоб-Холла разователей Холла:

а - германиевого типа; б - из аитимоиида индия

Полупроводниковую пластину, конструктивно объединенную с выводами, будем называть элементом Холла.

Чувствительностью элемента Холла у называется отношение выходного напряжения (/вых к произведению входного тока /вх на нормальную составляющую вектора магнитной индукции:

y=U,J{I,,B).

Чувствительность элемента Холла зависит от его температуры, и с увеличением температуры чувствительность падает.

Характеристика элемента Холла Ueuxf(hx) для постоянного значения магнитной индукции называется статической характеристикой или характеристикой управления.

Материалами для изготовления элементов Холла являются германий, кремний, антимонид индия, арсенид галлия и др. Характеристики управления для преобразователей Холла германиевого типа и из антимонида индия приведены на рис. 12.12, а, б. Если характеристики преобразователей Холла германиевого типа близки к линейным, то у преобразователей из антимонида индия характеристики управления нелинейные, что обусловливается повышением температуры элемента Холла при протекании через него значительных токов.

Характеристики управления, приводимые в каталогах элементов Холла, соответствуют обычно случаю естественного охлаждения пластины вследствие конвекции воздуха. Принудительное охлаждение потоком воздуха или путем непосредственного контакта, например, с полюсами магнита существенно увеличивает коэффициент теплоотдачи, в результате чего ток 1вх может принимать большие значения, чем при естественном охлаждении.

В нагрузочном режиме выходное напряжение элементов Холла в значительной степени зависит от тока /вых нагрузки. На рис. 12.13, а. б приведены нагрузочные характеристики элементов Хол-

/ 2 J 4 1,,,мА О 10 20 30 Ig,,MA

вы»

Рис. 12.13. Нагрузочные характеристики преобразователей Холла

ла, изготовленных из германия и антимонида индия [47]. Уменьшение выходного напряжения элементов Холла объясняется увеличением падения напряжения на его внутреннем сопротивлении при возрастании тока нагрузки.

Элементы Холла обладают рядом достоинств: позволяют измерять распределение магнитных полей в пространстве; малые размеры элемента Холла (толщина - доли миллиметра, два другие размера - единицы миллиметров) позволяют проводить измерения

в глубоких отверстиях и в малых зазорах; имеют линейную зависимость выходного напряжения от управляющих величин (поля или тока); широкий частотный диапазон для переменных величин тока или индукции; практически неограниченный срок службы. Недостатками являются: относительно сложная технология; большой разброс параметров в пределах одной партии; зависимость коэффициента Холла от температуры. Недостатки эти можно в достаточной для практики степени устранить соответствующим выбором электрической схемы, систем компенсации и т. п.

Элементы Холла, изготовляемые из кристаллических материалов, помещаются в корпусе из эпоксидной смолы или в керамическом корпусе. Элементы, служащие для измерения топографии магнитного поля в узких зазорах, отличаются очень тонким корпусом.

При отсутствии входного сигнала (тока hx) в элементе Холла существуют остаточные напряжения - резистивное, термоэлектрическое и термомагнитное. Резистивное остаточное напряжение определяется неточностью размещения электродов, а термоэлектрическое и термомагнитное остаточные напряжения обусловливаются влиянием температуры на электрические и магнитные параметры элемента Холла.

Элементы Холла могут измерять магнитные, электрические и неэлектрические величины.

Принципиальная схема преобразователя с элементом Холла, предназначенного для бесконтактного съема сигнала с вращающейся части машины, приведена на рис. 12.14. Преобразователь состоит из передающей части, жестко связанной с вращающимся валом 3, и неподвижной приемной части. Передающая часть состоит из термопары

ТП, цилиндрической катушки / и магнитопровода 2. установленного на валу 3. Приемная часть состоит из элемента Холла 4, расположенного в зазоре магнитопровода 2, опорного генератора и регистрирующего прибора. Устройство работает следующим образом. Прн наличии ЭДС, развиваемой термопарой, в цепи ее и катушки / течет ток, который создает магнитный поток в зазоре магнитопровода 2. Индукция магнитного поля в зазоре зависит от ЭДС термопары. Элемент Холла 4, запитанный от опорного генератора и помещенный в зазор, развивает на сигнальных выводах напряжение, частота которого равна частоте опорного генератора, а амплитуда зависит от индукции магнитного поля в этом зазоре. Таким образом, напряжение, снимаемое с преобразователя Холла, является функцией ЭДС, развиваемой термопарой.

Рис. 12.14. Преобразователь с элементом Холла