Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ТЕРМОРЕ3ИСТИВНІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ НА ОСНОВІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МІКРОКРИСТАЛІВ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2005
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Інші
Група:
МЕ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4
ТЕРМОРЕ3ИСТИВНІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ
НА ОСНОВІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МІКРОКРИСТАЛІВ
Мета роботи: ознайомитися з принципом побудови, особливостями конструювання та технології виготовлення напівпровідникових вимірювальних перетворювачів механічних та теплових величин з терморезистивними чутливими елементами на основі ниткоподібних кристалів (НК).
Терморезистори
Терморезистор це провідник або напівпровідник, увімкнутий в електричне коло який перебуває в теплообміні з оточуючим середовищем. Матеріали, придатні для терморезисторів, повинні задовольняти такі вимоги: високе значення температурного коефіцієнта опору; хімічна стійкість до дії оточуючого середовища; достатня тугоплавкість і міцність; великий питомий електричний опір, що важливо при виготовлені малогабаритних перетворювачів.
Сучасна технологія забезпечує можливість одержання матеріалів в широкому діапазоні величин питомих опорів – в межах кількох порядків, шляхом зміни співвідношення складових компонентів. Це дозволяє виготовляти терморезистори (ТР) малих розмірів в діапазоні номінальних значень опорів, наприклад від сотень Ом до десятків і сотень кОм.
Матеріалом провідникових ТР служать чисті метали (мідь, платина, нікель), оскільки сплави мають нижчий температурний коефіцієнт електричного опору, ніж чисті метали, які входять в склад сплаву. Крім того, залежність опору від температури для чистих металів добре відома, у зв’язку з чим часто прилади з їх використанням допускають стандартне градуювання.
Електролітична мідь допускає нагрів не більше 180 0С. Рівняння перетворення мідних ТР в діапазоні температур від –50 до +180 0С. практично лінійне
Rt = R0 (1 + ( t ) , (1)
де ( - температурний коефіцієнт опору (ТКО), рівний 4,3(10-3 1/ 0С; t – температура; R0 – опір при 0С.
Діапазон вимірювання платиновими ТР значно вищий (платина допускає нагрів до 1200 0С без небезпеки окислення або розплавлення). Рівняння перетворення – нелінійне і в інтервалі температур від нуля до + 660 0С має вигляд
Rt = R0 (1 + А t + В t 2 ) , (2)
де А,В - сталі.
Нелінійність функції перетворення є основним недоліком платинових ТР. Однак висока відтворюваність залежності Rt =((t), хімічна стійкість і пластичність платини, можливість виготовлення дуже тонких ниток (до 1,25 мкм), роблять її в деяких випадках незамінною. Платину не можна використовувати у відновлюваному середовищі (вуглець, пари кремнію, калію, натрію та ін.).
Нікель застосовується до температур 250 – 300 0С. ( ( 5 ( 10 –3 1/ 0С. Електричні властивості нікелю в значній мірі залежать від домішок і термічної обробки. Переваги нікелю: високі питомий електричний опір ( у п’ять разів вищий, ніж у міді) і ТКО, що дозволяє використовувати його в тих випадках, коли ТР повинен мати малі розміри.
Низька межа температури, яка вимірюється за допомогою металічних ТР, обмежена вимогою одержання достатньої точності вимірювання в зв’язку з проблемою вимірювання малих опорів.
У більшості випадків, особливо коли перетворювач повинен мати мінімальні розміри і інерційність, знаходять застосування напівпровідникові ТР. Залежність їх опору від абсолютної температури Т достатньо точно описується виразом
RT ( R0 e([(1/T) – (1/To)] , (3)
де R0 – опір при абсолютній температурі Т0; ( - коефіцієнт, що залежить від типу напівпровідника.
Значення ТКО напівпровідника значно вище і визначається формулою
( = - ( Т / Т0 . (4)
Поряд з високим значенням ТКО ( ( 10 разів у порівнянні з металами) напівпровідникові ТР мають значно більшу величину питомого електричного опору, і як наслідок мінімальні розміри і інерційність. Недоліком є погана відтворюваність залежності Rt =((Т), для одних і тих же типів, що ускладнює їх стандартне градуювання. Однак вони знаходять широке застосування в техніці для вимірювання і контролю температури та інших фізичних величин.
На рис.1 показана конструкція термоперетворювача розробленого в Інституті фізики напівпровідників НАН України. Чутливий елемент (ЧЕ) перетворювача являє собою пластинку легованого германію, до торців якої припаяні дротяні виводи. ЧЕ може бути розміщений в корпусі, конструкція якого визначається умовами експлуатації термоперетворювача. Корпус перетворювача герметизований і заповнений гелієм.
Технічне застосування термочутливих елементів
Сучасний розвиток термометрії спрямовано на пошук нових конструктивних рішень чутливих елементів термоперетворювачів підвищеної точності та надійності. В експлуатації широке застосування знаходять термоперетворювачі для вимірювання температури різних середовищ, температури поверхні різних геометричних форм, нерухомих і рухомих тіл, електропровідних матеріалів і ізоляторів, тіл з різною теплопровідністю.
На базі ТР створено низку надзвичайно чутливих і швидкодіючих перетворювачів для вимірювання швидкості руху газових потоків (термоанемометрів). Розігрітий струмом ТР охолоджується обдуваючим газовим потоком. При сталому струмі розігріву температура ТР є функцією швидкості. Габарити ТР визначаються допустимою інерційністю термоанемометра і технологічними можливостями.
Широке застосування знайшли ТР в теплових перетворювачах для аналізу складу та вимірювання густини газу. Якщо нагрітий електричним струмом ТР помістити в камеру з досліджуваним газом і створити такі умови, щоб конвективні втрати, втрати на випромінювання і тепловий потік через тримачі ТР були мінімальні, то теплова рівновага визначатиметься потоком теплопровідності. Температура ТР при сталому струмі, незмінних геометричних розмірах і сталій температурі газу визначається складом газу і його густиною. Прилади, що базуються на цьому принципі називають газоаналізаторами і вакуумметрами.
Мініатюрні термоперетворювачі
Перетворювачі призначені для локального вимірювання температури у важкодоступних місцях різноманітних пристроїв. Чутливими елементами є ТР з НК кремнію-германію діаметром 25 мкм і довжиною (1 мм з омічними контактними струмовідводами з золотого мікродроту.
В одній з конструкцій (рис.5) ЧЕ розміщається в потоншеній торцевій частині корпусу (частіше виготовленій з матеріалу підвищеної теплопровідності) і знаходиться з нею у надійному тепловому контакті. Температура середовища сприймається торцевою частиною корпуса і через тонкий шар теплопровідної пасти КПТ-8 передається ТР, опір якого в кожний момент пропорційний діючому значенню температури. Зміна цього опору визначається за допомогою мостової вимірювальної схеми.
Рис. 5. Схема конструкції (а) і зовнішній вигляд (б) мініатюрних
термоперетворювачів: 1 – металевий корпус; 2 – потоншена торцева
частина; 3 – термочутливий елемент (НК); 4 – теплопровідна паста; 5
– контактні мікровідводи кристала; 6 – жорсткі виводи; 7 – герметик.
При конструюванні термоперетворювача оцінюється мінімальна товщина торцевої стінки і міцність різьбової частини корпусу на зріз під дією заданого тиску середовища. При цьому враховуються такі умови:
. 2. (5)
де р – діючий тиск; d - діаметр торцевої частини; x – товщина торцевої частини корпуса; ( - межа міцності матеріалу при розтягу (для сплаву Л62 ( = =3,4(108 Н/м2); dк – діаметр різьбової частини корпуса; l – довжина корпуса (l = рdк/4() ; ( - допустиме дотичне напруження ( для мідного сплаву ( = 50(106 Н/м2).
При виборі ЧЕ досліджуються термометричні параметри (номінал опору, ТКО і нелінійність характеристики) кристалів твердого розчину (сплаву) Si-Ge, легованих фосфором і бором. Необмежена взаємна розчинність Si і Ge забезпечує сплаву неперервність зміни електричних властивостей, стійкість до теплової і радіаційної дії. Змінюючи відсоткове співвідношення матеріалів вдається керувати рухливістю носіїв, яка визначається, головним чином, механізмом розсіяння, змінювати залежність опору від температури.
Результати чисельних розрахунків дозволяють виділити оптимальний тип і концентрацію легуючої домішки, склад твердого розчину для забезпечення мінімальної нелінійності характеристики при достатньо високих значеннях інших метрологічних параметрів. Лінійна температурна залежність опору характерна для твердого розчину з вмістом Si 60-80 %, легованого фосфором до концентрацій 1015 - 1016 см-3 (рис.6). Зменшення концентрації фосфору призводить до значного зростання опору кристала, що є небажаним. Збільшення концентрації фосфору знижує ТКО (тобто чутливість) перетворювача і збільшує нелінійність його характеристики.
Рис.6. Термометричні характеристики твердого розчину Si0,7 Ge0,3, легованого
фосфором: а) ТКО; б) нелінійність характеристики. Концентрація фосфору
(см-3): 1 – 5,6 1015; 2 – 1016; 3 – 1,8 1016; 4 – 3,2 1016; 5 – 5,6 1016; 6 – 1017.
У порівнянні з напівпровідниковими термоперетворювачами інших типів, які працюють в інтервалі температур від –50 до +50 і від +20 до +120 0С, перетворювачі на НК мають такі переваги: малі розміри і масу (довжина 4 мм, діаметр 2-2,5 мм, маса (0,5 г); низьку теплову інерційність ( 0,1-0,3 с); високу чутливість (по вихідному сигналу мостової схеми 500 мкВ/град.); лінійну статичну характеристику (нелінійність не перевищує 2 %); достатню величину опору ТР ((1 кОм) при кімнатній температурі, зручну для узгодження перетворювача з вторинною апаратурою. Дозволяють швидко проводити вимірювання температур в складних умовах експлуатації (великі тиски, значні перевантаження і вібрації, агресивні середовища).
Перетворювачі швидкості газового потоку (термоанемометри)
Не менш перспективним є застосування НК Si–Ge для вимірювання швидкості газового потоку (витрати). Розроблено термомодульний анемометричний перетворювач, який має в порівнянні з існуючими приладами, більш високу чутливість і підвищену механічну міцність, що забезпечує його працездатність в запорошених газових потоках в широкому діапазоні швидкостей.
Перетворювач містить два НК, які мають рівні початкові опори і рівні, але протилежні за знаком ТКО і працюють у суміжних плечах мостової схеми.
На рис.7 показана конструкція і загальний вигляд перетворювача швидкості потоку, який містить металевий корпус 1, в якому закріплений керамічний кристалотримач 2, всередині якого розміщені струмовідводи 4. Кристали 3 знаходяться в коралику 5 з теплопровідної пасти, яку для підвищення механічної стійкості покривають тонким шаром 6 епоксидного компаунда з алундовим наповнювачем. Діаметр коралика не перевищує 1,5 – 2 мм.
Рис. 7. Конструкція і загальний вигляд терморезистивного перетворювача
швидкості потоку.
При розігріві кристалів робочим струмом на поверхні коралика встановлюється деяка початкова температура Тп, яка зменшується при обдуванні. Якщо на початку обдування міст збалансований, то при обдуванні внаслідок зміни температури, а значить, і опору кристалів з’являється напруга розбалансу
(6)
де U0 – напруга живлення; (Rп – значення (R, яке відповідає температурі поверхні Тп .
Якщо залежність R(Т) лінійна, то
, (7)
де ( - абсолютне значення ТКО кристалів.
При сталій напрузі живлення потужність, яка виділяється в коралику є сталою при будь-якій температурі. Залежність температури перетворювача від швидкості потоку при цьому визначається формулою
(8)
де То – температура оточуючого середовища; С – коефіцієнт, зумовлений значенням потужності, що виділяється, геометрією коралика і параметрами обдуваючого потоку. Підставляючи вираз (8) в (7), одержуємо функцію перетворення в явному вигляді:
, (9)
Вираз (9) добре узгоджується з експериментальними результатами
Чутливість перетворювача
(10)
зменшується зі зростанням швидкості потоку.
Терморезистивний перетворювач лінійних переміщень
Застосування напівпровідникових терморезисторів з НК як чутливих елементів відкриває широкі можливості у створенні перетворювачів лінійних переміщень та інших механічних величин (зокрема сили, тиску, прискорення), які можуть бути приведені до переміщення.
Особливістю застосування НК є те, що використовуючи кристали з практично будь-якою залежністю опору від температури (лінійною, експоненціальною, степеневою) вдається розширити функціональні можливості вимірювальних перетворювачів. Значна величина ТКО забезпечує їх високу чутливість. Коаксіальне розміщення чутливого елемента всередині нагрівача забезпечує найкращі умови теплопередачі та встановлення теплової рівноваги без спотворення температурного поля нагрівача, що додатково знижує інерційність перетворювачів.
На рис.8а показані схема та елементи конструкції перетворювача лінійних переміщень і сил, який містить роз’ємний корпус з закріпленими в ньому пружним елементом (сильфоном) 2 і мініатюрним нагрівачем 4. З сильфоном жорстко з’єднані вимірювальний стержень 1 і кристалотримач з НК 3. У верхній частині корпуса розміщена вихідна панель для під’єднання електричних виводів кристала і нагрівача.
Якщо на вимірювальний стержень діє переміщення (або сила), сильфон деформується що призводить до переміщення кристалотримача з чутливим елементом і зміни його положення відносно нагрівача. Така зміна переміщення викликає пропорційну зміну опору кристала.
а
Рис. 8. Принципова схема терморезистивного перетворювача лінійних переміщень і сил (а) і
загальний вигляд елементів його конструкції (б): 1- корпус з розміщеним у ньому
пружним елементом; 2 – нагрівальний вузол; 3 – кристалотримач.
Фізичну модель терморезистивного перетворювача можна подати у вигляді послідовної низки функціональних елементів:
Пружного елемента, який сприймає вимірювану величину і перетворює її в лінійне переміщення.
Циліндричного нагрівача, який створює неоднорідний розподіл температури вздовж осі.
Термочутливого елемента (НК), який змінює свій опір в залежності від температури створеної нагрівачем.
Мостової вимірювальної схеми з одним або двома активними плечами (рис.9).
Рис. 9. Робота терморезистивного перетворювача у вимірювальній схемі.
Функція перетворення такого пристрою має вигляд
, (11)
де U0 – напруга живлення схеми (кристала); ( - ТКО кристала; К – коефіцієнт, який характеризує градієнт температури нагрівача; F – осьове зусилля; ( -коефіцієнт Пуассона; Е – молуль пружності матеріалу сильфона; n – число гофр; (с – кут обтискання сильфона; h0 –товщина стінки; Rв – внутрішній радіус сильфона; А0, А1, А2 і В0 – коефіцієнти, які залежать від розмірів сильфона і визначаються за номограмами.
Функціональні схеми і загальний вигляд конструкцій терморезистивних перетворювачів тиску та прискорення показано на рис. 10.
а
б
Рис. 10. Схеми конструкцій (а) і загальний вигляд (б) терморезистивних
перетворювачів тиску та прискорення.
Розглянуті терморезистивні вимірювальні перетворювачі можна вважати напівпровідниковими аналогами перетворювачів у вигляді електронних ламп з механічно керованими електродами – механотронів і манотронів, значно складніших за конструкцією і технологією виготовлення (рис.11).
а б
Рис. 11. Конструкції механотронних перетворювачів: а) переміщень і сил (з одним і двома
рухомими анодами); б) перетворювач тиску (манотрон); 1 – оксидний катод;
2 – аноди; 3 – мембрани (сильфон); 4 – вимірювальні стержні (патрубок);
5 – контактні пружинки.
Методи експериментального дослідження терморезистивних перетворювачів
Лабораторні випробування проводять в процесі розроблення перетворювачів з метою визначення їх технічних можливостей, підтвердження розрахункових значень параметрів, визначення межі працездатності. При відпрацюванні макетних зразків перетворювачів вивчають вплив на них кліматичної і механічної дії, оцінюють їх працездатність, визначають метрологічні характеристики, закон розподілу ресурсів, аналізуються динамічні характеристики.
Обсяг цих досліджень залежить від степені новизни розробленої конструкції перетворювача, степені вивченості питань, пов’язаних з технічним рішенням, яке закладено в конструкцію приладу. Завданням початкових випробувань є також покращення технічних характеристик перетворювачів.
Лабораторні випробування завершують етап ескізного проектування. При цих випробуваннях перевіряється правильність закладених методів перетворення, підтверджується принципова можливість досягнення заданих метрологічних характеристик, оцінюється стійкість макетних зразків перетворювачів до дії зовнішніх факторів.
При плануванні випробувань розробник не зв’язаний будь-якими жорсткими рамками, оскільки матеріали і результати цих випробувань необхідні перш за все йому. На відміну від контрольних випробувань, які регламентовано відповідною технічною документацією, яка визначає план експерименту.
Випробування включають:
Зовнішній огляд, при якому встановлюється відсутність помітних дефектів і механічних пошкоджень.
Вимірювання електричних параметрів і величин опорів ТР, нагрівачів, електричної міцності ізоляції.
Зняття вихідних характеристик у робочих діапазонах вимірювань.
Визначення варіації показів основних і додаткових похибок.
Для визначення похибок перетворювачів необхідно випробувальні стенди, які дозволяють закріплювати перетворювач нерухомо і задавати на ньому плавно зміну вимірюваного параметра з точним відліком величин цього параметра. Як правило використовуються прецизійний вимірювальний пристрій.
Для перетворювачів температури температурна залежність опору, величина його температурного коефіцієнту досліджується при кількох температурах. При цьому суттєвим є підтримання сталою, з можливо більшим степенем точності, температури середовища, в якому знаходиться термоперетворювач. При вимірюванні використовуються термостати типу ТС, які дозволяють підтримувати температуру у вимірювальній камері сталою з точністю від (0,02 до (0,03 0С. Напруга живлення вимірювальної схеми повинна бути мінімальною для того, щоб виключити нагрів термоперетворювача робочим струмом і забезпечити необхідну точність вимірювання .
Величина вихідного сигналу, який знімається з мостової схеми пропорційна току через кристал І, початковому опору RT, відносному приросту опору (, співвідношенню опорів в плечах К:
U = I RT ( K/K+1. (14)
Співвідношення опорів в плечах
RT /R2 = R4 /R3 = 1/K (15)
впливає як на величину вихідного сигналу схеми, так і на лінійність вихідної характеристики при сталій напрузі живлення. Чим більше К, тим менше нелінійність оскільки ( має лінійну залежність від температури. Оптимальне його значення вибрано рівним 10.
Стенд для випробування термоанемометрів містить компресор, ротаметр РС-8, блок живлення Б5-44А, цифровий вольтметр В7-16, відрізок трубопроводу з тримачем анемометра. Рівномірний повітряний потік заданої швидкості V від кількох міліметрів до кількох метрів в секунду забезпечується голчастим вентилем. Залежний від швидкості потоку електричний сигнал реєструється мостовою схемою (рис.14) в обидва плеча якої увімкнуті ТР R1, R2. Передбачена можливість зрівноваження схеми (встановлення нуля) у спокійному повітрі. Резистор R, увімкнутий в колі джерела живлення, служить для регулювання (встановлення) робочого струму ТР. Розігрів чутливого елемента становить ( 100 0С. До іншої діагоналі моста під’єднано вимірювальний прилад.
аб
Рис.14. Схема увімкнення термоанемометра (а) і загальний вигляд комплекту
для контролю швидкості потоку (б): 1 – вимірювальний відрізок
трубопроводу з термоанемометром; 2 - блок живлення і вимірювальної
схеми; 3 – реєструючий прилад.
Висока чутливість термоанемометричного перетворювача при мінімальних геометричних розмірах дозволяє вимірювати малі локальні швидкості потоку з достатньо високою точністю.
Для випробувань перетворювача лінійних переміщень в статичному режимі використовується стенд, загальний вигляд якого показано на рис.15а. Він дозволяє нерухомо закріпити перетворювач і плавно зміщувати за допомогою мікрометричного гвинта його вимірювальний стержень, проводячи точний відлік величини зміщення за показом індикатора годинникового типу. На цьому стенді досліджувалися вихідні характеристики перетворювача R = f (Х), U = f (Х).
а б
Рис. 15. Стенди для дослідження терморезистивного перетворювача лінійних
переміщень в статичному (а) і динамічному (б) режимах роботи.
Повніше вивчення функціональних можливостей перетворювача можливе шляхом дослідження його роботи в динамічному режимі. Для цього використовується спеціальний стенд, спрощена схема якого показана на рис. 15б. Зміна переміщення вимірювального штока задається ексцентриком, який обертається редукторним електродвигуном. Вказівником фази ексцентрика є електрична щітка, яка контактує з боковою поверхнею ексцентрика на якій є ізолююча вставка. При порівнянні осцилограм вихідного сигналу (з перетворювача) і вхідного (в колі щітка-ексцентрик) легко визначається зсув фаз між ними.
Зміна вихідного сигналу при стрибкоподібній зміні переміщення від Хм до нуля відбувається за законом
U(t) = Uм е -(t – t()/( ,
де t’ – тривалість вхідного імпульсу; ( - стала часу.
Фізично тривалість перехідного процесу визначається кінцевим часом встановлення теплової рівноваги всередині нагрівача при введенні в нього кристалотримача з ТР.
Для дослідження метрологічних характеристик перетворювача тиску використовується стенд, схема якого показана на рис. 16. Стен дозволяє плавно змінювати величину тиску в межах від’ємних і додатних значень. Як контрольний вимірювач тиску використовується U-подібний манометр з оптичною приставкою і зразковий манометр типу МО.
Висновок: на цій лабораторній роботі я ознайомився з принципом побудови, особливостями конструювання та технології виготовлення напівпровідникових вимірювальних перетворювачів механічних та теплових величин з терморезистивними чутливими елементами на основі ниткоподібних кристалів (НК).
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора