Параметричні та генераторні первинні вимірювальні перетворювачі

1. ОСНОВИ СЕНСОРИКИ

2 ПАРАМЕТРИЧНІ ТА
ГЕНЕРАТОРНІ ПЕРВИННІ
ВИМІРЮВАЛЬНІ
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

2. Параметричні та генераторні первинні вимірювальні перетворювачі

• Оскільки основним елементом засобів
вимірювання неелектричних величин є
первинний вимірювальний перетворювач,
то зміна вхідної величини може призвести
до зміни його характеристичного параметру
(опору, ємності, індуктивності, струму або
напруги).
• Тому первинні перетворювачі поділяють на
дві основні групи:
– генераторні
– та параметричні.

3. Параметричні та генераторні первинні вимірювальні перетворювачі

• До генераторних ПП відносять ті, які під впливом
дії неелектричної величини (швидкість повітря,
сонячна радіація, концентрація розчину
електроліту, температура тощо) змінюють свій
вихідний параметр – струм або напругу.
• До параметричних відносять ПП, які під впливом
дії неелектричної величини (температура,
вологість повітря, концентрація розчину,
запиленість тощо) змінюють свій характеристичний
параметр.
– Особливістю роботи таких перетворювачів є необхідність
додаткового джерела енергії, що надходить від
електричної схеми збудження.
– Параметричні вимірювальні перетворювачі поділяють на
резистивні, ємнісні та індуктивні.

4. Генераторні вимірювальні перетворювачі

• У генераторних перетворювачах зовнішній
вплив (вхідна величина) перетворюється у
вихідний сигнал, який має енергетичні
властивості.
• Клас таких перетворювачів не дуже
великий, однак, вони застосовуються
доволі широко завдяки їх простоті та
незалежності від енергопостачання.

5. Термоелектричні перетворювачі.

• Температура впливає на перебіг більшості процесів і явищ,
що відбуваються у природі, опрацьовуються в лабораторіях і
на промислових підприємствах.
• У зв'язку з цим вимірювання температури має велике
практичне значення.
• Для її вимірювання, як правило, використовують сенсорні
пристрої, які отримали назву датчиків температури.
• Датчики температури – вимірювальні пристрої, вхідною
(вимірюваною) величиною яких є температура, а вихідною
(вихідним сигналом) будь–яка величина, яка однозначно
залежить від температури.
• Найпростіше в якості вихідного сигналу мати сигнали
електричні, оскільки їх обробку можна проводити
дистанційно.
• Поміж електричних датчиків температури найбільшого
поширення в лабораторіях і промисловості набули
термоелектричні перетворювачі, оскільки вони
дозволяють розв’язувати задачу вимірювання
температури досить простими способами.

6. Термоелектричні перетворювачі

• Принцип дії термоелектричного перетворювача
(термопари) ґрунтується на використанні
термоелектричного ефекту, суть якого полягає у
виникненні термоелектричної рушійної сили
(термоЕРС) в електричному колі, що складається з
двох різнорідних провідників або напівпровідників.
• У 1797 році італійський вчений Вольта відкрив, що при
з’єднанні двох різних металів між ними виникає різниця
потенціалів .
• Він встановив, що якщо з'єднати два метали з такого ряду
(ряд Вольта): Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd,
то один метал заряджається позитивно, а інший – негативно.
• При цьому різниця потенціалів залежить від природи металів
і температури.

7. Принцип дії термопари

• У термоелектричних сенсорах
для вимірювання температури
використовується відкрите у
1821 р. Зеєбеком явище
термоелектрики (ефект
Зеєбека).
• Якщо два провідники з різних
металів А і В з’єднати кінцями в
замкнутий контур і місця
з'єднання (спаї 1 та 2)
розмістити при різних
температурах Т1 і Т2, то в
контурі виникне електричний
струм.
• Зміна знака різниці температур
спаїв супроводжується зміною
напрямку струму.
1
А
В
Т1
І
Т2
2

8. Принцип дії термопари

• Провідники, що утворюють спаї, називають
термоелектродами, а сам пристрій – термопарою.
• Один із спаїв, що розміщують у середовищі, температура
якого вимірюється, є робочим кінцем термопари, а другий,
що знаходиться при постійній температурі, є вільним кінцем
термопари.
• Як правило, вільний спай термопари підтримують при
температурі 0 С.
• Важливим є те, що термоелектричний контур можна
розімкнути у будь–якому місці і включити в нього один або
декілька однакових чи різнорідних провідників.
• Якщо їх місця з'єднання знаходяться при однаковій
температурі, то паразитної термоелектрорушійної сили не
виникає.
• Це дозволяє, наприклад, подовжувати вільні кінці термопари
за допомогою матеріалів, що мають добру
електропровідність.

9. Принцип дії термопари

• Термоелектрорушійна сила, що виникає при
контакті двох металів обумовлена трьома 1
причинами:
А
– залежністю рівня Фермі від температури;
– дифузією електронів;
– захопленням електронів фононами.
В
Т1
І
• Положення рівня Фермі у металі
залежить від його температури.
Т
• Тому стрибок потенціалу при переході
з одного металу в іншій (тобто внутрішня
2
контактна різниця потенціалів) для спаїв,
що знаходяться при різних температурах,
неоднаковий.
• Відповідно сума стрибків потенціалу не дорівнює
нулю.
• Одного цього достатньо для виникнення ЕРС в
електричному колі.
2

10. Принцип дії термопари

• Різниця потенціалів виникає через різні
концентрації електронів провідності в
різних металах.
• Якщо з'єднані два метали з концентраціями
електронів провідності n1 і n2, причому
n1>n2, то електрони будуть переходити з
першого металу в другий доти, поки
електрохімічні потенціали обох металів не
стануть рівними
F1 e 1 F2 e 2

11. Принцип дії термопари

• Конструктивно термопара являє собою два дроти з
різних металів чи сплавів, спаяних одним кінцем
• Інші кінці з'єднані через мілівольтметр чи
потенціометр для вимірювання малої різниці
потенціалів , що виникає в термопарі. Цю
різницю потенціалів називають термоЕРС і
позначають ε
mV
mV
Cu
Fe
t0C
a)
Cu
Cu
t1=00C
Fe
б)
t20

12. Принцип дії термопари

• 2) Щоб зрозуміти другу причину виникнення
термоЕРС, розглянемо однорідний металевий
провідник, уздовж якого створено градієнт
температури dT/dl
T1<Т2
Т1
Т2
dT/dl
l
EF
• Верхня стрілка вказує напрям дифузії швидших
електронів, нижня стрілка – напрям дифузії
повільніших електронів

13. Принцип дії термопари

• У цьому випадку концентрація електронів з енергією, що
більша, ніж енергія Ферм, у нагрітого кінця буде більшою,
ніж у холодного; концентрація ж електронів з енергією, що
менша, ніж енергія Фермі, буде, навпаки, у нагрітого кінця
меншою.
• У результаті вздовж провідника виникає градієнт
концентрації електронів із заданим значенням енергії.
• Це спричиняє дифузію швидших електронів до холодного
кінця, а повільніших – до гарячого.
• При цьому дифузійний потік швидких електронів буде
більшим, ніж потік повільних електронів.
• Тому поблизу холодного кінця утворюється надлишок
електронів, а поблизу теплого – їх нестача.
• Це приводить до виникнення дифузійного додатка термоЕРС.
T1<Т2
Т1
Т2
dT/dl
l
EF

14. Принцип дії термопари

• 3) Третя причина виникнення термоЕРС полягає в захопленні
електронів фононами.
• За наявності градієнта температури вздовж провідника
виникає дрейф фононів.
• Стикаючись з електронами, фонони надають їм направлений
рух від більш нагрітого кінця провідника до менш нагрітого.
• У результаті відбувається накопичення електронів на
холодному кінці і збіднення електронами гарячого кінця.
• Це приводить до виникнення «фононного» доданка
термоЕРС.
• Обидва процеси – дифузія електронів і захоплення
електронів фононами – приводять до утворення надлишку
електронів поблизу холодного кінця провідника і нестачі їх
поблизу гарячого кінця.
• В результаті всередині провідника виникає стороннє (не
електростатичне) поле Ест*, направлене назустріч градієнту
температури.

15. Загальні вимоги до матеріалів термопар.

• Для зручності вимірювань температури за допомогою
термопари бажано, щоб її термоЕРС була значною, а
електроопір не дуже високим.
• У цьому випадку можна вимірювати температуру без
особливих додаткових пристроїв, таких, наприклад, як
підсилювач, а також на значній відстані між термопарою і
вимірювальним приладом.
• Для підбору пар матеріалів термопари користуються рядом
термоелектричних потенціалів.
• Оскільки виміряти потенціал окремого термоелектрода
залежно від температури важко, він вимірюється відносно
Pt T 0 що
платини, для якої вважається,
• Термоелектрод, розміщений у цьому ряду вище, завжди
позитивний по відношенню до розміщеного нижче.
• Чим далі лежать матеріали у термоелектричному ряду один
стосовно одного, тим більше термоЕРС генерує термопара.

16. Загальні вимоги до матеріалів термопар.

• Слід також враховувати, що термоелектрична
характеристика термопари повинна бути лінійною у як
можна ширшому діапазоні температур.
• Матеріали для термопар повинні мати як можна вищу точку
плавлення, щоб термопара працювала стабільно у робочому
інтервалі температур, та бути доступними.
• Вони повинні легко оброблятися для отримання потрібної
форми сенсора (дріт, стрічка).
• В матеріалі термоелектродів у робочому діапазоні температур
не повинно відбуватися алотропічних перетворень, що
викликають стрибкоподібні зміни термоЕРС.
• Термоелектроди повинні мати достатню корозійну стійкість
як в окиснювальному, так і відновному середовищі (реакції,
які супроводжуються зміною ступеню окиснення елементів,
називаються окиснювально-відновними).
• У процесі експлуатації в результаті утворення окалини або
окрихчування їх термоелектричні властивості не повинні
змінюватися.

17. Переваги термопари як датчика температури

– Лінійність характеристики перетворення;
– Невелика інерційність в силу формування термоЕРС в
малому обсязі контакту;
– Можливість вимірювання температур в широкому
діапазоні значень: від наднизьких (залізо–золото) до
дуже високих ~ 3000 К (графіт–карбід титану, графіт–
цирконат бору);
– Термопари прості у виготовленні;
– Як правило вони дешеві (крім тих, котрі виготовляються із
благородного металу – срібла, золота, платини чи родію);
– Термопари можна робити малих розмірів і вводити
всередину об’єкту вимірювання (тканини) у вигляді голки.
– Вищенаведеним вимогам відповідають такі термопари:
Cu–константан, хромель (NiCr)–константан, Fe–
константан, хромель–алюмель (NiCr–Ni), палаплат
(PtRh5–AuPd46Pt2), платинель (PdPt31Au24–AuPd35)

18. Переваги термопари як датчика температури

• Для підвищення чутливості з термопар
збирають так звані термобатареї.
• За допомогою термобатарей можна
зафіксувати різницю температур ~ 0,000..1
К.

19. Переваги термопари як датчика температури

• Термобатареї використовуються також в якості
малопотужних генераторів струму, де ККД
перетворення теплової енергії в енергію
електричного струму сягає 75% і вище (при
використанні напівпровідників з різними типами
провідності).
• Основні втрати в таких генераторах обумовлені
теплопровідністю.
• Примітною властивістю таких генераторів є

20. Індустріальні термопари

21. Індустріальні термопари

22. Індустріальні термопари

23. Похибки вимірювань

• Напруга на виході термопари залежить не тільки
від внутрішньої контактної різниці потенціалів ,
але також від джоулева тепла , яке змінює
температуру термопари і вносить температурну
похибку ефекту Пельтьє і ефекту Томпсона…
• Для зменшення джоулева тепла схема вимірювань
повинна мати великий вхідний імпеданс.
• Ефект Пельтьє (Ш. Пельтьє, 1834 г.) полягає у
виділенні або поглинанні тепла при проходженні
електричного струму через контакт двох різних
провідників…
• У відомому досвіді Ленца на стику стрижнів з
вісмуту і сурми була поміщена крапля води.
• При пропущенні електричного струму в одному
напрямі вода замерзала, а при пропущенні струму
в протилежному напрямку лід, що утворився,
танув.
• Для металів коефіцієнт Пельтьє ~ 0,01 –0,001 В, а

24. Похибки вимірювань

• Ефект Пельтьє використовується для створення
холодильників, де температура знижується до –20
град.С.
• Причина ефекту Пельтьє полягає в тому, що
середня енергія носіїв струму в двох провідниках,
що знаходяться в контакті, не дивлячись на збіг
рівня Фермі, різна.
• Для ілюстрації показаний контакт металу і
напівпровідника p–типу.
Е
Еv
Еw
0Е
Еw
Еk
0
Еk
Еv
Еv

25. Похибки вимірювань

• Ефект Пельтьє приводить до зниження або
підвищення температури контакту відносно
температури середовища, тому він вносить
температурну похибку, впливаючи на різницю
температур Т1 –Т2 і, відповідно, величину
вимірюваної напруги V.
• Ефект Томсона (теоретично передбачений У.
Томсоном в 1856 р., виявлений експериментально
Леру в 1867 р) спостерігається в неоднорідно
нагрітих провідниках, по яких протікає
електричний струм.
• Ефект полягає в тому, що при проходженні струму
в нерівномірно нагрітому провіднику має
відбуватися додаткове виділення (поглинання)

26. Похибки вимірювань

• Це явище можна пояснити таким чином.
• Оскільки в більш нагрітій частині провідника
електрони мають більшу середню енергію, ніж в
менш нагрітій, то, рухаючись у напрямі зменшення
температури, вони віддають частину своєї енергії
граткам, внаслідок чого відбувається виділення
теплоти Томсона.
• Якщо ж електрони рухаються у бік зростання
температури, то вони, навпаки, поповнюють свою
енергію за рахунок енергії ґраток, внаслідок чого
відбувається поглинання теплоти Томсона.

27. Похибки вимірювань

• Ефект Томсона пояснюється аналогічно ефекту Пельтьє.
• Якщо уздовж провідника, по якому протікає струм, існує
градієнт температури, і якщо струм тече в напрямку зростання
температури, то електрони рухаються з місць з більш високою
температурою і більш високою кінетичною енергією в області з
більш низькою температурою.
• В результаті відбувається гальмування електронів, які
передають надлишкову енергію оточуючим атомам в процесі
зіткнення, тобто виділяється теплова енергія.
• Для дірок ефект має зворотний знак.
А
I
В
Ta
a
QГ ‹ 0
dT/dx
1000C
00C
QГ › 0
Tb
b
С
I
Tb › Ta
D

28. Похибки вимірювань

• Нерівномірно нагрітий провідник (напівпровідник)
поводиться як система фізично різних провідників
(напівпровідників), які знаходяться в контакті.
• Томсон прийшов до висновку і підтвердив це емпірично, що
на кордонах таких ділянок відбувається виділення
(поглинання) теплоти Пельтьє.
• Таке явище було названо явищем Томсона , а теплота, яка
виділяється на кордонах цих ділянок, називається теплотою
Томсона .
• Ефект Томсона пояснюється зміною властивостей провідників
при нагріванні.
• Спочатку однорідний провідник при нерівномірному
нагріванні перетворюється в неоднорідний.
• Отже, явище Томсона, по своїй суті, є ефектом Пельтьє.
• Тільки неоднорідність в даному випадку викликається не
хімічним відмінністю складу речовини, а градієнтом
температури.

29. Похибки вимірювань

• Ефект Томсона вносить температурну похибку при
вимірюванні температури за допомогою
термопари.
• Важливо відзначити, що гальванічні напруги,
викликані вологістю і корозією, можуть виявитися
на 2–3 порядки більше термоЕРС.
• Індустріальні термогенератори

30. Індустріальні термогенератори

• У 2019 році австралійський стартап Climate Change
Technologies уклав угоду з компанією Stillmark
Telecommunications для виведення на ринок
акумуляторів нового типу.
• Пристрій має назву «Thermal Energy Device» або
термобатарея.
• Виробництво перших батарей, які за всіма
параметрами перевершують літій–іонні аналоги,
почнеться вже в 4 кварталі.

31. Індустріальні термогенератори

термогенератори
• На першому етапі CCT планує випустити 200
екземплярів пристроїв, які буде коштувати на 20–
40% дешевше Li–Ion акумуляторів.
• Апарат, розроблений австралійськими інженерами,
поглинає електроенергію і зберігає її в формі
прихованого тепла.
• Електрика при цьому може надходити з будь–яких
джерел – енергомережі, ТЕС, сонячних або
вітрових установок.
• Система нагріває і розплавляє кремній в
спеціальній камері з теплоізоляцією.
• Пристрій оснащений тепловим двигуном, який
перетворює тепло в електричну енергію.

32. Індустріальні термогенератори

• Стандартна установка розрахована на 1,2
МВт * годину, але при необхідності можна
об'єднати кілька модулів і зібрати
надпотужний накопичувач на кілька сотень
мегават.
• При блекауту така батарея буде працювати
в автономному режимі до 48 годин

33. Індустріальні термогенератори

• Термогенератор НONEYWELL TEC1-12706 SP1848
(FD3919)
• Розмір: 40x40x4мм;
• Кількість термопар: 127;
• Максимальна напруга: 15,4V;
• Максимальний струм: 6A;
• Максимальна потужність: 53W;
• Максимальна робоча температура: 80°C.
Загальна структура

34. Контрольні запитання і завдання

Що таке вимірювальний перетворювач, сенсор, датчик?
Дайте визначення. Пояснить, яка різниця в формулюваннях?
Узагальнена структура сенсора. Основні вимоги до сенсорів?
Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів.
Які особливості критеріїв класифікації розробника
електронних систем і розробника ПП?
Які характеристики прийняті в якості класифікаційних ознак
ПП?
Класифікація ПП за вимірюваним параметром.
Класифікація ПП за принципом дії, характером вихідного
сигналу.
Класифікація ПП за середовищем передачі інформації,
кількістю вхідних величин і технологією виготовлення.
Параметричні і генераторні первинні вимірювальні
перетворювачі.