Термоэлектрические датчики: устройство, принцип действия, примеры применения в метеорологических приборах
Принцип действия термоэлектрических датчиков (термопар) основан на, возникновении электродвижущей силы в цепи, составленной из спаянных между собой разнородных металлов (рис.1.11), и помещенной в такие условия, что температуры спаев неодинаковы.
Рис.1.11
Один из спаев обычно называется рабочим концом термопары так как он подвергается воздействию измеряемой температуры. Второй спай называется свободным концом. Если температуру второго спая термопары поддерживать постоянной, то ток, проходящий через гальванометр, включенный в цепь термопары, будет зависеть только от температуры ее рабочего конца.
Развиваемая термопарой э. д. с. даже при большом различии в температурах на ее концах невелика (единицы или десятки милливольт), поэтому для повышения чувствительности датчиков термопары соединяют последовательно, образуя так называемую термобатарею.
Наиболее широко распространены термопары, составленные из следующих пар металлов: платинородий — платина (эталонная термопара), медь—копель, железо—копель, хромель—ко-пель и др.1
— Графическое обозначение термопары.
Так, например, термобатарея пиранометра состоит из 87 термопар. Каждая термопара состоит из манганиновых и константановых ленточек сечением 0.65Х X0,025 мм. Ленточки расположены в одной плоскости и спаяны последовательно. Поверхность батарей для получения большей разности температур (а, следовательно, для повышения чувствительности прибора) окрашивается последовательно в черный и белый цвета, так, чтобы все нечетные спаи находились на черных участках, а все четные спаи – на белых. Ленточки уложены зигзагообразно на прямоугольных рамках располагаются в шахматном порядке. К выводам термобатареи подключают гальванометр. Шкала гальванометра проградуирована в единицах измерения радиации (Вт/м2с).
|
|
На рис. 1.12,а показан внешний ид пиранометра, на рис. 1.12,б – вид фотоприемника пиранометра сверху.
1,2 нечетный и четные спаи,
3 - константан, 4 – манганин.
Рис.1.12
Задача. Определить чувствительность термобатареи, состоящей из 87 последовательно соединенных термопар. Чувствительность одной термопары равна 42 мкВ/град.
Решение.
Так как термопары соединены в батарее последовательно, то суммарная э.д.с. в ее цепи будет равна
Еб = nЕ= n at, (1)
где Е - э.д.с. одной темопары,
n – число термопар в батарее,
a - чувствительность одной термопары,
t – разность температур «горячих» и «холодных» спаев термопары.
По определению чувствительность термобатареи равна aб=
Учитывая (1), получим aб=na
Вычислим: aб
aб= 87*42 мкВград=3444 мкВ/град=3,4 мВ/град.
|
|
Ответ: Чувствительность термобатареи равна 3,4 мВ/град.
Фотоэлектрические датчики
Фотоэлектрические датчики широко используются в различных автоматических системах, в том числе в метеорологических измерительных системах: в системах измерения дальности видимости, высоты облачности, в схемах контроля солнечного сияния и др.
В фотоэлектрических датчиках главными конструктивными элементами являются фотоэлементы. В настоящее время используются полупроводниковые фотоэлементы. К ним относятся: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.
Принцип действия этих приборов основан на явлении внутреннего фотоэффекта, который состоит в увеличении свободных носителей заряда (электронов или дырок) в полупроводниковом материале при его освещении.
Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием излучения. Фоторезисторы широко применяются как датчики освещенности в измерительной технике.
На рис. 1.13, а показано устройство фоторезистора, а на рис. 1.13, б —схема его включения. На основание 1 из электроизоляционного материала наносится тонкий слой полупроводника 2, к которому крепятся внешние выводы 3. В исходном состоянии концентрация носителей в полупроводниковом слое мала и при отсутствии освещения его сопротивление составляет 104 – 106 Ом. В цепи фоторезистора протекает ток, который называют темновым. Он составляет доли миллиампера. Выходное напряжение UB ыч практически равно нулю.
|
|
а б
Рис. 1.13
При освещении поверхности полупроводника за счет внутреннего фотоэффекта в слое полупроводника появляются дополнительные носители заряда. Сопротивление фоторезистора R уменьшается в несколько сотен раз. Соответственно увеличивается ток Iф и напряжение UB ыч .
При увеличении Ф увеличивается концентрация носителей и Iф тоже увеличивается. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют и сопротивление фоторезистора опять увеличивается, ток в его цепи уменьшается практически до нуля.
Вольтамперная характеристика фоторезистора линейна. Это значит что чувствительность фоторезистора (a=Iф/Ф) зависит от освещенности. Поэтому при использовании фоторезистора в качестве датчика освещенности напряжение питания в его схеме должно быть стабилизированным. Для уменьшения зависимости Iф от напряжения питания фоторезистор в измерительных схемах часто освещают световыми импульсами. В этом случае в цепи фоторезистора формируются электрические импульсы, параметры которых (например, частота) несут информацию о контролируемом процессе.
|
|
Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с n-р-переходом.
Устройство фотодиода показано на рис. 1.14,а, а схема его включения — на рис. 1.14, б. Основой фотодиода является кристалл германия или кремния двухслойной структуры (1) (рис. 1.14, а). Он имеет выводы от слоя р (2) и от слоя n (3). В корпусе фотодиода устроено окно, через
которое световой поток Ф попадает в область p-n-перехода. Фотодиод работает при обратном смещении p - n -перехода. При отсутствии освещения через него протекаем темновой ток, близкий к нулю.
При освещении фотодиода в области p - n -перехода генерируются дополнительные носители заряда — электроны и дырки. Ток через переход
а б
Рис. 1.14
увеличивается почти линейно со световым потоком Ф и может в сотни и тысячи раз превосходить темновой. После затемнения Iф уменьшается до исходного значения. Инерционность фотодиодов значительно меньше, чем фоторезисторов.
Фотодиоды могут работать в генераторном режиме. В этом случае они включаются на нагрузку без дополнительного источника питания. ЭДС между выводами фотодиода создается за счет разделения возникающих носителей заряда электрическим полем перехода. Это поле направлено от слоя п к слою р. Под его действием образующиеся дырки направляются в область р , а электроны — в область n. Возникшая ЭДС может достигать для кремния 0,4—0,5 В, а для арсенида галлия — 0,8—0,9 В. Под действием этой ЭДС в цепи будет протекать ток. Фотодиод, работающий в генераторном режиме преобразует световую энергию непосредственно в электрическую. Поэтому он может использоваться как маломощный источник постоянного тока.
Путем параллельного и последовательного включения многих фотоэлементов получают так называемые солнечные батареи. От солнечных батарей можно получить значительные напряжения и достаточную мощность для питания различных потребителей. Солнечные батареи являются основными источниками питания на космических кораблях и искусственных спутниках.
Фототранзистор но конструкции похож на обычный транзистор, но он предусматривает возможность освещения базы. Если фототранзистор включить по схеме, показанной на рис. 1.15 , то при отсутствии освещения фототранзистор работает как обычный транзистор, т. е. он закрыт (Iк=0). При попадании света на базу транзистора в области базы появляются дополнительные носители заряда: электроны и дырки. Дырки, как неосновные носители, переходят из базы в коллектор под действием коллекторного напряжения. Дополнительные электроны перемещаются из базы в эмиттер и далее в коллектор. Чем выше освещенность базы, тем выше значение коллекторного тока. Чувствительность фототранзистора к освещенности значительно выше чувствительности фоторезистора
Рис. 1.17
Литература:[1, с. 20 – 22; 32 – 58; 2, с. 40 – 56; 92-96; 120-121; 165-167; 337-341; 3, с. 258 – 276; 4, с. 14 - 35].
Вопросы для самоконтроля
1. Определите функциональное назначение датчиков.
2. В чем состоит практическая необходимость использования датчиков в автоматических гидрометеорологических системах?
3. Поясните физический смысл величины «чувствительность датчика».
4. Каким образом можно определить чувствительность датчика?
5. Приведите примеры использования терморезисторов в метеорологических датчиках.
6. Приведите примеры применения генераторных датчиков (тахогенраторных, термоэлектрических, фотодиодов) в автоматических гидрометеорологических системах.
7. Какие датчики называют фотоэлектрическими?
8. В чем состоят основные свойства фоторезисторов?
9. Приведите пример использования фотодиодов в автоматичесих метеорологических станциях.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 259; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!