Методразработка урока

Министерство образования и науки Донецкой Народной Республики

Государственное профессиональное образовательное учреждение

Донецкий политехнический техникум

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

РЕГУЛИРОВАНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ПРИ ПОМОЩИ ЕМКОСТНЫХ, ИОНИЗАЦИОННЫХ, ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2 017

Методическая разработка «Регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей». – ГПОУ ДПТ: Донецк, 2017. – 21 с.

Дисциплина: «Техническое регулирование и контроль качества электрического и электромеханического оборудования»

Специальность: 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)».

Составитель: Борисенко И.В. преподаватель квалификационной категории «Специалист высшей категории» цикловой комиссии электротехники и автоматики

Розработанная методика представляет собой вспомогательный материал для проведения лекции с использованием новейших информационных технологий и методов обучения для дисциплины «Техническое регулирование и контроль качества электрического и электромеханического оборудования» на тему «Регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей».

Цель разработки – продемонстрировать возможности использования новейших информационно-коммуникационных технологий и мультимедийного оборудования при изучении нового материла для активизации умственной деятельности студентов, получения ими навыков творческого подхода к изучению нового материала и практическому применению современных технологий в области технического регулирования и контроля качества электрического и электромеханического оборудования, в часности, схем автоматических измерений, автоматического контроля и автоматического регулирования.

Для преподавателей «Технического регулирования и контроля качества электрического и электромеханического оборудования» учреждений среднего профессионального образования

Рецензент:

1. Л.Н. Корощенко, председатель ЦК электротехники и автоматики Государственного профессионального образовательного учреждения «Донецкий политехнический техникум», преподаватель квалификационной категории «высшая категория»

Одобрена и рекомендована

с целью практического применения

цикловой комиссией электротехники и автоматики

протокол № 1 от «31» августа 2016 г.

Председатель ЦК ____________________Л.Н. Корощенко

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Программой дисциплины «Техническое регулирование и контроль качества электрического и электромеханического оборудования» предусматривается изучение схем контроля и схем регулирования оборудования отрасли. В основе схем контроля находятся преобразователи неэлектрических величин в электричесие сигналы. В данной разработке рассмотрено регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей.

Изучение материала, котрое сопровождается демонстрацией большого количества рисунков, схем и видеороликов сложно представить без применения современных информационно – коммуникационных технологий и мультимедийного оборудования.

В данной разработке продемонстрировано применение информационно-коммуникационных технологий в учебном процессе. Обосновывается важность решения задач, связанных с применением информационных, мультимедийных технических и программных средств и использованием Интернета на всех этапах учебного процесса.

В качестве примера применения информационно-коммуникационных технологий в учебном процессе рассмотрено построение занятия на тему: «Регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей». Разработка может быть использована на уроках дисциплины «Техническое регулирование и контроль качества электрического и электромеханического оборудования». Дополнительно показана разработка мультимедийной презентации и опорного конспекта для закрепления знаний по этой теме.

Использование современных информационно – коммуникационных технологий в преподавании дисциплины «Техническое регулирование и контроль качества электрического и электромеханического оборудования» позволяет наглядно демонстрировать возможности изучаемых средств измерения и контроля, устройств электрического и электромеханического оборудования отрасли. Использование мультимедийных презентаций, видеоуроков, анимационных роликов позволяет повысить эффективность и мотивацию обучения.

Информационно – коммуникационные технологии обогащают процесс обучения, позволяют сделать обучение более эффективным, вовлекая в процесс восприятия учебной информации большинство чувственных компонент обучаемого.

Использование информационно – коммуникационных технологий может обеспечить наглядность, которая способствует комплексному восприятию и лучшему запоминанию материала. Мультимедийные презентации облегчают показ фотографий, рисунков, графиков. Используя анимацию и вставки видеофрагментов, возможно демонстрировать динамичные процессы. Другим преимуществом информационно – коммуникационных технологий является быстрота и удобство воспроизведения всех этих фотографий, графиков и т. п. Кроме того, презентации дают возможность показать структуру занятия: в начале занятия можно записать тему, цель, мотивацию занятия, а затем с помощью заголовков на каждом слайде возможно следить за ходом изложения материала. Так же на слайды можно выносить все ключевые слова и непонятные термины. Это облегчит их восприятие и написание слушателями. Конечно, практически все указанные преимущества можно обеспечить и без информационно – коммуникационных технологий, а с помощью обычной доски. Однако при этом информация все равно не будет столь наглядной, на изображение схем, рисунков и графиков уйдет значительно больше времени, а, кроме того, записи могут быть непонятны из-за почерка. То есть, обобщая, преимущества информационно – коммуникационных технологий — это наглядность, удобство и быстрота.

На данном занятии с помощью презентации рассмотрены конструкция и принцип работы емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей, регулирование и измерение при их помощи неэлектрических величин, показаны видеоролики, относящиеся к этой теме.

Материал лекции базируется на достижениях отечественной и зарубежной науки и техники, опыте работы предприятий в области технического регулирования и контроля качества электрического и электромеханического оборудования и применения преобразоватей неэлектрических величин в электрические сигналы.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ

Група: ________ Дата: _____________

Специальность: 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)»

Тема занятия: Регулирование и измерение при помощи емкостных, иониза-ционных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей.

Цель занятия:

Методическая Совершенствовать методику проведения лекций с использованием информационно-коммуникационных технологий

Дидактическая

• изучить принцип работы емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей;

• изучить разновидности и конструктивные особенности емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей;

• изучить возможности применения емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей для измерения и регулирования в условиях современного производства;

Развивающая

• развивать познавательную активность студентов;

• развивать творческие навыки в познавательной деятельности;

• развивать память и внимание;

• развивать практические навыки при получении новых знаний.

Воспитательная

• формировать ответственное отношение к своим профессиональным обязанностя;
• формировать интерес к изучаемому предмету лекции, развитию технических умений и профессиональных навыков;
• воспитывать чувство ответственности, творческое мыщление;
• совершенствовать професстональное внимание, сосредоточенность и активность.

Вид занятия: лекция

Тип занятия: подача нового материала

Форма проведения занятия: эвристическая беседа

Методы и приёмы: репродуктивная та эвристическая беседа с элементами наглядного метода.

Междисциплинарные связи:

Обеспечивающие: Электротехника и электроника

Математика

Инженерная графика

Метрология, стандартизация и сертификация

Материаловедение

Обеспечиваемые: Экологические основы природопользования

Безопасность жизнедеятельности

Охрана труда

Методическое обеспечение занятия

• рабочая программа;

• методическая разработка занятия;

• опорный конспект (Приложение А);

• раздаточный материал (Приложение Б);

• мультимедийная презентация (Приложение В);

• видеоматериалы;

• наглядные пособия.

Технические средства обучения:

• мультимедийный проектор;

• экран;

• компьютер.

Програмное обеспечение:

• MS Offise, Word, Power Point;

• KMPlayer;

• AVS Video Editor.

Литература

Базовая

1. Котур В. И. и др. Электрические измерения и электроизмерительные приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 400 с.

2. Гуржій А. М., Поворознюк Н. І. Електричні і радіотехнічні вимірювання. – К.: Навч. книга, 2002. – 287 с.

3. Шаповаленко О. Г., Бондар В. М. Основи електричних вимірювань. – К.: Либідь, 2002. – 320 с.

Вспомогательная

4. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Е. С. Полищука. – К.: Вища. шк., 1984. – 359 с.

5. Данилов И. А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М.: Высшая школа, 1990, 418 с.

6. Мамонов П. Н. Сборник задач по электрическим измерениям. – Л.: Судостроенеие, 1986. – 108 с.

7. Панфилов В.А. Электрические измерения. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 288с.

Структура занятия

1. Организационный момент. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..................................1мин.

2. Ознакомление студентов с темой, целью, планом занятия.............................2мин.

3. Мотивация обучения ..........................................................................................2мин.

4. Актуализация опорных знаний ........................................................................10мин.

5. Комментарий к ответам студентов ...................................................................2мин.

6. Изложение нового материала по теме: Регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей...................................................................................................55мин.

План занятия:

6.1. Емкостные преобразователи

6.2. Ионизационные преобразователи

6.3. Пьезоэлектрические преобразователи

6.4. Термоэлектрические преобразователи

7. Закрепление знаний студентов...........................................................................3мин.

8. Подведение итогов занятия.... . . . . . . . . . . . . ... . . . ......................... . . . .... . . 2мин.

9. Объявление оценок..............................................................................................2мин.

10. Домашнее задание. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................................1мин.

Общее время занятия 80мин.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Организационный момент

1.1. Преподаватель проводит проверку присутствия студентов, проверяет готовность студентов к занятию. Проверяет готовность аудитории к занятию.

2. Ознакомление студентов с темой, целью, планом занятия

Преподаватель объявляет тему, цель занятия(тема и цель занятия на слайде, Приложение В).

Тема занятия: «Регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей».

Цель занятия:

Дидактическая

• изучить принцип работы емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей;

• изучить разновидности и конструктивные особенности емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей;

• изучить возможности применения емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей для измерения и регулирования в условиях современного производства;

Развивающая

• развивать познавательную активность студентов;

• развивать творческие навыки в познавательной деятельности;

• развивать память и внимание;

• развивать практические навыки при получении новых знаний.

Воспитательная

• формировать ответственное отношение к своим профессиональным обязанностя;
• формировать интерес к изучаемому предмету лекции, развитию технических умений и профессиональных навыков;
• воспитывать чувство ответственности, творческое мыщление;
• совершенствовать професстональное внимание, сосредоточенность и активность

Преподаватель объявляет план занятия(план занятия на слайде, Приложение В) :

План занятия:

1. Емкостные преобразователи

2. Ионизационные преобразователи

3. Пьезоэлектрические преобразователи

4. Термоэлектрические преобразователи

3. Мотивация обучения

Преподаватель объясняет мотивацию занятия(мотивация занятия на слайде, Приложение В) :

В основе схем контроля находятся преобразователи неэлектрических величин в электричесие сигналы. На этом занятии мы продолжим изучение таких преобразователей, рассмотрим регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей. Изученные сегодня преобразователи широко применяются и в устройствах контроля, устройствах управления и в устройствах регулирования электрического и электромеханического оборудования отрасли.

Знания, полученные вами на данной лекции, помогут вам в изучении дисциплин: «Экологические основы природопользования», «Безопасность жизнедеятельности», «Охрана труда»

4. Актуализация опорных знаний

(репродуктивный метод, тестовы опрос)

Фронтальный опрос по предыдущей теме. Тестовые задания даны на карточках

5. Комментарий ответов студентов

Преподаватель комментирует результат тестового опроса, обращает внимание на ошибки и указывает на правильные ответы.

6. Изложение и изучение нового материала

(ЛЕКЦИЯ - ПРЕЗЕНТАЦИЯ)

(эвристическая беседа, применение технических средств обучения, наглядный метод)

Преподаватель: Переходим к изучению новой темы.

Преподаватель объявляет тему:

«Регулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей».

Студенты записывают тему и план лекции.

План лекции

1. Емкостные преобразователи

2. Ионизационные преобразователи

3. Пьезоэлектрические преобразователи

4. Термоэлектрические преобразователи

Преподаватель демонстрирует слайды с элементами анимации, с помощью которых знакомит студентов с назначением, конструццией, принципом работы и применением преобразователей.

По ходу демонстрации слайдов преподаватель комментирует их, предлагает студентам обдумать увиденное и записать короткий конспект в виде тезисов.

Преподаватель: Для того, чтобы регулировать или просто контролировать какой – либо технологический параметр (температуру, влажность, длину, перемещение, уровень жидкости и т. д., необходимо знать величину этого параметра, т. е. измерить его. Но этого недостаточно. Регулирование и измерение физической величины предполагает, что результат измерений будет представлен в удобном для нас виде, а именно – в виде электрических сигналов.

Каким образом можно связать измерение неэлектрических технологических параметров с получением электрического сигнала на выходе?

Начнём рассмотрения ответа на этот вопрос с емкостных преобразователей.

6.1. Емкостные преобразователи

(Текст лекции, который сопровождается демонстрацией слайдов, Приложение В)

1. Емкостные преобразователи

Применяют для контроля уровня, влажности, толщины, перемещения и других технологических параметров (Рис.1). Работа емкостных преобразователей основана на зависимости:

С – емкость плоского конденсатора;

F – площадь пластин, составляющих конденсатор;

 – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

d – расстояние между пластинами.

Рис.1 а, в изменение емкости конденсатора происходит за счет изменения площади пластин конденсатора (конденсатор составляют только те части пластин, которые находятся одна напротив другой).Конденсатор (рис.а) измеряет линейное перемещение, (рис.б) – угловые перемещения.

Рис.1 г представлен конденсатор у которого изменяется расстояние между пластинами. Позволяет измерять малые линейные перемещения.

Рис.1 б, д, е конденсаторы, у которых изменяется диэлектрическая проницаемость среды. Конденсатор (рис.г) позволяет измерять линейные перемещения. Между пластинами проводника проходит пластина диэлектрика, а т.к. диэлектрическая проницаемость воздуха ₁ отличается от диэлектрической проницаемости пластины диэлектрика ₂, то при движении пластины изменяется емкость конденсатора.

На том же принципе различия диэлектрических проницаемостей воздуха ₁ и какой-либо жидкой среды ₂ основана работа конденсатора (рис.1, д). Он позволяет измерять уровень жидких сред. При повышении или понижении уровня жидкости меняется соотношение между ₁ и ₂ и, соответственно, меняется емкость конденсатора.

Конденсатор (рис.1, е) позволяет измерять либо толщину, либо влажность. В первом случае при движении диэлектрического материала между пластинами конденсатора изменяется соотношение между диэлектрической проницаемостью воздуха ₁ и ₂ диэлектрической проницаемостью измеряемого образца. Во втором случае при движении диэлектрика между пластинами конденсатора в зависимости от его влажности изменяется ₂.

И зменение емкости С приводит к изменению емкостного сопротивления X_С, полного сопротивления цепи Z и, следовательно, к изменению силы тока цепи I.

; ; .

Достоинства: высокая чувствительность, простота конструкций, малые размеры, масса и инерционность, возможность безконтактного измерения.

Недостаток: сильное влияние на точность измерения температуры и влажности окружающей среды.

Емкостный преобразователь включается или в колебательный контур, или в мостовую схему. Емкостные преобразователи применяют для измерения микроперемещений|перемещения|, уровней жидкости (уровнемер), неразрушающего контроля качества диэлектриков и тому подобное.

Демонстрация видеоролика

Студенты просматривают видеоролик «Емкостные преобразователи».

Преподаватель: Рассмотрим группу преобразователей, используемых в системах газоанализаторов. Это – ионизационные преобразователи.

6.2. Ионизационные преобразователи

К ионизационным преобразователям обычно относят большую группу преобразователей, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током ионной проводимости газа, возникающим под действием излучения радиоактивных веществ или рентгеновских лучей.

Источник излучений и приемник излучений являются обязательными элементами любого ионизационного преобразователя.

Источниками ядерных излучений служат естественные и искусственные изотопы.

Назначение приемников излучения состоит в преобразовании энергии ядерного излучения в электрическую энергию. Приемники излучения основаны или на явлении ионизации газов при прохождении через них ядерного излучения или люминесценции некоторых веществ под действием ядерного излучения. В качестве приемников используются:

1. Ионизационные камеры (явление ионизации)

2. Газоразрядные счетчики (явление ионизации)

3. Сцинтилляционные счетчики (явление люминесценции)

Ионизационные преобразователи с -излучателями используются в приборах для измерения целого ряда величин:

1. Перемещения, так как ток ионизационной камеры зависит от расстояния между электродами;

2. Плотности газов;

3. Скорости течения газа;

4. Количества дымовых примесей и влажности газа.

Ионизационные преобразователи с -излучателями используются в приборах для измерения толщины листового материала и для измерения толщины покрытий бесконтактным методом.

Ионизационные преобразователи с -излучателями используются в тех случаях, когда требуется большая проникающая способность, например, для измерения плотности вещества, уровня, больших толщин, для дефектоскопии деталей.

Принцип действия ионизационных преобразователей

К

Рис.2 Принципиальная схема .

прибора с ионизационным преобразователем

для измерения толщины листа

ионизационным преобразователям обычно относят большую группу преобразователей, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током ионной проводимости газа, возникающим под действием излучения радиоактивных веществ или рентгеновских лучей. Рисунок 2 поясняет принцип действия прибора с ионизационным преобразователем для измерения толщины листа. В приборе имеется радиоактивный источник 1, создающий излучение, и приемник излучения 2, выходной ток которого пропорционален числу попавших в него радиоактивных частиц. При прочих равных условиях очевидно, что число частиц, т.е. интенсивность облучения приемника, функционально связана с толщиной листа 3. Таким образом, источник излучений и приемник излучений являются обязательными элементами любого ионизационного преобразователя

Схемы включения ионизирующих преобразователей

Н

Рис. 3 Простейшая схема ионизационного вакуумметра

а рис.3 приведена простейшая схема ионизационного вакуумметра для измерения малых концентраций газа. Ионизационная камера 1 соединяется с объемом, в котором измеряется концентрация газа, патрубком 2. На один из электродов камеры наносится слой радиоактивного препарата 3, обладающего -излучением. Ионизационный ток усиливается усилителем постоянного тока 4 и поступает в указатель 5. Недостатком такого прибора является высокая погрешность измерения. Любые изменения температуры, напряжения питания и других факторов приводят к изменению тока ионизационной камеры и вызывают значительные погрешности. Кроме того, погрешность вызывается изменением коэффициента усиления усилителя и величины сопротивления R_H. Для уменьшения этих погрешностей включаются по дифференциальной схеме две камеры. Для устранения погрешности от изменения коэффициента усиления применяется метод уравновешивающего преобразования.

На рис.4 показана структурная схема прибора для измерения толщины оловянного покрытия на стальной ленте. Ток в рабочей камере 1 создается рассеянным излучением источника 2. Рассеивателем является движущаяся стальная лента 3 с оловянным покрытием 4. Положение ленты жестко фиксируется при помощи роликов 5. Ток в камере 6 создается вспомогательным источником излучения 7, причем интенсивность потока излучения регулируется шторкой 8.

Н

Рис. 4 Структурная схема прибора для измерения толщины покрытий

а изолированные корпуса ионизационных камер подается напряжение разного знака от источника питания, средняя точка которого заземлена. Направление токов через сеточные электроды камер взаимно противоположно, и на сопротивлении R падение напряжения пропорционально разности потоков излучения.

Э

Рис. 5 Структурная схема плотномера

то напряжение усиливается усилителем Ус и управляет работой двигателя 9 таким образом, что перемещаемая им шторка 8 стремиться занять положение, при котором токи камер 1 и 6 равны. По величине перемещения шторки можно судить о толщине покрытия.

Вследствие неидентичности характеристик ионизационных камер и источников излучения и различного их старения их желательно иметь в приборе один источник и один приемник излучения, используемый и как рабочий, и как компенсационный. Кроме того, для уменьшения дрейфа нуля прибора желательно использовать усилительную аппаратуру переменного тока.

На рис.5 представлена структурная схема плотномера ПЖР-2.

Г амма-излучатель 1 размещается на диске 3, вращающемся двигателем 2. Излучение попеременно попадает на один и тот же сцинтилляционный счетчик 4 то через среду 5, плотность которой измеряется, то через компенсационный клин 6. Со счетчика 4 сигнал поступает на интегрирующее устройство 7 и усилитель переменного тока 8. Усиленный сигнал управляет двигателем 9, который перемещает клин 6 таким образом, чтобы потоки, попадающие на сцинтилляционный счетчик, были равны. По перемещению клина можно сулить о плотности среды.

Преподаватель: А теперь перейдём к изучению преобразователей совсем другого типа – к преобразователям, относящимся к группе генераторных.

Вспомним, какие преобразователи называются генераторными?

Студенты отвечают на поставленный вопрос.

Преподаватель: Начнём изучение генераторных преобразователей с пьезоэлектрических преобразователей.

6.3. Пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей –основан на явлении пьезоэффекта, который заключается в том, что под действием силы на кристаллы некоторых веществ (например, кристаллы кварца) на гранях кристаллу возникают электрические заряды. Пьезоэлектрических преобразователей применяют для измерения силы, давления, звукового давления, момента.

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Отметим, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

 Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Рис. 6 Прямой пьезоэлектрический эффект

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Рис. 7 Обратный пьезоэлектрический эффект

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические преобразователи.

Демонстрация видеоролика

Студенты просматривают видеоролик «Пьезоэлектрический эффект».

В качестве пьезоєлектрических материалов используют :

- природный минерал – кварц;

- искусственные пьезоэлектрические материалы – цирконат-титанат свинца, титанат бария, ниобат лития и др.

Пьезоэлектрический преобразователь — это пластина (рис. 8), изготовленная из пьезоэлектрического материала, на которую нанесено два изолированные один от другого электрода.

Если на пьезокристалл действовать силой F, то на его гранях появится заряд q, пропорциональный силе F:

где d11 — пьезоэлектрический модуль, который зависит от материала и его состояния.

Пьезокристалл вместе с электродами образует конденсатор, ЭДС которого

Если подставить одно выражение в другое, получим:

Выходной величиной пьезоэлектрического преобразователя является электродвижущая сила, а входной — механическая сила.

Недостатком пьезоэлектрического преобразователя являются значительные погрешности во время измерения постоянной силы, поскольку заряд, который появился на обкладках пьезокристалла, может стекать через входное сопротивление вторичного прибора, поэтому пьезоэлектрические преобразователи целесообразно применять для измерения переменной силы.

Демонстрация видеоролика

Студенты просматривают видеоролик «Пьезоэлектрические преобразователи».

Преподаватель: Рассмотрим ещё один тип генераторных преобразователей. Это – термоэлектрические преобразователи.

6.4. Термоэлектрические преобразователи

Т ермоэлектрический преобразователь, или термопара (Рис.8) состоит из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, суть которого заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы 2 соединения (спая проводников) имеют разную температуру. Проводники А и В называются термоэлектродами, а места соединения проводников спаями. Спай, имеющий температуру t, называется рабочим (горячим), а ненагреваемый спай, имеющий температуру t₀ – называется свободным (холодным).

Термоэлектрический эффект (эффект Зеебека)

Еще в 1821 г. Зеебеком было открыто явление, нареченное его именованием, заключающееся в том. что в состоящей из различных проводниковых материалов замкнутой цепи возникает э. д. с. (так именуемая термо-ЭДС), если места контакта этих материалов поддерживаются при различных температурах.

В простом виде, когда электронная цепь состоит из 2-ух разных проводников, она носит название термоэлемента, либо термопары.

Суть явления Зеебека состоит в том, что энергия свободных электронов, обусловливающих появление электронного тока в проводниках, различна и по-разному меняется с температурой. Потому если вдоль проводника имеется перепад температур, на его горячем конце электроны будут иметь огромные энергии и скорости по сравнению с холодным, что определит появление в проводнике потока электронов от горячего конца к холодному. В итоге на обоих концах будут скапливаться заряды — отрицательный на холодном и положительный на горячем.

Потому что у различных проводников эти заряды различны, то при соединении 2-ух из их в термоэлемент появится разностная термо-ЭДС. Для анализа проходящих в термоэлементе явлений удобно считать, что образующаяся в нем термо-ЭДС. Е является суммой 2-ух контактных электродвижущих сил, возникающих в местах их контакта и являющихся функцией температуры этих контактов (рис. 1,а).

Т

Рис. 9.Схема термоэлектрической цепи из 2-ух и 3-х проводников, схема включения электро-измерительного прибора в спай и термоэлектрод термопары.

ермоэлектрический эффект объясняется присутствием в металлах свободных электронов. Проводники А и В подбирают таким образом, что количество свободных электронов в них значительно отличается. Между электродами через место спая происходит диффузия. Свободные электроны перемещаются из электрода, где их большее количество в электрод, где их меньше. Так как до начала диффузии электроды были электрически нейтральны, то после возникновения диффузии в том электроде, из которого ушли электроны остался некомпенсированный «+» заряд, а в том электроде, куда электроны направились появился избыточный «-» заряд. Если в разрыв этих электродов включить измерительный прибор (Рис.8 б, в), то он показывает наличие ЭДС (мВ). Величина диффузии, а с ней и разность потенциалов выше, чем более нагретым будет горячий спай. Если горячий спай остывает, то подвижность электронов уменьшается и они частично возвращаются в свой электрод, притягиваясь оставшимся в этом электроде положительным зарядом. Для большей точности измерения концы холодного спая необходимо как можно дальше отнести от объекта измерения, чтобы обеспечить его постоянную температуру (Рис.8 д). Для этого используют компенсационные провода из того же (или с близкими свойствами) материала, что и электроды термопары.

Конструкция и типы термопар

В настоящее время используются следующие стандартные термопары:

• Платинородий-платиновая термопара.

• Хромель-алюмелевая термопара.

• Хромель-копелевая термопара.

• Железо-копелевая термопара.

• Медь-копелевая термопара. .

Рис. 10 Кривые зависимости термо-ЭДС. от температуры для наиболее распространенных термопар. 1 — хромель-копелевая; 2 — железо-копелевая; 3 — медь-копелевая; 4 — ТГБЦ-350М; 5 — ТГКТ-360М; 6 — хромель-алюмелевая; 7 — платинородий-платиновая; 8 —ТМСВ-340М; 9 — ПР-30/6.

Стандартная термопара представляет собой жезл поперечником 21—29 мм и длиной 500 — 3000 мм. На высшей части защитной трубы насажена штампованная либо литая (обычно из алюминия) головка с карболитовой либо бакелитовой пластинкой, в которую запрессованы две пары выводов с винтообразными зажимами, соединенные попарно; в один из выводов зажат термоэлектрод, к другому присоединен соединительный провод, ведущий к измерительному прибору. Иногда соединительные провода заключаются в гибкий защитный шланг. При необходимости герметизировать отверстие, в котором устанавливается термопара, последняя снабжается штуцером с резьбой.

Демонстрация видеоролика

Студенты просматривают видеоролик «Измерение температуры с помощью термопары».

7. Закрепление знаний студентов

Преподаватель задает студентам вопросы, комментирует их ответы, делает оценку относительно внимательности студентов и степени усвоения ими лекционного материала.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы ёмкостных преобразователей.

2. В каких отраслях применяют емкостные преобразователи?

3. Какие параметры измеряют с помощью|посредством| ионизационных преобразователей?

4. На каком принципе работают| ионизационные преобразователи?

5. Поясните принцип работы пьезоэлектрического преобразователя.

6. В каких отраслях применяют пьезоэлектрические преобразователи?

7. Объясните принцип работы термопары.

8. В чём состоит термоэлектрический эффект?

9. В каких отраслях применяют термоэлектрические преобразователи?

10. Какие из рассмотренных преобразователей можно отнести к|до| параметрическим преобразователям, а какие к|до| генераторным?

8. Подведение итогов занятия

Преподаватель комментирует результат фронтального опроса, правильность ответов при фронтальном опросе, комментирует активность студентов на лекции., Далее преподаватель подводит общий итог занятия, акцентируя внимание на достижении цели занятия.

9. Объявление оценок

Преподаватель объявляет оценки, полученные студентами в ходе занятия.

10. Домашнее задание.

Преподаватель задаёт домашнее задание.

(Домашнее задание и литература на слайде, Приложение В).

[4], стр. 336 — 340.

Преподаватель ______________ И.В.Борисенко

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ

Р

ПРИЛОЖЕНИЕ А

егулирование и измерение при помощи емкостных, ионизационных, пьезоэлектрических, термоэлектрических преобразователей

1. Емкостные датчики.

Применяют для контроля уровня, влажности, толщины, перемещения и других технологических параметров (Рис.4). Работа емкостных датчиков основана на зависимости:

С – емкость плоского конденсатора;

F – площадь пластин, составляющих конденсатор;

 – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

d – расстояние между пластинами.

Рис. 4 а, в изменение емкости конденсатора происходит за счет изменения площади пластин конденсатора (конденсатор составляют только те части пластин, которые находятся одна напротив другой).Конденсатор (рис.а) измеряет линейное перемещение, (рис.б) – угловые перемещения.

Рис. 4 г представлен конденсатор у которого изменяется расстояние между пластинами. Позволяет измерять малые линейные перемещения.

Рис. 4 б, д, е конденсаторы, у которых изменяется диэлектрическая проницаемость среды. Конденсатор (рис.г) позволяет измерять линейные перемещения. Между пластинами проводника проходит пластина диэлектрика, а т.к. диэлектрическая проницаемость воздуха ₁ отличается от диэлектрической проницаемости пластины диэлектрика ₂, то при движении пластины изменяется емкость конденсатора.

На том же принципе различия диэлектрических проницаемостей воздуха ₁ и какой-либо жидкой среды ₂ основана работа конденсатора (рис.д). Он позволяет измерять уровень жидких сред. При повышении или понижении уровня жидкости меняется соотношение между ₁ и ₂ и, соответственно, меняется емкость конденсатора.

Конденсатор (рис. 4, е) позволяет измерять либо толщину, либо влажность. В первом случае при движении ткани между пластинами конденсатора изменяется соотношение между диэлектрической проницаемостью воздуха ₁ и ₂ диэлектрической проницаемостью ткани. Во втором случае при движении ткани между пластинами конденсатора в зависимости от ее влажности изменяется ₂.

Изменение емкости С приводит к изменению емкостного сопротивления X_С, полного сопротивления цепи Z и, следовательно, к изменению силы тока цепи I.

; ; .

Достоинства: высокая чувствительность, простота конструкций, малые размеры, масса и инерционность, возможность безконтактного измерения.

Недостаток: сильное влияние на точность измерения температуры и влажности окружающей среды.

2. Ионизационные преобразователи

К ионизационным преобразователям относят большую группу преобразователей, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током ионной проводимости газа, возникающим под действием излучения радиоактивных веществ. Принцип действия ионизационных преобразователей

К ионизационным преобразователям обычно относят большую группу преобразователей, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током ионной проводимости газа, возникающим под действием излучения радиоактивных веществ или рентгеновских лучей. Рисунок 2 поясняет принцип действия прибора с ионизационным преобразователем для измерения толщины листа. В приборе имеется радиоактивный источник 1, создающий излучение, и приемник излучения 2, выходной ток которого пропорционален числу попавших в него радиоактивных частиц. При прочих равных условиях очевидно, что число частиц, т.е. интенсивность облучения приемника, функционально связана с толщиной листа 3. Таким образом, источник излучений и приемник излучений являются обязательными элементами любого ионизационного преобразователя

Схемы включения ионизирующих преобразователей

На рис.3 приведена простейшая схема ионизационного вакуумметра для измерения малых концентраций газа. Ионизационная камера 1 соединяется с объемом, в котором измеряется концентрация газа, патрубком 2. На один из электродов камеры наносится слой радиоактивного препарата 3, обладающего -излучением. Ионизационный ток усиливается усилителем постоянного тока 4 и поступает в указатель 5. Недостатком такого прибора является высокая погрешность измерения. Любые изменения температуры, напряжения питания и других факторов приводят к изменению тока ионизационной камеры и вызывают значительные погрешности. Кроме того, погрешность вызывается изменением коэффициента усиления усилителя и величины сопротивления R_H. Для уменьшения этих погрешностей включаются по дифференциальной схеме две камеры. Для устранения погрешности от изменения коэффициента усиления применяется метод уравновешивающего преобразования.

На рис.4 показана структурная схема прибора для измерения толщины оловянного покрытия на стальной ленте. Ток в рабочей камере 1 создается рассеянным излучением источника 2. Рассеивателем является движущаяся стальная лента 3 с оловянным покрытием 4. Положение ленты жестко фиксируется при помощи роликов 5. Ток в камере 6 создается вспомогательным источником излучения 7, причем интенсивность потока излучения регулируется шторкой 8. На изолированные корпуса ионизационных камер подается напряжение разного знака от источника питания, средняя точка которого заземлена. Направление токов через сеточные электроды камер взаимно противоположно, и на сопротивлении R падение напряжения пропорционально разности потоков излучения. Это напряжение усиливается усилителем Ус и управляет работой двигателя 9 таким образом, что перемещаемая им шторка 8 стремиться занять положение, при котором токи камер 1 и 6 равны. По величине перемещения шторки можно судить о толщине покрытия.

На рис.5 представлена структурная схема плотномера ПЖР-2. Гамма-излучатель 1 размещается на диске 3, вращающемся двигателем 2. Излучение попеременно попадает на один и тот же сцинтилляционный счетчик 4 то через среду 5, плотность которой измеряется, то через компенсационный клин 6. Со счетчика 4 сигнал поступает на интегрирующее устройство 7 и усилитель переменного тока 8. Усиленный сигнал управляет двигателем 9, который перемещает клин 6 таким образом, чтобы потоки, попадающие на сцинтилляционный счетчик, были равны. По перемещению клина можно сулить о плотности среды.

3. Пьезоэлектрические преобразователи

П

где d11 — пьезоэлектрический модуль, который зависит от материала и его состояния

ьезоэлектрический преобразователь — это пластина (рис. 8), изготовленная из пьезоэлектрического материала, на которую нанесено два изолированные один от другого электрода. Если на пьезокристалл действовать силой F, то на его гранях появится заряд q, пропорциональный силе F:

П ьезокристалл вместе с электродами образует конденсатор, ЭДС которого.

Если подставить одно выражение в другое, получим:

Выходной величиной пьезоэлектрического преобразователя является электродвижущая сила, а входной — механическая сила. Недостатком пьезоэлектрического преобразователя являются значительные погрешности во время измерения постоянной силы, поскольку заряд, который появился на обкладках пьезокристалла, может стекать через входное сопротивление вторичного прибора, поэтому пьезоэлектрические преобразователи целесообразно применять для измерения переменной силы.

4. Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрический датчик, или термопара (Рис.8) состоит из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, суть которого заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы 2 соединения имеют разную температуру. Проводники А и В называются термоэлектродами, а места соединения проводников спаями. Спай, имеющий температуру t, называется рабочим (горячим), а ненагреваемый спай, имеющий температуру t₀ – называется свободным (холодным).

Р

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

АЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

Р

4.

ЕОСТАТНЫЕ, ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ, ТЕНЗОДАТЧИКИ

23