Контактная разность

Контактная разность
Коэффициент α материалов чувствителен к ничтожному количеству примесей, термической и холодной обработке. По этой причине α может возникать в цепи, состоящей даже из одного и того же материала, например при наличии неоднородности температуры или механического натяжении различных частей проволоки, и значения приводимых коэффициентов α в различных источниках могут отличаться до 10%.

Явление контактной разности потенциалов и зависимость ее от температуры используют для измерения температуры с помощью термопар. Широко используют термопару ТХК, включающую спай двух проволочных проводников, один, изготовленный из сплава, который называется “хромель” (Ni – 89%, Cr – 9,8%, Fe – 1%, Mn – 0,2%) и второй, изготовленный из сплава “копель” (Сu – 56%, Ni – 44%). В этой паре хромель имеет положительный потенциал, копель – отрицательный. Максимальная термоЭ.Д.С. у этой термопары ≈49 мВ. Она используется в диапазоне температур 220-870 К.

Также широко используют термопару ТХА, состоящую из двух проволочных проводников хромель – алюмель. Алюмель – сплав, содержащий Ni – 94%, Al – 2%, Mn – 2,5%, Si – 1% и примеси – 0,5%. В этой паре алюмель имеет отрицательный потенциал. Максимальная термоЭ.Д.С. у этой термопары ≈41 мВ. Она используется в диапазоне температур 220-1270 К.

 

В научных лабораториях используют также термопару ТМК, включающую пару проводников медь – константан. Константан содержит Cu – 60% и Ni – 40% и по своему составу близок к составу копели. Максимальная термоЭ.Д.С. у этой термопары ≈ 21 мВ. Эта пара используется в диапазоне температур 10-670 К.

Константан известен тем, что он обладает высоким значением удельного сопротивления и рекордно малым температурным коэффициентом сопротивления (αt порядка 1⋅10-5 oC-1, причем, в зависимости от образца, αt может меняться от плюс 1⋅10-5 oC-1 до минус 4⋅10-5 oC-1). У меди αt ≈4 10-3 oC-1, и он всегда больше нуля.

Наиболее распространенные проводники, находящиеся в контакте при одинаковых температурах, создают следующую разность потенциалов :

Сu — PbSn (обычный припой): (микро Вольт на Кельвин);

Cu — ковар : ; (ковар – материал, который используют для изготовления выводов в полупроводниковом приборе).

Cu — CuO : ; (при скручивании проводников, часть окиси меди CuO снимается и разность потенциалов уменьшается).

.

Контактная разность потенциалов создает дополнительную аддитивную погрешность при измерениях электрических величин, т.к. она является источником неконтролируемых ЭДС.

Выводы. Для уменьшения влияния контактной разности потенциалов и термотока следует:

  • изготавливать проводники из одинаковых материалов;
  • использовать комбинацию проводников с малой контактной разностью потенциалов;
  • устранять большие градиенты температуры;
  • устранять механические напряжения в проводниках.

Помехи, возникающие из-за плохого заземления

Если объект измерения и измерительный преобразователь заземлены в различных точках (например, при использовании двух различных силовых розеток), то заземленные концы объединяются между собой по земляной шине, сопротивление которой, примерно 0,1 Ом/м.

В земляной шине имеются паразитные блуждающие токи, вызываемые другим оборудованием. Это токи создают на сопротивлении шины Rзем дополнительное напряжение, которое оказывается включенным последовательно с измеряемым напряжением объекта и, таким образом, создаются аддитивные погрешности.

Существует два основных способа позволяющие избежать влияния этих токов:

1) единственность точки заземления для измеряемого объекта и измерительной системы (см. рис.);

2) заземление с симметричным входом относительно земли. В этом случае вход измерительной системы называют плавающим или дифференциальным. Это общепринятый способ, который применяется при измерении очень малых сигналов (см. рис.). В последнем случае паразитный ток в земляной шине создает дополнительное напряжение одинакового знака или изменяющегося с одной фазой относительно обоих проводников СИ. Дифференциальное включение объекта измерения изменяет знак напряжения на одном из двух входов СИ. В результате паразитные напряжения поступают на СИ в противофазе и, таким образом, подавляют друг друга.

Нечувствительность системы к потенциалам, которые являются общими для обоих клейм со знаками “+” и “-” называют ослаблением синфазного сигнала, а способность системы реагировать на разность потенциалов объекта между входами “+” и “–” характеризуют чувствительностью по отношению к дифференциальному сигналу.

Причины мультипликативных погрешностей СИ

К причинам возникновения аддитивных погрешностей СИ можно отнести:

  • наличие факторов влияния со стороны окружающей среды;
  • “старение” и нестабильность параметров ИП.
  • нелинейность функции преобразования, связанная с конструкцией прибора.
  • токи утечки, обусловленные конечной проводимостью сопротивления изоляции.

Первая причина была рассмотрена выше. Здесь рассмотрим остальные причины.

“Старение” и нестабильность параметров СИ

“Старение ” элементов прибора сводиться к изменению их химических свойств и структуры, которые обусловлены химическими реакциями, протекающими под действием окружающей среды, наличием электрического тока; структурными изменениями, связанными с релаксацией напряжений и диффузией неоднородностей, возникших при изготовлении элементов.

Пример 1. Заготовки для деталей, выполняемых с высокой точностью и стабильностью параметров, выдерживают несколько лет. Также используются и методы искусственного “старения” элементов, например, выдержка деталей при повышенной температуре и влажности.

Пример 2. Если груз подвесить на пружине, то с течением времени длина пружины будет, хотя и медленно, увеличиваться. Это явление называют упругим последействием.

Точно так же, если пружину растянуть на некоторую фиксированную длину и закрепить, то сила упругости, действующая на крепление, будет со временем уменьшаться. Это явление называют релаксацией.

Нелинейность функции преобразования

При рассмотрении причин нелинейности функции преобразования СИ необходимо различать геометрическую и физическую нелинейности элементов приборов или прибора в целом.

Геометрическая нелинейность

Пример 1. Зависимость периода колебаний математического маятника от амплитуды колебаний по формуле – типичное проявление геометрической нелинейности, которая приводит к нелинейности дифференциального уравнения колебаний маятника. Эта нелинейность обусловлена зависимостью момента силы тяжести, действующей на маятник, от угла отклонения массы от положения равновесия.

Пример 2. Тело, прижимается к горизонтальной плоскости пружиной. Найдем зависимость проекции Fx(x) силы упругости от перемещения х.

Пусть трение отсутствует и пружина – линейная, т.е. , где Δl – деформация пружины.

Считаем, что при x=0, Fупр=F0, т.е. в положении равновесия пружина натянута. Тогда , причем .

Следовательно, . Учитывая, , выражая cosα через , получим .

Рассмотрим несколько частных случаев (приближений):

Первый случай. Пусть тогда, пренебрегая , получим

Второй случай (учет слагаемых ). Воспользуемся формулой , при . Тогда .

Третий случай: начальное натяжение пружины отсутствует, т.е.F0=0. Тогда из предыдущей формулы найдем .

Из полученных формул видно, что результат существенно зависит от используемого приближения, т.е. математической модели. При этом, несмотря на то, что пружина была выбрана линейной, т.е. , зависимость силы от перемещения может быть существенно нелинейной.