Бақылау сұрақтары

1. электрлік емес шамаларды электрлік өлшеу әдістерінің ерекшеліктері.

2. графиктік құрылымдық схемасын жасаңыз:

а) тура түрлендіру құралының;

б) теңдестіретін түрлену құралының;

в) теріс кері байланысы бар құралдың

3. Аналитикалық өрнекті жазыңыз:

а) құрал сезімталдығын анықтау үшін;

б) құралдың түрлену эффективтілігін анықтау үшін.

4. тең салмақты көпірлік схемалардың артықшылықтары.

5. көпірлік схемаларға түрлендіргіштерді қосу тәсілдерін келтіріңіз.

6. алғашқы түрлендіргіштердің жіктелуі.

7. генераторлыққа қандай түрлендіргіштер жатады?

8. параметрлікке қандай түрлендіргіштер жатады?

9. динамикалық режимдегі түрлендіру қателіктерін атаңыз.

10. өлшеу түрлендіргіштерінің физикалық үлгісін келтіріңіз

11. электрлік емес шамаларды өлшеу құралдар қателіктерінің негізгі көздерін сипаттаңыз.

12. түрлену жүйесінің жалпы қателігі қалай орналасады?

13. датчиктердің түрлі қолданылу облыстарына мысал келтіріңіз.

3 БӨЛІМ

Параметрлік түрлендіргіштер

3.1 Фотоэлектрлік түрлендіргіштер

Фотоэлектрлік түрлендіргіштер деп шығыс сигнал түрлендіргішке түсетін жылулық ағымға байланысты өзгеретін түрлендіргіштерді айтады. Фотоэффект құбылысын 1888жылы орыс ғалымы А. Г. Столетов ашты.

Фотоэлектрлік түрлендіргіштер немесе фотоэлементтер үш түрге бөлінеді: сыртқы фотоэффектісі бар фото­элементтер, ішкі фотоэффектісі бар және фотогальваникалық түрлендіргіштер.

Сыртқы фотоэффектісі бар фотоэлементтер. Олар ішкі бетіне катод түзетін фотосезімтал материал қабаты орналасатын вакуумдық немесе газбен толтырылған сфералық шыны баллондар болып табылады. Анод никель сымынан дайындалған сақина немесе тор түрінде болады. Қараңғыланған күйде фотоэлемент арқылы термоэлектрондық эмиссия (10^-12А) және электродтар арасындағы ағыс (10^-10... 10^-7А) нәтижесі болып табылатын көлеңкелік ток өтеді. Жарықтанғанда жарық фотондары әсерінен фотокатод ролін электрондаратқарады. Егер анод пен катод арасына кернеу берілсе, онда бұл электрондар электр тогын құрайды. Электр тізбегіне қосылған фотоэлементтің жарықтылығын өзгерткенде сәйкесінше осы тізбектегі фототок өзгереді. Вакуумдық фотоэлементтердің шығыс токтары бірнеше микроамперден аспайды. Фотоэмиссия тогының аса ұлғаюы (1 мА шамасында) фотокөбейткіштерде алынады.

Газбен толтырылған фотоэлемент вакуумдыққа ұқсас, бірақ белгілі газдық толтыруға ие. Газ ионизациясы арқасында фотоэлементтің сезімталдығы күшейеді және фотоэмиссия ұлғаяды. Газбен толтырылған фотоэлементтерге мысалы, ЦГ типіндегі оттегі-цезийлік; вакуумдыққа – ЦВ типіндегі оттегі-цезийлік және СЦВ типіндегі сурьма-цезийлік жатады.

Сыртқы фотоэффектісі бар фотоэлементтер ереже бойынша қуаты өте аз болғандықтан күшейткіштерді қолдануды талап етеді.

Әртүрлі фотоэлементтеррдің жарықтық сипаттамаларынан көрініп тұрғандай (3.1-сурет) фототок пен жарықтық ағымның арасындағы пропорционалдылық өлшеу құралының сызықты шкаласын алуда ескрілуі қажет 1-3 қисығының барлық жерінде сақталмайды.

Иондану есебінен күшейген токтың алғашқы фототокка қатынасы мәні 6...7-ге жететін газдық күшею коэффициенті деп аталады.

Газбен толтырылған фотоэлементтердің сезіталдығы вакуммдықтардыкінен әлдеқайда жоғары және 100...250 мкА/лм құрайды.

3.1-сурет фотоэлементтің жарықтық сипаттамасы:

1 — ЦГтипті оттегі-цезийлік;

2 — СЦВ типті сурьма-цезийлік;

3 — ЦВ типті вакуумдық

Вакуумдық және газбен толтырылған фотоэлементтердің вольт-амперлік сипаттамалары (3.2, а, б-сурет) қанығу қисығының түрлі сипатына ие. Вакуммдық фотоэлементтерде жарықтық ағымның токқа түрленуі элементтің қорек кернеуінен тәуелділігі үлкен емес, яғни бұл жағдайда фотоэлменттің динамикалық кедергісі өзгермей қалады.

Газбен толтырылған фотоэлементтердің сезімталдығы корек кернеуінен тәуелді, сондықтан ол тұрақтандырылады және 100...240 В-тан аспауы қажет, себебі бұл облыстан жоғары болғанда өзіндік разряд облысы жүреді.

Тәжірибеде газбен толтырылған фотоэлементтерден артықшылығы бар вакуумдық фотоэлементтер кең таралған: белгілі диапазонда қорек кернеуінен тәуелділігі, жоғары температуралық орнықтылық, инерциялық.

3.2-сурет. Фотоэлементтердің вольт-амперлік сипаттамалары:

а — вакуумдық; б – газбен толтырылған

ішкі фотоэффектісі бар фотоэлементтер (фоторезисторлар). Олар жарықтық ағым әсерінен өз кедергісін өзгертетін түйіндермен, мысалы кадмий селениді түйіндерімен біртектес жартылай өткізгіш пластинка түрінде болады. Ішкі фотоэффект зат ішінде еркін күйінде қалатын атомдардың элекрондық орбиталарынан жарық кванттарымен соғылатын еркін электрондардың пайда болуымен түсіндіріледі. Материалдағы, мысалы, жартылай өткізгіште еркін электрондардың пайда болуы электр кедергісінің азаюына эквивалентті. Фоторезисторлар жоғары сезімталдыққа және сызықтық вольт-амперлік сипаттамаға ие (ВАС), яғни олардың кедергісі берілген кернеуге тәуелді емес. Көлеңкелік кедергі, сезімталдық, инерциялық температураға тәуелді. Температуралық қателікті азайту үшін фоторезисторларды жапсарлас көпір иықтарына қосады.

Ішкі фотоэффект селен Se, күкіртті қорғасын PbS, кадмий селениді CdSe және т.б. жартылай өткізгіштерде айқын көрінеді. Жарық күшіне байланысты электр кедергісі 100 Ом-нан 1 кОм аралығында өзгереді. Спектрлік сезімталдық материалды таңдағанмен анықталады. Сонымен, CdS максимал сезімталдыққа спектрдің жасыл облысында ие болады, сондықтан жарықтар өлшеуішінде қолдануға ыңғайлы. Бұған қарама-қарсы CdSe максимум спектрлік сезімталдығы қызыл облыста байқалады, ал PbS/PbSe фоторезисторларында — инфрақызыл облыста. Фоторезисторлар қолдану мүмкіндігінің түрлілігін қамтамасыз ету үшін түрлі құрылымдық шешімдерге ие. Олардың меншікті сезімталдығы жоғары (7000 мкА/лмВ-ге дейін), бұл күшейткішсіз, төменгі температуралық коэффициентпен үлкен таралу қуатымен (0,6...0,7 Вт) жұмыс істеуге мүмкіндік береді, жұмыс істеу мерзімі шексіз және өте тұрақты. Мұндай фотоэлементтердің кемшіліктеріне үлкен инерциялық пен өте жоғары шу деңгейін жатқызуға болады.

Фотогальванкалық түрлендіргіштер (фотодиодтар және фототран­зисторлар). Бұл түрлендіргіштер белсенді жарықсезгіш жартылай өткізгіштер болып табылады, олар фотоэффект нәтижесінде жарық жұтылғанда тиек қабатында еркін электрондар мен ЭҚК түзеді.

Фотодиод (ФД) екі режимде жұмыс істейді — фотодиодтық және генераторлық (вентильдік). Фототранзистор — ішіне фотодиод пен фототок күшейткіші орналастырлған екі және көп р-п-өткелі бар жатылай өткізгіштік сәулелік энергия қабылдағышы.

Фототранзисторлар фотодиодтар сияқты жарықтық сигналдарды электрлікке түрлендіруде қолданылады. Алайда фототранзисторда екінші р-п-өткелдің болуыөзінің шуын ұлғайтады. Олардың сезімталдығы фотодиодатрдыкыне қарағанда екі есе жоғары және олар интегралдық схемалармен электрлік және технологиялық сәйкесе алады.

Вентильдік фотоэлементтер. Олардың ішінде селендік және күкірт-күмістік түрлері кең таралған. Бұл фотоэлементтер сәулелік энергия әсерінен ток көзіне айналатын қасиетке ие. Осы белгісі бойынша оларды генераторлық түрлендіргіштерге жатқызуға болады, бірақ фотоэлектрлік түрлендіргіштер тобын бөлу тиімсіз болғандықтан осы бөлімде қарастырған жөн.

Фотоэлементтер жұмысын келесі сипаттамалар бойынша бағалауға болады:

Жарықтық сипаттама — фототоктың фотоэлементке түсетін жарық ағымының интенсивтілігіне тәуелділігі I_ф= f(Ф);

Спектрлік сипаттамасы - фототоктың жарықтық сәуленың толқындық ұзындығына тәуелділігі I_ф= f(λ);

Жиіліктік (инерциялық) сипаттама – фототоктың түсетін жарық ағымы интенсивтілігінің өзгеру жиілігіне тәуелділігі I= f(t◦);

вольт-амперлік сипаттама (ВАС) — фототоктың кернеуден тәуелділігі I_ф= f(U) ;

температуралық сипаттама – фототоктың фотоэлемен температурасынан өзгеруі I_ф= f(t◦);. Алайда температура өзгерісінен фотоэлементтің спектрлік сипаттамасы да тәуелді;

фотоэлементтің шаршауы - фотоэлемент сипаттамаларының оның жұмыс уақытына байланысты өзгеруі.

Фотодиодтық режимде ФД-қа тұйықтаушы кернеу беріледі. Сәулелену болмағанда осы кернеу әсерінен аз ғана қөлеңкелік ток өтеді, ал р-п-өткелді жарықтандырғанда бұл ток сәулелену қарқынына байланысты сызықты ұлғаяды. Фотодиодтық режимде ФД резистор ретінде қарастырылады және көлеңкелік токтың дрейф әсерін азайтатын көпірлік өлшеу тізбегіне немесе бөлгіштер схемасына қосылады. Фотодиодтар қорек кернеуі бойынша жартылай өткізгіш электрондық элементтермен жақсы үйлеседі, сондықтан операциялық күшейткіштермен бірігіп схемаларда қолданылады. Фоторезисторлар орын ауыстыру түрлендіргіштерінде кеңінен қолданылады.

Генераторлық (вентилдік) режимде ФД ток көзі болып табылады. Вентильдік фотоэлементтердің жоғары сезімталдығы көп жағдайларда фототоктарды күшейтусіз жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Ең көп тарағаны - селендік, күкірттікүмістік және кремнийлік фотоэлементтер. Селен фотоэлементтерінде сезімталдық шамамен 400…500 мкА/лм құрайды, ал күкіртті-күміс және кремнийліктерде – 7000 мкА/лм. Селен фотоэлементтері тұрақты және ұзақ жұмыс істейді. Кремнийлік фотоэлементтер инерциясыз (τ = 10^-6 с), тұрақты, шу деңгейі төмен. Вентильдік фотоэлементі бар түрлендіргіштер шығысындағы ток күші сызықты сипаттама бөлігінде (3.3-сурет) мына формуламен анықталады

I_вых = S_фФ

Мұнда Ѕ_ф – фотоэлементтер сезімталдығы (жүктемені қосқанда); Ф —жарықтық ағым.

3.3-сурет. Кремнийлік фотоэлемент үшін тәуелділігі

1000 лк жарықтық үшін кремнийлік фотоэлементтердің сезімталдығы тұрақты және 0,1 ...2 мкА/лк құрайды. Олардың ПӘК-і 11 %, сондықтан мысалы күн элементтері түріндегі электрондық өлшеу құралдарын электрмен қоректендіру үшін кварцтық сағат, спутник батареялары, т.б. қолданылады. Олар 150°С-ге дейінгі температурада қолданылады.

Вентильдік элементтің ықшамдалған қосылу схемасы 3.4-суретте көрсетілген. Мұнда өлшеуіш Ө жарық әсерінен ток көзі болып табылатын фотоэлемент Ф қысқыштарына тікелей қосылған.

3.4-сурет Вентильдік элементтің қосылу схемасы

Фотоэлементтің фотодиодтық режимде қосылу схемасы 3.5-суретте көрсетілген.

3.5-сурет Фотоэлементтің қосылу схемасы

Фотоэлементтің жарықтану дәрежесіне байланысты вольтметр V көрсеткіштері өзгереді. Тұрақты ток күшейткіштері бар схемалар кедергілер мен қорек көзі кернеуінің тұрақсыздығына өте сезімтал. Бұл үлкен өлшеу қателіктерін туғызады, сондықтан фототокты күшейту үшін кедергілер мен кернеу тұрақсыздығына сезімталдығы аз айнымалы ток күшейткіштері жиі қолданады. 

Сонымен қатар, өлшеу қателіктері көздеріне болып табылады:

• фотоэлементтің қорек көзі кернеуінің тұрақсыздығы;

• жарық көзі кернеуінің тұрақсыздығы, себебі кернеуден жарық ағымының шамасы тәуелді;

      • фотоэлементтердің уақыт бойынша сипаттамаларының өзгеруі.

Фотоэлектрлiк шығын өлшегiштер. Фотоэлементтерді қолдану сенімді және қарапайым сұйық және газ шығын өлшегіштерді құруға мүмкіндік берді.

3.6-суретте жұмыс принципі белгілі бір шаманың көлемін толтыру ұзақтығын автоматты өлшеуге негізделген шығын өлшегіш схемасы келтірілген. Мұндай құралдың әрекеті келесідей: фотокедергінің ФС₁ төменгі деңгейіне жеткенде сұйықтық жарықтық энергияның бір бөлігін жұтады, оның кедергісі өседі, Р₁ релесі сөнеді және 1Р1 түйіні арқылы уақыт есептегіші Сч іске қосылады. Калибрленген құбыр жоғарғы фотокедергі деңгейіне ФС₂ дейін сұйықтықпен толтырылғанда Р2 релесі өшіріледі және оның 1Р2 түйіні есептегішті өшіреді.

3.6-сурет Шығын өлшегіштің принциптік схемасы

Сұйықтықтың көлемдік шығыны

,

мұндағы d — құбырдың ішкі диаметрі; Н— ФС₁ және ФС₂ оптикалық осьтері арасындағы қашықтық; — есептегішпен есептелген уақыт.

Н тұрақты мәнінде есептегіш көрсеткіші белгілі сұйықтық шығынына сәйкес келуі керек.