Датчики, мембранного типа.

Чувствительным элементом этих датчиков является тонкая упругая пластина, называемая мембраной. В зависимости от того, какие среды разделяет мембрана, датчики давления могут быть дифференциального давления (измеряют разность давлений), абсолютного давления, избыточного давления/разрежения, гидростатического давления. На Рис1. показана упрощенная схема измерения давлений c помощью мембранного датчика.

Мембрана деформируется если Р1 и Р2 не равны между собой. В этом случае деформация мембраны будет пропорциональна разности давлений и датчик измеряет дифференциальное давление.

Если Р2=0, т.е. из полости откачан воздух, датчик измеряет абсолютное давление. Если Р2 равно атмосферному давлению, т.е. полость сообщается c атмосферой, датчик измеряет избыточное давление.

Рис.1

Перемещение (деформация) мембраны может быть использована в качестве выходного сигнала датчика, например, воздействовать на контакт и переключать его (например, такие датчики используются в автомобилях для сигнализации наличия давления масла). Для непрерывного измерения давления на мембране может располагаться тензодатчик (см. П ), либо мембрана помещается в измерительный конденсатор, емкость которого зависит от деформации мембраны. В качестве иллюстрации на рис. 2 и рис. 3 показаны конструкции датчиков фирмы «Метран».

Рис 2. Дифференциальный датчик давления.

Сенсорный модуль датчиков состоит из корпуса 1 и емкостной измери-тельной ячейки 2. Емкостная ячейка изолирована механически, электрически и термически от технологической измеряемой среды и окружающей среды.

Измеряемое давление передается через разделительные мембраны 3 и раз-делительную жидкость 4 к измерительной мембране 5, расположенной в центре емкостной ячейки.

Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны. Изменение положения мембраны приводит к появлению разности емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора 6, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны.

Разность емкостей измеряется АЦП и преобразуется электронным преобразователем в выходной сигнал.

Рис 3. Датчик абсолютного давления.

В этом датчике используется тензорезистивный тензомодуль на кремниевой подложке. Чувствительным элементом тензомодуля является пластина 1 из кремния c пленочными тензорезисторами (структура КНК).

Давление через разделительную мембрану 2 и разделительную жидкость 3 передается на чувствительный элемент тензомодуля. Воздействие давления преобразуется в деформацию чувствительного элемента, вызывая при этом изменение электрического сопротивления его тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, измеряется АЦП и подается в электронный преобразователь.

Электронный преобразователь преобразует это изменение в выходной сиг-нал. Полость над чувствительным элементом вакуумирована и герметизирована.

Кроме емкостных и тензометрических вторичных преобразователей в датчиках давления применяются и другие – индуктивный, резистивный, пьезоэлектрический, резонансный, ионизационный и т.д.

Датчики температуры.

Конструкция датчиков температуры зависит от условий эксплуатации и используемого в датчике сенсора. К условиям эксплуатации относятся:

Параметры измеряемой среды – диапазон измеряемых температур,

влажность, агрессивность (наличие в среде компонентов, вызывающих коррозию), возможность или невозможность погружения датчика в измеряемую среду, удаленность вторичных приборов от места установки сенсора, тип вторичных приборов.

Выше перечисленные условия обуславливают большое разнообразие датчиков температуры. Ниже приведена классификация датчиков по принципу действия сенсоров c указанием преимущественной области применения.

Температурные датчики.В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары,

термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Датчики температуры c терморезисторным сенсором.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников (металлоксидных и кремниевых) в зависимости от температуры (рассмотрен ранее).

Применяются в промышленности для различных измерений параметров технологических процессов. По конструкции бывают погружные (сенсор погружается в измерительную среду) и накладные (сенсор расположен в корпусе, который крепится на трубу).

Рис. Датчики температуры c терморезисторным сенсором.

а) – погружной датчик, б) – накладной датчик

В конструктиве датчика может находится лишь сенсор, либо сенсор и вторичный преобразователь. В первом случае, если в качестве сенсора используется металлический терморезистор, для устранения влияния соединительных проводов применяют трех – или четырехпроводные схемы. Для полупроводниковых сенсоров ввиду их высокого номинального сопротивления этого не требуется. Диапазон измеряемых температур для металлических терморезисторов находится в пределах -200…1100°С.

Кремниевые терморезисторы в основном применяются в составе интегральных схем для измерения температуры электронных компонентов. Диапзон температур -40…150°С. Внешний вид датчика на основе кремниевого сенсора показан на рисунке хх

Рис. Кремниевый интегральный датчик температуры

Биметаллическиедатчики (термостаты). Как правило, датчик содержит лишь сенсор (без вторичного преобразователя) и при срабатывании замыкает или размыкает электрический контакт. Широко используется в автотракторной технике и в САУ микроклиматом для измерения температуры воды и воздуха. Диапазон измеряемых температур -40…+550°С. Датчики имеют значительную погрешность гистерезис переключения.

Рис. Биметаллические датчики. А) – для измерения температуры жидкости, б) – для измерения температуры воздуха.

Дилатометрические датчики (манометрические). Принцип работы основан на свойстве тел (твердых, жидкостей, газов) расширяться при повышении температуры. В диапазоне комнатных температур в качестве жидкостей используется спирт или ртуть. Для измерений низких температур, например в криогенной технике, может быть использован жидкий неон, а для измерения высоких температур обычно используют галлий, который находится в жидком состоянии уже от 20 °С. В газовых термометрах используется эффект расширения, при переходе вещества из жидкого в газообразное состояние. Газ деформирует упругий элемент (мембрану, сильфон, манометрическую пружину) и замыкает электрические контакты. Диапазон измерений для жидкостных и газовых термометров от -200 С до +500 С. Термометры этого класса обычно применяются для визуального контроля температуры, либо в качестве термостатов в различных нагревателях и холодильной технике. Класс точности этих приборов 1, 1.5. Для работы таких датчиков не нужно электропитание, что в определенных обстоятельствах является важным преимуществом перед другими датчиками.

Рис. Дилатометрический (манометрический) датчик температуры.

Термоэлектрические датчики (термопары) Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Термоэлектрический эффект открыл немецкий физик Зеебек в первой половине 19-го века. Он открыл, что если соединить два проводника из разнородных металлов таким образом, что бы они образовывали замкнутую цепь и поддерживать места контактов проводников при разной температуре, то в цепи потечет постоянный ток. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это например пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач. Термопары хромель-алюмель (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 С в окислительной или нейтральной атмосфере. Это один из самых распространенных типов термопар. Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 С. При высоких температурах до 1500 С используют термопары платина- платина/родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.

Пирометрчекие датчики.

Пирометры используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии.

Рис. Радиационный пирометр. а) - принцип действия пирометра, б) – внешний вид пирометра.

Различают три вида пирометров:

1. Флуоресцентные. При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает послеизлучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.

2. Интерферометрические. Интерферометрические датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей – контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.

3. Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 ⁰С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.

4. Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 ⁰С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).

5. Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 ⁰С.

Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Акустические

Акустические термодатчики – используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приемника акустических волн (пространственно разнесенных). Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется и приемник после получения сигнала считает эту скорость.

Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечет искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.