Датчики расхода и скорости

Измерение расхода жидкостей или газов чрезвы­чайно важно во многих областях техники и в особенности в сварочных процессах, так как оно позволяет судить об эффективности процессов по расходу материалов. В промышленной измерительной технике требуют очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности и должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измеритель расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик). При таких требованиях к точности при меняют чаще всего механические измерительные при боры. Лишь в самое последнее время появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие на оптическом эффекте Доплера. Эти лазерные доплеровские анемометры (рисунок 4.5) используют особый вид рассеяния света (эффект Доплера), рассмотреть который более подробно здесь представляется возможным. В данном случае лулазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает далее на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электри­ческий ток. Усиленный доплеровский сигнал электронным путем преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение.

Рисунок 4.5 – Устройство лазерного доплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе

Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не иска­жается процедурой измерения и профиль потока мо­жет быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса. Однако для любительской практики этот метод не­пригоден.

Измерения расхода можно осуществить чисто элек­тронным путем, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого рези­стора изменяется вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик рас­хода. На рисунок 4.6 показано омическое сопротивление (элемент датчика) в канале потока. Ток I нагревает этот элемент до температуры Т₁>Т₂.

Рисунок 4.6 – Схематическое изображение процессов теплопередачи от самонагревающегося резистора в канале потока

При использовании двух терморезисторов с положи­тельным ТКС, из которых только один подвергается действию потока, как показано на рисунок 4.7, можно осуществить измерение, и значительной мере не за­висящее от температуры окружающей среды.

Рисунок 4.7 – Устройство для измерения расхода газа с помощью самонагревающегося терморезистора с положительным ТКС

Газовые датчики

Обнаружение различных газов в помещениях или в составе выхлопных газов осуществляется с помощью газовых датчиков. В присутствии определенных газов (например, СО₂, СО, О₂ или Н₂) они вырабатывают электрические сигналы, которые более или менее спе­цифичны для различных веществ При этом используются различные физические и химические эффекты, которые более или менее подробно будут описаны ниже. Кроме этих простых и надежных газовых де­текторов для более ответственных применений суще­ствуют еще оптические фотометры, превосходящие га­зовые детекторы по селективности и точности. Правда, они гораздо дороже и сложнее по устройству.

Для простых применений, когда можно обойтись умеренной точностью и селективностью, применяют следующие устройства:

§ термокондуктометрические ячейки (СО₂, SО₂, SF₆);

§ термохимические (каталитические) ячейки (СО, взрывоопасные и горючие газы),

§ полупроводниковые датчики (спирты, H₂S, углевводороды, токсичные газы);

§ топливные ячейки (кислород).

Термохимическая ячейка обеспечивает часто необходимую потребность в измерении содержания горючих газов — особенно монооксида углерода (СО).

Рисунок 4.10 – Каталитическая ячейка для обнаружения горючим газов

Термохимическая ячейка (рисунок 4.10) имеет две измерительные платиновые спирали, включенные в измерительный мост, содержащий еще два постоян­ных сопротивления. Если одну из спиралей покрыть слоем активного катализатора, а вторую — слоем пас­сивного катализатора, то находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кис­лородом воздуха па активном катализаторе, образуя диоксид углерода (СО₂). Выделяющаяся в резуль­тате этой реакции тепловая энергия вызывает повы­шение сопротивления активной спирали, а в итоге — заметный разбаланс моста. С помощью такого дат­чика можно обнаруживать весьма незначительные концентрации СО порядка 10^-4 %. В атмосфере поме­щения минимальный возможный уровень измерения составляет 2·10^-2 % СО. В принципе, кроме СО, с по­мощью этой ячейки могут быть обнаружены все го­рючие газы. Соответствующим подбором катализа­тора и температуры проволоки можно достигнуть оп­ределенной избирательности.

Область применения датчиков этого типа вклю­чает в себя контроль таких объектов, как гаражи, уличные туннели, стенды для испытания автомобилей и двигателей, убежища, склады, рабочие помещения, бомбоубежища гражданской обороны, коксовые уста­новки.

Полупроводниковые датчики. В самых простых и дешевых газовых датчиках ис­пользуется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. На рисунок 4.11 по­казано принципиальное устройство такого полупроводникового датчика. Он состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 100..500 °С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего изменяется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изме­нение напряжения. Важнейшим материалом для обнаружения различных газов среди чувствительных элементов некоторых датчиков является диоксид олова SiO₂ с различными легирующими добавками. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно до­стигнуть определенного повышения избирательности.

Рисунок 4.11 – Измерительная ячейка полупроводникового датчика для обнаружения вредных (токсичных) газов.