Датчики, мембранного типу
Чутливим елементом цих датчиків є пружна тонка пластина, звана мембраною. Залежно від того, які середовища розділяє мембрана, датчики тиску можуть бути диференціального тиску (вимірюють різницю тиску), абсолютного тиску, надлишкового тиску/розрідження, гідростатичного тиску. На Рис1. показано спрощену схему вимірювання тисків за допомогою мембранного датчика.
Мембрана деформується, якщо Р1 і Р2 не рівні між собою. В цьому випадку деформація мембрани буде пропорційна різниці тисків і датчик вимірюєдиференціальнийтиск.
Якщо Р2=0, тобто. з порожнини відкачано повітря, датчик вимірюєабсолютнийтиск. Якщо Р2 дорівнює атмосферному тиску, тобто. порожнина повідомляється з атмосферою, датчик вимірюєнадмірнийтиск.
Переміщення (деформація) мембрани може бути використане як вихідний сигнал датчика, наприклад, впливати на контакт і перемикати його (наприклад, такі датчики використовуються в автомобілях для сигналізації наявності тиску масла). Для безперервного вимірювання тиску на мембрані може розташовуватися тензодатчик (див. П), або мембрана міститься у вимірювальний конденсатор, ємність якого залежить від деформації мембрани. Як ілюстрація на рис. 2 та рис. 3 показані конструкції датчиків фірми "Метран".
2. Диференціальний датчик тиску.
Сенсорний модуль датчиків складається з корпусу 1 і ємнісної вимірювальної комірки 2. Ємнісний осередок ізольована механічно, електрично і термічно від технологічного середовища і навколишнього середовища.
Вимірюваний тиск передається через розділові мембрани 3 і роздільну рідину 4 до вимірювальної мембрани 5, розташованої в центріємнісного осередку.
Вплив тиску викликає зміну положення вимірювальної мембрани. Зміна положення мембрани призводить до появи різниці ємностей між вимірювальною мембраною та пластинами конденсатора 6, розташованим по обидва боки від вимірювальної мембрани.
Різниця ємностей вимірюється АЦП і перетворюється електронним перетворювачем вихідний сигнал.
3. Датчик абсолютного тиску.
У цьому датчику використовується тензорезистивний тензомодуль кремнієвої підкладці. Чутливим елементом тензомодуля є пластина 1 кремнію c плівковими тензорезисторами (структура КНК).
Тиск через роздільну мембрану 2 та розділову рідину 3 передається на чутливий елемент тензомодуля. Вплив тиску перетворюється на деформацію чутливого елемента, викликаючи при цьому зміна електричного опору його тензорезисторів та розбаланс мостової схеми. Електричний сигнал, що утворюється при розбалансі бруківки, вимірюється АЦП і подається в електронний перетворювач.
Електронний перетворювач перетворює цю зміну у вихідний сигнал. Порожнина над чутливим елементом вакуумована та герметизована.
Крім ємнісних та тензометричних вторинних перетворювачів у датчиках тиску застосовуються й інші – індуктивний, резистивний, п'єзоелектричний, резонансний, іонізаційний тощо.
Конструкція датчиків температури залежить від умов експлуатації та сенсора, що використовується в датчику. До умов експлуатації належать:
Параметри вимірюваного середовища – діапазон вимірюваних температур,
вологість, агресивність (наявність у середовищі компонентів, що викликають корозію), можливість або неможливість занурення датчика у середовище, що вимірюється, віддаленість вториннихприладів від місця встановлення детектора, тип вторинних приладів.
Вище перелічені умови зумовлюють велику різноманітність датчиків температури. Нижче наведено класифікацію датчиків за принципом дії сенсорів із зазначенням переважної сфери застосування.
Температурні датчики. У сучасному промисловому виробництві найпоширенішими є вимірювання температури (так, на атомній електростанції середнього розміру є близько 1500 точок, в яких виробляється такий вимір, а на великому підприємстві хімічної промисловості подібних точок присутні понад 20 тис. точок. ). Широкий діапазон вимірюваних температур, різноманітність умов використання засобів вимірювань та вимог до них визначають різноманіття засобів вимірювання температури, що застосовуються.
Якщо розглядати датчики температури для промислового застосування, можна виділити їх основні класи: кремнієві датчики температури, біметалічні датчики, рідинні та газові термометри, термоіндикатори, термістори, термопари,
термоперетворювачі опору, інфрачервоні датчики.
Датчики температури з терморезисторним сенсором.
Принцип дії термоперетворювачів опору (терморезисторів) заснований на зміні електричного опору провідників та напівпровідників (металоксидних та кремнієвих) залежно від температури (розглянуто раніше).
Застосовуються промисловості для різних вимірювань параметрів технологічних процесів. За конструкцією бувають занурювальні (сенсор занурюється у вимірювальне середовище) та накладні (сенсор розташований у корпусі, який кріпиться на трубу).
Мал. Датчики температури з терморезисторним сенсором.
а) – занурювальний датчик; б) – накладний датчик
У конструктивідатчика може лише сенсор, чи сенсор і вторинний перетворювач. У першому випадку, якщо як сенсор використовується металевийтерморезистор, для усунення впливу з'єднувальних проводів застосовують три або чотирипровідні схеми. Для напівпровідникових сенсорів з огляду на їх високий номінальний опір цього не потрібно. Діапазон вимірюваної температури для металевих терморезисторів знаходиться в межах -200 ... 1100 ° С.
Кремнієві терморезистори в основному застосовуються у складі інтегральних схем для вимірювання температури електронних компонентів. Діапзон температур -40...150°С. Зовнішній вигляд датчика на основі кремнієвого сенсора показано на малюнку хх
Мал. Кремнієвий інтегральний датчик температури
Біметалічні датчики (термостати). Як правило, датчик містить лише сенсор (без вторинного перетворювача) та при спрацьовуванні замикає або розмикає електричний контакт. Широко використовується в автотракторній техніці та в САУ мікрокліматом для вимірювання температури води та повітря. Діапазон вимірюваних температур -40 ... +550 ° С. Датчики мають значну похибку гістерезис перемикання.
Мал. Біметалеві датчики. А) – для вимірювання температури рідини; б) – для вимірювання температури повітря.
Дилатометричні датчики (манометричні). Принцип роботи ґрунтується на властивості тіл (твердих, рідин, газів) розширюватися при підвищенні температури. В діапазоні кімнатних температур як рідини використовується спирт або ртуть. Для вимірювань низьких температур, наприклад, у кріогенній техніці, може бути використаний рідкий неон, а для вимірювання високих температур зазвичай використовують галій, який знаходиться в рідкому стані від 20 °С. У газових термометрахвикористовується ефект розширення при переході речовини з рідкого в газоподібний стан. Газ деформує пружний елемент (мембрану, сильфон, манометричну пружину) та замикає електричні контакти. Діапазон вимірювань для рідинних і газових термометрів від -200 до +500 С. Термометри цього класу зазвичай застосовуються для візуального контролю температури, або як термостати в різних нагрівачах і холодильній техніці. Клас точності цих пристроїв 1, 1.5. Для роботи таких датчиків не потрібно електроживлення, що за певних обставин є важливою перевагою перед іншими датчиками.
Мал. Дилатометричний (манометричний) датчик температури.
Термоелектричні датчики (термопари) Термопари є два дроти з різних металів, зварених між собою на одному з кінців. Термоелектричний ефект відкрив німецький фізик Зеєбек у першій половині 19 століття. Він відкрив, що якщо з'єднати два провідники з різнорідних металів таким чином, щоб вони утворювали замкнутий ланцюг і підтримували місця контактів провідників за різної температури, то в ланцюзі потече постійний струм. Експериментальним шляхом були підібрані пари металів, які найбільше підходять для вимірювання температури, володіючи високою чутливістю, тимчасовою стабільністю, стійкістю до впливу зовнішнього середовища. Це, наприклад, пари металів хромель-алюмель, мідь-константан, залізо-константан, платина-платина/родій, реній-вольфрам. Кожен тип підходить для вирішення своїх завдань. Термопари хромель-алюмель (тип К) мають високу чутливість і стабільність і працюють до температур до 1300 С в окислювальній або нейтральній атмосфері. Це один із найпоширеніших типів термопар. Термопара залізо-константан (тип J)працює у вакуумі, відновлювальній або інертній атмосфері при температурах до 500 С. При високих температурах до 1500 С використовують термопари платина-платина/родій (тип S або R) у захисних керамічних кожухах. Вони чудово вимірюють температуру в окисному, нейтральному середовищі та вакуумі.
Пірометри використовують енергію випромінювання нагрітих тіл, що дозволяє вимірювати температуру поверхні з відривом.
Мал. Радіаційний пірометр. а) - принцип дії пірометра; б) - зовнішній вигляд пірометра.
Розрізняють три види пірометрів:
1.Флуоресцентні. При вимірюванні температури за допомогою флуоресцентних датчиків на поверхню об'єкта, температуру якого необхідно виміряти, наносять фосфорні компоненти. Потім об'єкт піддають дії ультрафіолетового імпульсного випромінювання, в результаті якого виникає післявипромінювання флуоресцентного шару, властивості якого залежать від температури. Це випромінювання детектується та аналізується.
2.Інтерферометричні. Інтерферометричні датчики температури засновані на порівнянні властивостей двох променів – контрольного та пропущеного через середовище, параметри якого змінюються залежно від температури. Чутливим елементом цього типу датчиків найчастіше виступає тонкий кремнієвий шар, коефіцієнт заломлення якого, а, відповідно, і на довжину шляху променя, впливає температура.
3.Радіаційніпірометри використовуються для вимірювання температури від 20 до 2500 0 С, причому прилад вимірює інтегральну інтенсивність випромінювання реального об'єкта.
4.Яскраві(оптичні) пірометри використовуються для вимірювання температур від 500 до 4000 0 С. Вони засновані на порівнянні у вузькій ділянці спектра яскравості об'єкта, що досліджується, з яскравістюзразкового випромінювача (фотометричної лампи).
5.Кольоровіпірометри засновані на вимірі відношення інтенсивностей випромінювання на двох довжинах хвиль, що вибираються зазвичай у червоній або синій частині спектра; вони використовуються для вимірювання температури в діапазоні від 800°С.
Пірометри дозволяють вимірювати температуру в важкодоступних місцях і температуру об'єктів, що рухаються, високі температури, де інші датчики вже не працюють.
Акустичні
Акустичні термодатчики – використовуються переважно для вимірювання середніх та високих температур. Акустичний датчик побудований на принципі того, що в залежності від зміни температури змінюється швидкість поширення звуку в газах. Складається з випромінювача та приймача акустичних хвиль (просторово рознесених). Випромінювач випромінює сигнал, який проходить через досліджуване середовище, залежно від температури швидкість сигналу змінюється і приймач після отримання сигналу вважає цю швидкість.
Використовуються визначення температур, які можна виміряти контактними методами. Також застосовуються в медицині для неінвазивного (без операційного проникнення всередину тіла хворого) вимірювання глибинної температури, наприклад, в онкології. Недоліками таких вимірювань є те, що при дотику вони можуть викликати фізіологічні реакції у відповідь, що в свою чергу тягне спотворення вимірювання глибинної температури. Крім того, можуть виникати відображення на кордоні "датчик-тіло", що також здатне викликати похибки.