Первичный датчик

Первичный датчик Анемометр

Датчики и преобразователи давления применяются при определении величины абсолютного давления жидкостных или газовых потоков. Полученные в ходе контроля данные переделываются в сигнал на выходе определённых типов, как-то:

Преобразователи давления подразделяются на несколько различных типов, которые имеют похожий друг на друга принцип их действия. Конструкционной особенностью этого автоматического котельного оборудования является то, что в них встроен первичный датчик давления, содержащий, как чувствительный элемент, так и схемы сигналопреобразования, разнообразные защитные и соединительные комплектующие.

Разные модели преобразователей давления разнятся друг от друга по ряду технических параметров, а именно, по разным рабочим диапазонам давления, по точности контроля давления и по условиям их эксплуатации. Датчики давления тоже отличаются между собой методами, применяемыми для определения значений давления в контролируемой среде.

Также ещё изготавливаются датчики давления на базе следующих способов контроля показаний в жидкой, парообразной и газообразной среде:

Такое разнообразие устройств позволяет подобрать наилучший вариант, более всего подходящий подходящий для разрешения какой-либо задачи на производстве или в хозяйственной деятельности.

Сами же преобразователи давления, зачастую сравнивают с иными контрольными устройствами, располагающими похожими функциями, то есть – с манометрами. Но, следует учитывать, что таковые приборы, в отличие от датчиков давления, показывают лишь только текущую величину давления, и не преобразовывают измерения в унифицированный сигнал на выходы, и, как следствие – относятся к виду всего лишь показывающих измерительных устройств.

Первичные приборы, датчики или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Выходными сигналами первичных приборов, датчиков являются как правило унифицированные стандартизованные сигналы, в противном случае используются нормирующие преобразователи.

Различают генераторные, параметрические и механические преобразователи:

Содержание
  1. Первичные преобразователи для измерения температуры
  2. Первичные преобразователи для измерения давления
  3. Первичные преобразователи для измерения расхода пара, газа и жидкости
  4. Первичные преобразователи для измерения уровня
  5. Первичные измерительные преобразователи (датчики)
  6. Датчики как первичные измерительные преобразователи
Про анемометры:  Настройка, регулировка мощности, ошибки газового котла BAXI - ДомЭконом

Первичные преобразователи для измерения температуры

По термодинамическим свойствам, используемым для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров:

Первичные преобразователи для измерения давления

По принципу действия:

По роду измеряемой величины:

Первичные преобразователи для измерения расхода пара, газа и жидкости

Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.

Классификация преобразователей для измерения расхода пара, газа и жидкости:

Первичные преобразователи для измерения уровня

Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за начало отсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами.
Методы измерения уровня:

Первичные измерительные преобразователи (датчики)

Измерительный преобразователь (measuring transducer) – это устройство, используемое при измерении, которое обеспечивает на выходе величину, находящуюся в определенном соотношении с входной величиной (ГОСТ Р 8.673-2009 ГСИ).

Первичный измерительный преобразователь(sensor) –измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует явление, физический объект или вещество, являющееся носителем величины, подлежащей измерению.

Датчик – конструктивно обособленное устройство, содержащее один или несколько первичных измерительных преобразователей. Они предназначены для измерения различных физических величин (параметров производственных процессов): температуры, давления, влажности, концентрации растворов и т.д.

Датчик воспринимает контролируемую величину и преобразует ее в выходной сигнал, удобный для передачи на расстояние и воздействия на последующие элементы автоматических устройств (рисунок 3.1).

Первичный датчик

Рисунок 3.1 – Входной и выходной сигналы датчика

Датчики представляют собой весьма разнообразные устройства, которые классифицируются по различным признакам.

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают датчики температуры, давления, уровня, плотности и т.п.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические датчики.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

—электрические величины удобно передавать на расстояние;

—любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

—электрические величины могут быть точно преобразованы в цифровой сигнал, что позволяет достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По виду и характеру выходного сигнала различают аналоговые (непрерывные) и дискретные (цифровые) датчики.Аналоговые датчики вырабатывают аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины. Цифровые датчики генерируют последовательность импульсов или двоичное слово. Бинарные (двоичные) датчики вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (0или 1).

По числу выполняемых (измерительных) функций можно выделить однофункциональные и многофункциональные датчики. Многофункциональные помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) могут выполнять ряд дополнительных функций. Многофункциональные датчики называют также интеллектуальными. К таким датчикам можно отнести аналоговые и цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми адаптивными режимами работы и параметрами, с аналого-цифровым преобразованием, с метрологическим обслуживанием и датчики со встроенными микропроцессорами.

По технологии изготовления сенсоры можно разделить на элементные, изготавливаемые из набора отдельных элементов, и интегральные, в которых все составные элементы датчика изготавливаются одновременно по интегральной технологии.

По взаимодействию с измеряемым объектом датчики делятся на контактные и бесконтактные (дистанционного действия).

Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются:

—однозначная зависимость выходной величины от входной;

—стабильность характеристик во времени;

—малые размеры и масса;

—отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

—работа при различных условиях эксплуатации;

—различные варианты монтажа.

Обобщенные характеристики датчиков принято разделять на статические, динамические и эксплуатационные.

Статической характеристикой датчика (рисунок 3.2, а) является зависимость выходной величины от входной, т.е. Хвых = f(Хвх).

Инерционные свойства датчика определяет его динамическая характеристика, которая может быть представлена в виде графика переходного процесса Хвых = f (t) при скачкообразном изменении входного сигнала (рисунок. 3.2, б).

Первичный датчик

а – статическая характеристика, б – динамическая характеристика датчика Рисунок 3.2 – Примеры статической и динамической характеристик датчика

Важнейшими эксплуатационными требованиями являются несложная, надежная, недорогая и удобная конструкция, взаимозаменяемость датчиков.

Нормальными условиями эксплуатации принято считать температуру внешней среды (20+5) °С, атмосферное давление (760+20) мм рт. ст., влажность (60+20) % при отсутствии вибрации, электрических и магнитных полей.

По принципу действия (физическому или химическому явлению, на котором основана работа датчика) разделяют омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Хотя номенклатура датчиков очень обширна, принципов действия, но которых они основаны, относительно не много.

Емкостные датчики представляют собой конденсатор, емкость которого изменяется при изменении измеряемой неэлектрической величины. Конденсатор формируется из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика, а его емкость определяется выражением:

x где: ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – активная площадь конденсатора; х – расстояние между пластинами.

Первичный датчик

Первичный датчик

а – плоский емкостный датчик; б – емкостный датчик с угловым перемещением; в – цилиндрический емкостный датчик

Рисунок 3.3 – Емкостные датчики

Изменение емкости достигается изменением расстояния между пластинами датчика, их рабочей поверхности или диэлектрических свойств среды, в которой находятся пластины. Примеры емкостных датчиков приведены на рисунке 3.3.

Общими недостатками емкостных датчиков является практическая невозможность работать на промышленной частоте 50 Гц и, следовательно, необходимость в специальном источнике питания высокой частоты.

Емкость такого преобразователя обычно измеряется следующим образом:

1) с помощью мостовой схемы переменного тока, в которой преобразователь образует одно плечо моста;

2) с помощью мультивибратора, в котором конденсатор в цепи определяет частоту колебаний.

Пьезоэлектрические преобразователи. Одним из емкостных типов преобразования является пьезоэлектрический эффект, при котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение электростатического заряда или напряжения, возникающих в некоторых материалах при их механическом напряжении. Напряжение обычно образуется под действием сил сжатия, растяжения или изгиба, которые являются измеряемой величиной и воздействуют на чувствительный элемент либо непосредственно, либо с помощью некоторой механической связи.

Чтобы воспринять изменение электрического заряда или напряжения, к пьезоэлектрическому материалу подсоединяют две металлические пластинки, которые фактически образуют пластины конденсатора, емкость которого определяется в виде:

Q – заряд; V – напряжение. В качестве пьезоэлектрического материала, применяемого в конструкции такого преобразователя, используются природные кристаллы, такие как кварц; синтетические кристаллы, например, сульфат лития; поляризованная ферромагнитная керамика, например, титанат бария.

Первичный датчик

Рисунок 3.4 – Пьезоэлектрический преобразователь.

Электромагнитные преобразователи. В этих датчиках

используется свойство катушки индуктивности изменять свое сопротивление при перемещении сердечника (рисунок 3.5.).

Первичный датчик

Рисунок 3.5 – Электромагнитное преобразование

Фотоэлектрические датчики –основаны на использовании воздействия изменений измеряемого параметра на интенсивность светового излучения. Источником светового излучения обычно являются лампы накаливания, рентгеновские трубки и радиоактивные вещества. Приемники излучения –фотоэлементы, ионизационные камеры, газоразрядные счетчики.

На рисунке 3.6 изображен радиоизотопный уровнемер, принцип

действия которого основан на фотоэлектрическом преобразовании.

Фотоэлектрические датчики широко используются для измерения и контроля

1 – источник излучения; 2 – различных параметров производственных

процессов – температуры, уровня

жидкости, концентрации растворов,

прозрачности газовой среды, для учета, сортировки и отбраковки штучных

изделий, для контроля состояния поверхности тел в автоматических системах, для слежения за срезом детали при ее обработке по контуру и т.д.

Первичный датчик

источник излучения; 2 приемник излучения

Рисунок 3.6 –Радиоизотопный уровнемер

Оптические датчики – небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли.

Акустические датчики, основном представляют собой приборы, работающие с поверхностными акустическими волнами и служащие в передатчиках полосными фильтрами как промежуточных частот, так и частот радиоволн. Акустические датчики применяются для измерения уровня, влажности, температуры и других параметров. Причины такого широкого использования этой технологии в промышленности – невысокая стоимость, надежность, чувствительность приборов. Кроме того, некоторым из них не нужны источники питания.

В качестве механизма обнаружения используется механическая, или акустическая, волна разных диапазонов. Когда волна распространяется внутри материала или по его поверхности, любые изменения характеристик траектории распространения волны влияют на скорость и/или амплитуды волны.

Широкое распространение в промышленности находят датчики сопротивления (резистивные преобразователи),основанные на изменении сопротивления материала датчика в зависимости от измеряемых свойств среды. Изменение сопротивления может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе, например, нагреванием или охлаждением, механическим напряжением, воздействием светового потока, увлажнением, перемещением контактной щетки реостата.

Первичный датчик

Рисунок 3.7 –Одноэлементный резистивный преобразователь

Сопротивление постоянному току одноэлементного резистивного преобразователя зависит от его длины L, поперечного сечения S и удельного сопротивления материала (рисунок 3.7).

Термоэлектрические преобразователи основаны на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г.: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает электрический ток, в том случае, если места спаев имеют разную температур. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения t и t0 называется термоЭДС (ТДЭС), а создающий ее преобразователь – термоэлектрическим термометром (термопара).

Спай с температурой t называется горячим или рабочим, спай с температурой t 0 –холодным или свободным, а проводники А и Б – термоэлектродами.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. В спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл Б, например, в большем количестве, чем обратно. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл Б отрицательно. Когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние динамического равновесия. При таком состоянии между проводниками А и Б возникает разность потенциалов.

Таким образом, ТЭДС является функцией двух переменных величин, т.е. ЕАВ(t,t0).

Поддерживая температуру спаев t0 постоянной, получим:

EAB(t,t0)=f(t) Это означает, что измерение температуры t сводится к определению ТЭДС термопары.

Ионизационные преобразователи (рисунок 3.9) преобразуют изменение измеряемой величины в изменение тока ионизации, который протекает, например, через жидкость, расположенную между двумя электродами (рН-метры).

Первичный датчик

Рисунок 3.9 – Ионизационное преобразование

Неэлектрические преобразователи чаще всего преобразуют изменение измеряемой величины в линейное или угловое перемещение (манометрические пружины, мембранные приборы).

Успехи в таких областях как лазерная физика, физика твердого тела, микроэлектроника, микропроцессорная техника, Интернет-технологии, материаловедение, квантовая электроника, и интегральная оптика привели к развитию нового направления в разработке датчиков – созданию химических сенсоров.

Химические сенсоры дают прямую информацию о химическом составе среды (раствора), в которую погружен датчик, без отбора анализируемой пробы и ее специальной подготовки.

Датчики как первичные измерительные преобразователи

Название работы: ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ДАТЧИКИ)

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: Примеры статической и динамической характеристик датчика: а статическая характеристика б динамическая характеристика Реостатные преобразователи Принцип действия и конструкция. В измерительной технике требуются реостатные преобразователи как с линейной так и с нелинейной функцией преобразования. Тензорезисторные преобразователи Принцип действия и конструкция.

Первичным измерительным преобразователем (датчиком) называют чувствительный элемент автоматического устройства, воспринимающий контролируемую величину и преобразующий ее в выходной сигнал, удобный для передачи на расстояние и воздействия на последующие элементы автоматических устройств.

Они предназначены для измерения различных физических величин (параметров производственных процессов): температуры, давления, влажности, концентрации растворов и т.д. Датчики представляют собой весьма разнообразные устройства, которые классифицируются по измеряемой величине (датчики температуры, давления, уровня, плотности и т.п.), принципу действия (электрические, пневматические и т.п.), виду и характеру выходного сигнала (непрерывный и дискретный).

Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются высокая чувствительность, линейная зависимость выходной величины от входной, малая инерционность. Статической характеристикой датчика является зависимость выходной величины от входной, т.е. Хвых = f(Хвх).

Динамическая характеристика может быть представлена в виде графика переходного процесса Хвых = f (t) при скачкообразном изменении входного сигнала (Рис. 1). Под чувствительностью S датчика понимают отношение приращения выходной величины У к приращению входной величины Х:

Рис.1 Примеры статической и динамической характеристик датчика: а – статическая характеристика б – динамическая характеристика

Принцип действия и конструкция . Реостатный преобразователь — это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое линейное перемещение движка, выходной — изменение его сопротивления.

Устройство преобразователя показано на рис.2

Первичный датчик

Он состоит из каркаса 1 на который намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка 3 укрепленного на оси 4. Движок касается провода 2. Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка защищается от изоляции. В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществляется с помощью неподвижного токосъемного кольца 5.

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R = f ( x ) является использование каркаса с переменной высотой.

Первичный датчик

Первичный датчик

Если требуется линейная функция преобразования, то высота каркаса должна быть постоянной.

Изготовление каркаса с непрерывно изменяющейся высотой более сложно, чем изготовление каркаса с постоянной высотой. Для упрощения технологии прибегают к кусочно-линейной аппроксимации заданной нелинейной функции преобразования (рис. 3 ). Для каждого интервала перемещения движка x , на котором аппроксимирующая функция линейна, высота каркаса постоянна. Каркас преобразователя получается ступенчатым, как показано на рис. 3 . Число ступеней равно числу интервалов кусочно-линейной аппроксимации.

Первичный датчик

Принцип действия и конструкция . Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q . Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника

Первичный датчик

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С, является константант . Зависимость сопротивления R от относительной деформации е с достаточной точностью описывается линейным двучленом

где R 0 — сопротивление тензорезистора без деформации; S Т — тензочувствительность материала.

Тензочувствительностъ константана лежит в пределах 2,0—2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Принцип действия и конструкция . Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением:

где δ — расстояние между электродами; Q — их площадь; е 0 — электрическая постоянная; e r — относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 5 ) Q = bх и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 5). Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя

постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами δ.

Первичный датчик

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме. Схема дифференциального преобразователя углового перемещения а с переменной площадью электродов приведена на рис. 6. В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соединяется с экраном.

Первичный датчик

Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. Одной из особенностей кристаллов является их симметрия. Кристаллы могут быть симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. В соответствии с видом симметрии по определенным законам построена кристаллическая решетка и расположены ионы. В направлении оси X ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы Fx в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионами изменяются и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется заряд

пропорциональный силе Fx . Коэффициент d 11 , зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется.

Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изотовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы — пьезокерамики.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя . Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.

Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рис. 7 На этой схеме С — собственная емкость преобразователя; С1 — суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R — входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезозлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления R . Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении к. Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение можно переписать в виде

Первичный датчик

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Принцип действия и конструкция . Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Пример схемы преобразователя первой группы показан на рис. 8 . Преобразователь состоит из П-образного магнитопровода на котором размешена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности дросселя. Другая широко используемая модификация (плунжерный преобразователь) показана на рис. 8 . Преобразователь представляет собой катушку /, из которой может выдвигаться ферро магнитный сердечник 2 (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна.

Схема преобразователя второй группы приведена на рис. 8 . В зазор магнитной цепи / вводится пластинка 2 с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки 3. Это эквивалентно увеличению ее активного сопротивления.

Функция преобразования преобразователя рис. 8 с некоторыми допущениями может быть получена следующим образом. Как известно, индуктивность катушки

Ток связан с МДС HI соотношением

Первичный датчик

Индуктивный преобразователь является электромагнитом, его сила притяжения, возрастающая с увеличением чувствительности, нелинейно зависит от перемещения якоря и может явиться причиной погрешности преобразователя, предшествующего индуктивному.

Описанные одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков: их функции преобразования нелинейны; аддитивные погрешности, в частности погрешность реального преобразователя, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велики; сила притяжения якоря значительна.

Принцип действия и конструкция . Индукционным преобразователем называется преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется Потокосцепление катушки с внешним по отношению к катушке магнитным нолем. При этом в катушке наводится ЭДС

Первичный датчик

где w — число витков катушки; Ф — проходящий через нее поток; Q — площадь, через которую проходит этот поток; В — индукция магнитного поля.

ЭДС в катушке может наводиться при изменении во времени любой из перечисленных величин w , В, Q .

В качестве примера рассмотрим преобразователь, который представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка (рис. 9). При движении катушки с изменением х изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, Q = bх. Это приводит к изменению потокосцепления ψ = wBbx , и в катушке наводится ЭДС

Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной dx / dt или угловой da / dt скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

Различают ряд типов преобразователей:

Принцип действия и конструкция. Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, состоящую из двух разнородных проводников Р и Q , соединенных между собой в двух точках, как схематически показано на рис. 10. На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов EpQ (t), зависящая от рода металлов и от температуры контакта. В цепи, показанной на рис. 10 , контактные разности потенциалов образуются в точках I и 2. Если t 1 = t 2 то они равны между собой и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если же t1и t2 не равны в цепи развивается результирующая ЭДС

называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места контактов называются спаями термопары.

Первичный датчик

Термоэлектрические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС.

Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Устройство промышленной термопары показано на рис.11. Термоэлектроды изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим -подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помешаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур — из керамики или кварца.

Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем.

Первичный датчик

Первичный датчик

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов . Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно при меняются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

где R0 — сопротивление при 0 0 С; а = 4,28 * 10 -3 температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен о= 3,91 * 10 -3 К -1

Чувствительный элемент медного терморезистора представляет собой пластмассовый цилиндр, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода диаметром 1,0—1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу . Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол, который представляет собой закрытую с одного конца трубку. На открытом ее конце помещается клеммная головка .

При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы.

Принцип действия и основные типы преобразователей . Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Первичный датчик

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых λ гр = 2,7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

где Iф — фототок; U — напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис 13 Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

где RT — темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя;R 200 — сопротивление при Е = 200 лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис 13), т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения.

Первичный датчик

Первичный датчик

Инерционность характеризуется постоянной времени т. У сернисто-кадмиевых преобразователей т лежит в пределах 1- 140 мс,у селенисто-кадмиевых — 0,5—20 мс.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях.

1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов.

2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах.

З.При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.

Электролитические (кондуктометрические) преобразователи . Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) электропроводность возрастает. При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы; при этом количество носителей и электропроводность раствора возрастают. При малых концентрациях электролита, когда

Первичный датчик

количество ионов мало, увеличение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации с в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается (рис. 15).

Электролитический преобразователь (рис 15) представляет собой два электрода 1, погруженные в раствор 2. Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователя R обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита:

Коэффициент называется постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением.

Гальванические преобразователи. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий