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).

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;

-высокая чувствительность;

-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. Х_вых = f(Х_вх).

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

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:

с = Д

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

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:

V где:

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.

Рисунок 3.4 – Пьезоэлектрический преобразователь.

Электромагнитные преобразователи. В этих датчиках

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

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.

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.

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 t⁰–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. Е_АВ(t,t₀).

Поддерживая температуру спаев t₀ постоянной, получим:

E_AB(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).

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.