ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

6.1. Назначение и классификация чувствительных элементов

При эксплуатации измерительных приборов, контролирующих раз­личные параметры водных сред, приходится измерять различные вход­ные величины, отличающиеся как по своей природе (механические, электрические, оптические, тепловые, магнитные, физико-химические, биологические), так и по характеру их измерения (непрерывные, дискретные). Поэтому датчики измерительных приборов оборудуются чувствительными элементами различного назначения. [19]

Все чувствительные элементы (ЧЭ) можно условно разделить на пять основных видов:

а) механические (упругие);

б) электрические параметрические;

в) электрические генераторные;

г) магнитные;

д) магнитоэлектрические.

Основными характеристиками чувствительных элементов являются: надежность, микроминиатюризация, унификация и стандартизация.

Надежными являются элементы, работающие без отказа в заданных режимах и условиях в течение требуемого времени при сохранении за­данных характеристик.

Микроминиатюризация заключается в уменьшении массы и габарит­ных размеров элементов при условии сохранения точности.

Стандартизация чувствительных элементов преследует следующие цели:

а) улучшение качества;

б) установление рациональной номенклатуры;

в) экономия материальных ресурсов;

г) обеспечение необходимых требований.

Унификация позволяет расширить возможности использования од­них и тех же чувствительных элементов в приборах различного назна­чения.

6.2. Упругие чувствительные элементы

К упругим чувствительным элементам относятся пружины, мембра­ны, сильфоны, манометрические трубки, термобиметаллические элемен­ты, крыльчатки и другие. Эти элементы в основном используются для преобразования давлений, разрежений, усилий, деформаций и моментов в механическое, линейное илиугловое перемещение.

Мембрана представляет собой круглую упругую пластину, жестко закрепленную по наружному контуру. Для повышения жесткости мембрану могут подвергать дополнительному натяжению. Наибольшее распространение получили металлические мембраны. Кроме того, применяют мембраны из кварца, резины, пластмасс. По форме различают мембраны плоские, гофрированные, выпуклые. Для повышения чувствительности применяют мембранные коробки, представляющие собой сваренные или спаянные по контуру мембраны. Если внутреннюю полость мембранной коробки соединить с измеряемой средой, то по прогибу ее жесткого центра 1 (рис.1) можно судить о величине избыточного давления Р. В некоторых мембранных коробках полости заполняют газом или жидкостью. Их называют наполненными и используют в качестве чувствительных элементов некоторых термометров и терморегуляторов.

Сильфон представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечной гофрировкой (рис.2). Если подать давление Р в полость сильфона со стороны жестко закрепленного конца В, то это вызовет соответствующее перемещение W свободного конца А.

Рис 1. Наполненная мембранная коробка

Для увеличения прочности и чувствительности применяют многослойные сильфоны. Их изготавливают из нескольких тонких трубок, плотно вставленных одна в другую.

Рис.2. Схема сильфона

Манометрические трубчатые пластины используют для измерения избыточных давлений. Они представляют собой тонкостенные трубки вытянутого поперечного сечения (рис. 3). Трубку располагают та­ким образом, чтобы малая ось 2В сечения лежала в плоскости изгиба трубки. При заполнении полости трубки жидкостью под давлением про­исходит деформация сечения в направлении приближения его к кругло­й форме, а сама трубка разгибается.

Рис.3. Манометрическая трубчатая пластина

Термобиметаллы применяют в качестве чувствительных элементов температуры в термометрах, тепловых реле, амперметрах, ваттметрах и других. Термобиметалл состоит из двух металлов или сплавов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, обладающих хорошими упругими свойствами, спаяных или сваренных по всей поверхности соприкосновения. При нагревании или охлаждении компоненты биметалла деформируются в равной степени, что вызывает соответствующий изгиб. Изгиб будет тем больше, чем больше разность коэффициентов линейного расширения. Обычно пассивный элемент выполняют из инвара, а активный - из хромоникелевой стали. На рис. 4 показан чувствительный биметаллический элемент термометра. На рис.5 приведена схема биметаллического контакта.

Рис.4. Биметаллический элемент термометра

Рис.5. Биметаллический контакт

Крыльчатки применяют для измерения скоростей течения газов и жидкостей (рис.6). Под влиянием скоростного потока воздуха крыльчатка или вертушка совершает вращательное движение, угловая скорость которого пропорциональна скорости потока.

Рис.6. Крыльчатка

6.3. Электрические чувствительные элементы.

Электрические чувствительные элементы подразделяют на две группы: параметрическе и генераторные. Параметрические - преобразуют входную физическую величину в изменение одного из параметров электрической цепи: сопротивления, емкости, индуктивности, взаимоиндуктивности.

Для обеспечения работы параметрических элементов требуется источник питания.

Генераторый чувствительный элемент преобразует входную физическую величину в ЭДС. Для генераторных элементов в большинстве случаев не требуется источника питания.

Параметрические чувствительные элементы делятся на три основных группы: омические, емкостные и электромагнитные.

К омическим чувствительным элементам относятся: реостатные, тензометрические, терморезисторные, электрохимические, электронные, ионные, ионизационные и другие.

Реостатные элементы хорошо известны из курса общей физики. Их применяют в основном для измерения перемещений и сил, под действием которых изменяется сопротивление элемента.

Тензометрические элементы(тензорезисторы) представляют собой проводники или полупроводники в виде полосок фольги или проволок, которые при деформации меняют свое сопротивление. Их обычно накле­ивают на упругие элементы (например, мембраны), подвергающиеся ме­ханическим деформациям. При этом тензорезистор, наклеенный на уп­ругий элемент, получает одинаковую с ним деформацию. Величина де­формации обычно пропорциональна величине сопротивления тензорезистора.

На рис. 7 приведена схема тензорезистора, наклеенного на мембрану. Такая конструкция позволяет измерять силу или давление, получая на выходе электрический сигнал.

Рис. 7. Мембрано-тензорезисторный датчик силы или давления

Сопротивление тензорезистора в значительной степени зависит от температуры. Поэтому в большинстве случаев для измерения приме­няют не менее двух тензорезисторов, один из которых является ком­пенсационным (который не воспринимает деформацию, а фиксирует толь­ко температурные изменения).

Терморезисторыпредставляют собой металлические проволоки из отдельных видов металлов в виде обмоток на каркасах из изоляцион­ных материалов (фарфора, слюды, пластмассы). Принцип дейс­твия терморезисторов основан на том, что сопротивление проводника или полупроводника, по которому протекает электрический ток зави­сит от различных характеристик окружающей среды: температуры, ско­рости движения, плотности, состава и других. В большинстве случаев терморезисторы изготавливают из различных комбинаций сплавов и окислов теллура, серебра, никеля, марганца.

Электрохимический чувствительный элементпредставляет собой ячейку, заполненную электролитом с двумя или несколькими электродами. При приложении напряжения к электродам возникает электрический ток, величина которого зависит от параметров электрохимической ячейки. Если связать измеряемую величину, с каким либо из этих па­раметров и нейтрализовать влияние других факторов, то электрохими­ческие элементы можно использовать для измерения состава и кон­центраций жидких сред, давлений, скоростей, деформаций и других величин. На рис. 8. приведена схема электрохимического элемента для измерения концентрации растворов. В стеклянный корпус вплавле­ны пластинчатые платиновые электроды 1. Сменные измерительные со­суды 2, которые надевают на основание 3, могут обеспечить выполне­ние измерений в различных объемах, в том числе и в проточной жид­кости.

Рис.8. Электрохимический элемент для измерения концентраций

растворов

Принцип действия электронных электромагнитных и ионных чувс­твительных элементов основан на том, что электронный или ионный ток зависит не только от напряжения, но и от расстояния между электродами, плотности, состава и скорости движения среды в межэ­лектродном пространстве, а также от параметров источников светово­го излучения.

Особый интерес с точки зрения конструирования современных приборов, контролирующих качественные параметры природных и сточ­ных вод, приобретает разновидность электронных и ионных элементов:

- оптико-электрические (фотоэлектрические) чувствительные элементы

- оптроны.

Принцип действия оптронов основан на электрооптических
эффектах. В зависимости от вида эффекта бывают прямые и обратные
оптроны.

Прямой параметрический оптрон преобразует измеряемую величину в сопротивление. Обратный параметрический оптрон преобразует электрическую энергию в электромагнитные излучения. Прямые и об­ратные оптроны используются как раздельно, так и совместно. Все параметрические оптроны разделяют на фотоэлементы и фоторезисторы.

Фотоэлемент представляет собой вакуумный баллон с двумя электродами. Анодом является металлический стержень, а катодом - светочувствительный слой на внутренней поверхности баллона. К электродам подводится напряжение постоянного тока. Под влиянием потока света из катода выбиваются электроны, вследствие чего резко уменьшается внутреннее сопротивление цепи анод-катод и появляется ток. Таким образом существует зависимость силы тока I от светового потока Ф: I = f(Ф), которая называется световой характеристикой фотоэлемента.

Принцип действия фоторезисторов основан на использовании яв­ления внутреннего фотоэффекта. Это явление заключается в следую­щем. При освещении полупроводника (селен, сернистый висмут, сер­нистый кремний и др.) в нем увеличивается количество электронов проводимости.

Рис.9. Конструктивная схема фоторезистора

Электроны, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки, вызывают вторичный поток электронов, что приводит к уменьшению сопротивления фоторезистора в сотни раз. Это позволяет получить на выходе электрический ток до нескольких миллиампер. Конструктивная схема фоторезистора показана на рис.9. На стеклянной пластинке 1 нанесены две группы штрихов, связанных с элект­родами 2. Эти электроды подсоединяются к источнику постоянного то­ка U.

Пластина покрывается светочувствительным слоем 3 из полупро­водника. В зависимости от освещения светочувствительного слоя ме­няется сопротивление фоторезистора.

Принцип действияионизационных чувствительных элементов осно­ван на том, что ионизационный ток, возникающий под действием ради­оактивного или рентгеновского излучений, зависит не только от пос­тоянства напряжений на электродах, но и от плотности, скорости и неоднородности среды в междуэлектродном пространстве. Поэтому ио­низационные элементы применяют для измерения разрежений, уровней, перемещений и т.д.

Емкостные чувствительные элементы применяют для измерения пе­ремещений, усилий, давлений, уровней, расходов, температуры, кон­центраций растворов и других физических величин. Принцип действия емкостного элемента заключается в том, что измеряемая величина связана с одним из параметров, определяющих емкость конденсатора (диэлектрическая постоянная среды, площадь электродов, расстояние между электродами и др.). В большинстве случаев один из электродов является подвижным, а в пространстве между электродами находится диэлектрик (например, жидкость). Основным недостатком емкостных элементов является их малая мощность, что вызывает необходимость применения усилителей.

Электромагнитные чувствительные элементы применяют для изме­рения давлений, усилий, перемещений, скоростей и т.д. Их принцип действия основан на том, что индуктивность и сопротивление обмотки зависят от параметров магнитной цепи. Поэтому измеряемую величину связывают обычно с одним из параметров этой цепи.

К генераторным чувствительным элементам относятся: индукцион­ные, термоэлектрические пьезоэлектрические, вентильные фотоэлект­рические и электрокинетические.

Индукционные элементы в основном используются для измерения частоты вращения валов, параметров вибрации, расхода жидкости и т.д. В этих элементах измеряемая величина превращается в индукти­рованную ЭДС.

Термоэлектрические элементы (термопары) представляют собой спаи двух различных металлических или полупроводниковых электро­дов.

Принцип действия термопары основан на том, что энергия свободных электронов в различных проводниках не одинакова и по - разно­му возрастает с повышением температуры. Термопары применяют для измерения температур и других величин, связанных с температурой (скорость, расход и другие).

Пьезоэлектрические чувствительные элементы применяют для из­мерения быстроменяющихся усилий, давлений, скоростей и других фи­зических величин. Принцип действия таких элементов основан на использовании пьезоэффектов, которые проявляются в некоторых диэлектриках (например, в естественном кварце) и выра­жаются в расположении электрических зарядов на их поверхности. В ре­зультате одна часть поверхности заряжается положительно, а другая - отрицательно. При снятии механических напряжений заряд исчезает.

К вентильным фотоэлектрическим элементамотносятся преиму­щественно фотодиоды и фототранзисторы. Их принцип действия состоит в следующем. Если на железную или алюминиевую пластину нанести слой полупроводника, а затем тонкий полупрозрачный слой золота, то на границе между полупроводником и золотом образуется "запирающий слой". При освещении кванты отдают свою энергию электронам. Осво­бодившиеся электроны переходят в проводник, заряжая его отрица­тельно. Если замкнуть выводные концы железной пластинки и золо­того покрытия, то в цепи появится ток. Такие элементы широко при­меняются для измерения различных физических величин.

Электрокинетические элементы находят широ­кое применение при контроле процессов очистки вод и параметров, характеризующих их состояние в водных источниках. Принцип действия электрокинетических элементов основан на использовании ЭДС, возни­кающей на границах растворов, разделенных пористыми перегородками. На рис. 10 приведена схема электрокинетического чувствительного элемента давления.

Рис.10. Схема электрокинетического чувствительного элемента

В корпусе 1, заполненном жидкостью, располагается перегородка 2из

мелкопористого материала, например, фарфора. Электроды 3 в виде металлических сеток располагают по обеим сторонам вдоль по­верхности перегородки. Давление Р подается с одной стороны перего­родок. На границе жидкость-перегородка возникает разность потенци­алов, направленная вдоль течения жидкости. Зависимость этой раз­ности потенциалов от давления является статической характеристикой электрокинетического элемента. На этом эффекте, называемом элект­роосмосом, основаны чувствительные элементы, позволяющие кроме давления измерять скорость и расход жидкости.

6.4. Магнитные и магнитоэлектрические чувствительные элементы

Магнитные чувствительные элементы (постоянные магниты) широко применяют в навигационных приборах (магнитные компасы, тахометры., моментные датчики и др.), а также в электроизмерительных приборах и реле. Постоянный магнит представляет собой предварительно намагни­ченное тело из магнитотвердого материала. В нем создается стабиль­ный магнитный поток, величина которого практически не зависит от времени, колебаний температуры, вибраций, внешних магнитных полей. Для использования магнитной энергии постоянные магниты создают с воздушным зазором (рис.11).

Рис. 11. Схема кольцевого постоянного магнита с воздушным зазором

Обозначения: В_d - индукция; Н_d - напряженность магнитного поля; 1м - длина (по оси) магнита; Sм - площадь попе­речного сечения; δ -воздушный зазор; Ф_у - магнитный поток утечки; Фк - магнитный поток рассеяния; Ф_р - магнитный поток зазора.

При подборе параметров постоянного магнита необходимо учиты­вать влияние побочных магнитных потоков Фк и Фр. Это влияние учи­тывается коэффициентом рассеяния δ:

δ = ,

Величину δ обычно принимают равной от 2 до 5.

Магнитоэлектрические чувствительные элементы широко применяют для преобразования тока I или напряжения U в усилие Q или момент М. Наиболее распространены в номенклатуре приборов магнитоэлектри­ческие гальванометры и логометры. Гальванометр (рис.12.) состоит из неподвижного магнита NS и подвижной рамки, имеющей ширину b.

Рис. 12. Магнитоэлектрический гальванометр

Эта рамка укреплена на спиральных пружинах, через которые пропускается электрический ток I. Вращающий момент рамки определя­ется по формуле:

М = ,

где В - магнитная индукция;

I - ток;

S = в 1 - активная площадь рамки; в - ширина;

1 - длина

W - число витков рамки.

Преимуществами чувствительных магнитоэлектрических элементов по сравнению с постоянными магнитами являются: высокая чувстви­тельность, точность измерений, линейность характеристик. Недостат­ки - сложность конструкции и непригодность для непосредственного измерения переменного тока.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 1015; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!