Радіаційні датчики.

В основу роботи радіаційних датчиків покладено дію вхідної величини (переміщення, зусилля, рівня або плотність матеріалу) на інтенсивність потоку промінистої енергії (звичайно α-, β- або γ-променів).

Радіаційні датчики складаються з випрямінювача, в якому знаходиться радіоактивна речовина, та приймача. У якості джерела промінистої енергії застосовують радіоактивні кобальт, цезій, талій, стронцій, полотій ті інш. Вибір того або іншого ізотопа визначається характером контролюємої величини. Так наприклад, для контроля тиску газів або при газовому аналізі застосовуються α-примені (потік ядер гелію). При контролі товщини, плотністі або ваги матеріалів, складу рідини використовують β- примені (потік електронів та позитронів). γ-промені (потік квантів електромагнітної енергії) застосовуються у тих випадках, коли треба велика здатність проникнення (контроль плотності, рівня). Приймачом радіоактивного випромінювання служить іонізаційна камера, лічільник Гейгера – Мюллера або сцинтиляційний лічільник. Радіаційні датчики найбільш широко застосовуються при контролі товщини слоя матеріалу (товщиноміри) або плотності його (плотноміри).

При проходженні потоку променів через контролюємий матеріал величина його зменьшується. Інтенсивність випромінювання залежить від фізичних властивостей та геометричних розмерів джерела: , де - початкова інтенсивність випромінювання, яка подається на контролюємий матеріал, Вт/м²; -масовий коефіцієнт ослаблення випромінювання в матеріалі; -плотність матеріалу, кг/м³; - товщина матеріалу, у напрямку потока променів, м.

Коефіцієнт передачі радіаційного датчика

Для товщиномірів . Для плотномірів .

Вимірювачі тиску.

В системах автоматичного контроля та регулювання в якості вимірювачів тиску використовуються різні пристрої: механічні (мембрани, сильфони, трубчаті пружини, колокола, поршневі пристрої); електричні (тензодатчики, тензоліти, датчики контактного опору, п’єзорезистори) та магнітні (магнітопружні).

Механічний вимірювач тиску представляє собою пружний елемент, величина деформації якого (x) пропорціональна зміні тиску: , де - жорсткість пружного елемента вимірювача (пружини, мембрани, сильфони і т.д.), Н/м; -еквівалентна площа чутливого елементу, м². Механічні вимірювачі використовуються для контроля тиску у межах від 10^-2 до 10⁸ Н/м².

Передаточна функція механічного елементу

Динамічні параметри мають слідуючі значення:

; ; ,

де -маса всіх рухомих частей вимірювача тиску, яка приведена до деякої точки А рухомої системи, кг; - коефіцієнт в’язкого тертя, Нּс/м².

В залежності від конструкції та відношення між величинами , k_П, вимірювач тиску в динамічному відношенні може бути еквівалентен аперіодичній або коливальній ланці.

В рідинних колокольних вимірювачах, які звичайно використовуються для вимірювання тиску порядка 10^-2-10⁴ Н/м², протидіюче зусилля створюється вагою стовба рідини. Ці вимірювачі бувають з загальмованим або вільним колоколом. При загальмованому колоколі вихідною величиною є підйомне зусилля F. Такий вимірювач в динамічному відношенні еквівалентен пропорціональній ланці з коефіцієнтом передачі

,

де - площа стінок колокола, м²; - площа посудини, м²; - площа поверхні рідини усередині колокола, м².

При круглому перетині посудини та колокола

;

де -внутрішний та зовнішний діаметри колокола, м; -внутрішний діаметр посудини. В цьому випадку

У колокольному вимірювачі тиску з вільним переміщенням колокола передаточна функція виражається рівнянням . Коефіцієнт передачі

Іноді на колокол діють додаткова (протидіюча) пружина з визначеною жерсткістю . В цьому випадку

де -плотність рідини, кг/м³.

Для вимірювання тиску від 10^-1 до 10⁵ Н/м² застосовуються рідинні U-подібні вимірювачі. У них в якості рідини звичайно використовують ртуть або воду. Вхідною величиною є різниця тисків ∆Р=Р₂ - Р₁, а вихідною – переміщення поплавка. Коефіцієнт передачі таких вимірювачів

де та -площі перетину колін, м²

Розглянемо вимірювачі тиску з електричним сприймаючим елементом.

У випадку застосування тензодатчиків необхідно проміжне перетворення тиску в деформацію. Для цього тензодатчик виконують у вигляді стержня з пружного матеріалу, який засвердлений з торця до половини довжини (рис.2.). Стержень зверху ізольован тонким слоєм папіру, на який наклеївається дріт. Середні точки та кінці дроту увімкнені до мостової вимірювальної схеми. Під дією тиску стінки трубки разом з терморезистором R1 розтягуються. Доуга половина тензодатчика (R2) опору не має і використовується для температурної компенсації.

Подібного роду вимірювачі тиску якляються пропорціональною ланкою з коефіцієнтом передачі:

де -струм живлення схеми, А; -первісний опір датчиків R1 та R2, Ом; -тензочутливість датчика; -модуль пружності матеріалу труби датчика, Н/м²; -товщина стінки, м; -коефіцієнт Пуасона .

Вимірювачі тиску з п’єзорезисторами використовуються для контроля понадвисоких тисків (до 10⁸ Н/м²). Принцип дії таких вимірювачів грунтується на зміні опору металів або напівпровідників під дією прикладеного тискі. В динамічному відношенні п’єзорезистори є пропорціональними ланками. Величина їх коефіцієнта передачі (чутливості) залежить від роду матеріалу. Для п’єзорезисторів з манганіну К=2,5ּ10^-1 м²/Н.

Поряд з п’єзорезисторами застосовуються п’єзоелектричні датчики. В них використовується ефект появи заряду на гранях кристалів (звичайно кварцу) при стисненні. Величина заряду пропорціанальна питомому тиску та площині грані, яка перпендикулярна направленню тиску. В динамічному відношенні п’єзоелектричний датчик є безінерційною ланкою. Величина його коефіцієнту передачі залежить від фізичних властивостей та геометричних розмерів кристалу, направлення дії сили (по електричній вісі x або перпендикулярно їй – по вісі y) та підраховується за формулами:

де -п’єзоелектрична стала (для кварцу для сегнетової солі для кераміки з титанату барія ); та , м; -ємкість кристалу, Ф; -ємкість дроту та вхідного ланцюга схеми, Ф.