4.1.2 Датчики давления

Как и датчики температуры, датчики давления отно­сятся к наиболее широко употребительным в технике. Однако для непрофессионалов измерение давления представляет меньший интерес, так как существую­щие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение. Несмотря на это, рас­смотрим некоторые варианты их использования,

Для любительской практики представляют инте­рес лишь относительно недорогие кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик из­готовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Ме­тодом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При из­менении давления мембрана прогибается, и под дей­ствием пьезоэлектрического эффекта происходит из­менение сопротивления резистивных элементов (рисунок 4.4). Тол­щина мембраны, как и геометрическая форма рези­сторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этою типа являются:

• высокая чувствительность,

• хорошая линейность,

• незначительные гистерезисные явления,

• малое время срабатывания,

• компактная конструкция,

• экономичная планарная технология изготовления.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Измеритель­ный мост из четырех идентичных пьезорезисторов, составляющих в совокупности датчик давления	Рисунок 4.4 – Характеристика кремние­вого датчика давления при различных температурах (25 и 125 °С)

Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0,1 В, для дальнейшей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое 10-кратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным при­бором осуществляется легко. Для измерений с повы­шенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков.

4.1.3 Датчики расхода и скорости

Измерение расхода жидкостей или газов чрезвы­чайно важно во многих областях техники и в особенности в сварочных процессах, так как оно позволяет судить об эффективности процессов по расходу материалов. В промышленной измерительной технике требуют очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности и должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измеритель расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик). При таких требованиях к точности при меняют чаще всего механические измерительные при боры. Лишь в самое последнее время появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие на оптическом эффекте Доплера. Эти лазерные доплеровские анемометры (рисунок 4.5) используют особый вид рассеяния света (эффект Доплера), рассмотреть который более подробно здесь представляется возможным. В данном случае лулазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает далее на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электри­ческий ток. Усиленный доплеровский сигнал электронным путем преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение.

Рисунок 4.5 – Устройство лазерного доплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе

Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не иска­жается процедурой измерения и профиль потока мо­жет быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса. Однако для любительской практики этот метод не­пригоден.

Измерения расхода можно осуществить чисто элек­тронным путем, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого рези­стора изменяется вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик рас­хода. На рисунок 4.6 показано омическое сопротивление (элемент датчика) в канале потока. Ток I нагревает этот элемент до температуры Т₁>Т₂.

Рисунок 4.6 – Схематическое изображение процессов теплопередачи от самонагревающегося резистора в канале потока

При использовании двух терморезисторов с положи­тельным ТКС, из которых только один подвергается действию потока, как показано на рисунок 4.7, можно осуществить измерение, и значительной мере не за­висящее от температуры окружающей среды.

Рисунок 4.7 – Устройство для измерения расхода газа с помощью самонагревающегося терморезистора с положительным ТКС