2.9.2 Сильфонные и мембранные датчики. Занятие 31.

С помощью мембранных и сильфонных датчиков можно измерять давление, силу и небольшие перемещения. В мембранных датчиках тонкая металлическая или полимерная пленка, обычно круглой формы, зажата по краям в корпусе, образующем две полости над и под мембраной. Мембрана обладает упругостью, и при отсутствии внешних сил возвращается в начальное состояние. При наличии внешней силы мембрана изгибается. Прогиб мембраны можно определить с помощью известных методов, позволяющих измерить перемещения. Для этого к мембране присоединяется датчик перемещения—емкостный, индуктивный, контактный и др. Датчик может измерять изменение перемещения или предельное отклонение (в случае контактного датчика). Наиболее приспособлена мембрана для измерения давления так как имеет большую площадь. Используют мембранные датчики для измерения давления газов или уровня сыпучих тел, например, зерна. Может быть измерено избыточное или абсолютное давление. С обеих сторон мембраны существует две полости. В одну из них подается газ, давление р которого измеряется, в другой можно создать атмосферное или другое давление, вплоть до вакуума. В соответствии с этим будет измеряться избыточное давление (например, относительно атмосферного) или абсолютное (если во второй полости вакуум). Сохранность мембраны обеспечивается упорами с одной или двух сторон. Например, если датчик предназначен для измерения абсолютного давления, в измерительную полость может быть подано атмосферное давление (например, при транспортировании датчика), которое создаст аварийную деформацию мембраны.

Чем тоньше мембрана, тем она чувствительней, но и менее прочна. Для увеличения чувствительности мембраны она выполняется с концентрическими гофрами. Такая мембрана более эластична и имеет большее перемещение. Полимерные мембраны стареют (меняют свои пружинные свойства) во много раз быстрее металлических и потому подлежат частой замене (иногда удобнее заменить весь датчик).

С ильфон представляет собой металлическую трубку с гофрированной поверхностью, легко сжимающуюся и разжимающуюся в осевом направлении. Сильфоны могут быть использованы как датчики давления или датчики температуры.

В качестве датчиков давления сильфоны применяются, если во внутреннюю полость подавать газ, давление которого должно быть измерено. Удлинение сильфона пропорционально изменению давления. Измеряется избыточное давление.

Для измерения температуры внутрь сильфона помещают газ с большим температурным коэффициентом объемного расширения. При изменении температуры давление газа изменяется, сильфон меняет свои осевые размеры. Изменение размеров может быть воспринято датчиком перемещения. Сильфонные датчики обладают большой чувствительностью. Выпускаются простые и дифференциальные датчики давления. Дифференциальные датчики измеряют разность давлений, подаваемых в две сильфонные трубки.

2.10 Термопары и термометры сопротивления. Занятие 32.

Устройство термопар основано на открытом почти 200 лет назад эффекте Зеебека, который заключается в том, между спаями двух различных проводников, которые образуют замкнутый контур, возникает ЭДС, если спаи нагреты до разных температур. Объясняется это сочетанием нескольких факторов, из которых главными являются два: а) диффузия электронов из более нагретой части проводника к менее нагретой и б) различная работа выхода электронов из разных проводников.

Если спаи А и В находятся при разной температуре, между ними возникает ЭДС, величина которой тем больше, чем больше разность температур. При одинаковой температуре спаев термоЭДС равна нулю. ТермоЭДС можно измерить, если в разрыв одного из проводников установить вольтметр. При этом в местах подключения прибора возникнут новые термопары, которые будут влиять на результат измерения. Измеряя термоЭДС, можно измерить разность температур спаев. Из этого следует, что для измерения в градусах Цельсия необходимо холодный спай держать в тающем льде.

Обычно проводники между термопарами выполняют из проводов, отличных от проводов термопар. Обозначение термопары показано на рис. Для уменьшения погрешностей измерения соединительные провода должны быть достаточно толстыми. Для повышения точности измерений должно быть выполнено достаточно много условий, связанных с тем, что термоЭДС имеет достаточно малое значение (мили В). Всевозможные влияния (электромагнитные поля, влияние температуры окружающего пространства, возникновение термоЭДС в местах соединения проводов и т.д.) требуют выполнять соединительные провода витой парой, провода термопары делать достаточно короткими, а соединительные провода большего диаметра, экранировать провода и измерительный прибор и т.д. Описанное применение термопар называется методом двух термопар. Метод является классическим и используется достаточно широко.

В промышленности чаще используется метод одной термопары. Как было показано, соединительные провода создают термопары. Поэтому термопара, установленная в зоне измерения температуры, создает ЭДС относительно термопары, образованной проводами. Вопрос заключается в поддержании постоянной температуры наружного соединения. Для решения этой задачи используют электронное устройство, которое называется компенсатором. Часто в компенсаторах устанавливают терморезистор, служащий для измерения температуры компенсатора. В этом случае термопара измеряет температуру относительно нуля. При менее точных измерениях, когда 20⁰…30⁰ значения не имеют, измерение температуры в зоне установки компенсатора необязательно. Важным фактором является то, что промежуточные провода образуют пары контактов с противоположными ЭДС, которые компенсируют друг друга.

Точность измерения температуры доходит до 0,1⁰С. Ниже перечислены некоторые температурные возможности термопар.

Железо-константан 0…500⁰С

Хромель—алюмель -100…1000⁰С

Платинородий-платина 400…1350⁰С

Вольфрам-рений до 2500⁰С.

Термопары являются единственным средством измерения высоких температур, при котором измеритель находится в зоне высокой температуры. Характеристики их нелинейны.

Термометры сопротивления это средства измерения температуры, представляющее собой сопротивление, выполненное из чистого металла (чаще всего платины) проволочное или пленочное, имеющее известную зависимость сопротивления от температуры. Главное преимущество термометров сопротивления высокая стабильность, взаимозаменяемость, широкий диапазон температур, линейность характеристик. Пленочные термометры сопротивлений имеют повышенную вибропрочность, но меньший диапазон измерения температур. Высокая стабильность некоторых термометров позволяет выполнять их индивидуальную градуировку, что дает возможность измерения температуры с точностью до 0, 002⁰С. Еще одно достоинство—возможность изготовления миниатюрных датчиков. Недостатком является необходимость использования специальных (четырехпроводных) термометров при точных измерениях и подбор материалов для герметизации корпуса. Диапазон измерения температур для разных термометров от -200⁰С до + 600⁰С.

2.11 Другие датчики (расхода, концентрации газовой среды)

2.11.1 Калориметрические датчики расхода. Занятие 33.

Калориметрические датчики относятся к специальным датчикам и определяют расход газа путем измерения количества тепла, перенесенного газом.

Датчик представляет собой никелевую трубку с внутренним диаметром около 5 мм, в правый конец которой поступает измеряемый газ, из левого выходит (показано широкой стрелкой). Снаружи на трубку намотан никелевый провод, образующий сопротивления R1 и R4. Оба сопротивления совместно с сопротивлениями R2, R5 и источником напряжения U1 образуют мост постоянного тока, в измерительную диагональ которого включен усилитель.

На трубку намотано никелевое сопротивление R3, через которое проходит ток от источника питания U2 через управляемый выпрямитель У. Этот ток нагревает сопротивление R3 и трубку в месте, где намотано сопротивление.

При отсутствии потока газа R1 = R4, R2 = R5, мост находится в равновесии и напряжение, снимаемое с дифференциального усилителя, равно нулю. При наличии потока газа он проходит через трубку, в зоне сопротивления R3 нагревается и, перемещаясь по трубке, нагревает сопротивление R1. Чем больше расход газа, тем больше он переносит тепла и тем больше увеличивается сопротивление R1. Мост разбалансируется, на выходе операционного усилителя возникает напряжение тем большее, чем больше разность температур сопротивлений R1 и R4, т.е. на выходе операционного усилителя напряжение соответствует расходу газа.

Количество перенесенного тепла к сопротивлению R1 зависит не только от расхода газа, но и от температуры сопротивления R3. Проходя в зоне сопротивления R3, газ охлаждает его. Чем больше скорость газа, т.е. расход, тем сильнее охлаждается сопротивление R3. Чтобы температура сопротивления была постоянной, необходимо подводить к нему количество тепла, пропорциональное расходу газа. Для этого служит преобразователь К и регулируемый усилитель У. Благодаря им, трубка в районе R3 нагревается тем сильнее, чем больше расход газа, т.е. чем больше отвод тепла.

Разные газы обладают разными теплоемкостями, теплопроводностью и другими физическими свойствами. Одинаковый расход разных газов по-разному охлаждает зону сопротивления R3. Переход к измерению других газов требует перенастройки прибора, что осуществляется масштабным усилителем М и преобразователем К. При изготовлении прибор настраивается для измерения расхода азота.