Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

Конструкція фольгових тензоперетворювачів (рис. 7.7 б) аналогічна описаній, але розміри тут менші, і на виході — малопотужний сигнал (низький опір RФ ≤ 50 Ом). Це приводить до необхідності використання високоточних вторинних приладів при роботі з фольговими ПП. ЧЕ таких тензоперетворювачів з двох сторін захищені лаковою підкладкою. Товщина фольги становить 0,01…0,02 мм.

Захищені підкладкою провідникові тензоперетворювачі наклеюють на вимірювальну балку, яка деформується завдяки прикладеному до неї вимірюваному зусиллю або переміщенню. Сукупність вимірювальної балки із установленими на ній тензоперетворювачами представляє собою ПП переміщення (зусилля) і називається

тензодатчиком.

Напівпровідникові й плівкові тензоперетворювачі за сучасними технологіями виготовляють як єдине ціле з вимірювальною балкою.

Тензоперетворювачі включають за мостовою схемою, розташовуючи їх на вимірювальній балці взаємоперпендикулярно, що дозволяє вимірюватидеформаціїзадвомакоординатамиплощини. Частобалку із двох сторін оснащують такими тензомостами, що підвищує чутливість ПП. Вимірювальні балки мають різні розміри й конструкції.

Залежно від призначення діапазони вимірювання тензодатчиків міняються в широких межах, скажімо, від декількох міліграмів для лабораторних і до сотень тонн — залізничних ваг. Клас точності промислових тензодатчиків 0.1; 0.25; 0.5.

7.5. П’єзоелектричні ПП

Принцип дії п’єзоелектричних ПП заснований на використанні прямого або зворотного п’єзоефектів, властивих ряду діелектриків, керамічних матеріалів і полімерів, названих п’єзоелектриками. До них відносяться кварц, турмалін, титанат барію та ін. Кристали п’езоелектриків несиметричні відносно взаємоперпендикулярних поздовжньої (оптичної) О, електричної Е та механічної М осей, як показано на рис. 7.8 а.

Прямий п’єзоефект полягає в поляризації по осі Е кристала, наприклад, кварцу (SiО2) у результаті впливу зовнішніх механічних сил Х по осі М. При цьому знак виниклого потенціалу визначається напрямком дії сили, а його значення пропорційне величині механіч-

них напруг і деформацій, що викликали його. Наочним прикладом може служити побутова п’єзозапальничка.

Зворотний п’єзоефект полягає в деформації п’езоелектрика в електричному полі. Включений в електричне коло змінного струму, п’єзоелектрик являє собою навантаження, подібне до звичайного конденсатора, але відрізняється тим, що робить механічні коливання із частотою прикладеної електричної напруги. У всіх мобільних телефонах і електронних годинниках при створенні звукових сигналів застосовують зворотний п’єзоефект.

Рис. 7.8. П’єзоелектричний ПП на основі кристала кварцу: а) пря-

мий п’єзоефект: принцип дії ПП; б) зворотній п’єзоефект: залежність провідності γ п’єзоелектрика від частоти ƒ струму.

Залежність електропровідності γ п’єзоелектрика від частоти f має типово резонансний характер (рис. 7.8 б). При цьому в точках Р (резонанс) і А (антирезонанс) провідність має активний характер, між цими точками — індуктивний, а на частотах нижче точки Р и вище А — ємнісний, що дозволяє використовувати п’єзоелектричні резонатори для вимірювання безлічі технологічних параметрів.

7.6. ПП Холу

Ефект Холу полягає в тому, що при протіканні струму І крізь тіло (рис. 7.9 а), поміщене в магнітне поле з постійною індукцією В, вектор якої перпендикулярний вектору струму, виникає вихідна напруга U. Причому, вектор цієї напруги перпендикулярний векторам В та I:

де КХ — коефіцієнт пропорційності Холу, d — товщина пластини. Датчики Холу виготовляють на кристалічній (кремніій (Si), германій (Ge), арсенід індію (InАs), антимонід індію (InSb) і т.д.) або

плівковій (селенід ртуті (HgSe), телур ртуті (HgTe), тощо основі. Датчик Холу при переміщенні Х постійного магніту N-S виро-

бляє вихідну напругу U, пропорційну цьому переміщенню.

Якщо магніт змонтований у вимірювальному диску з немагнітного матеріалу (рис. 7.9 б), що обертається на валу, то датчик Холу виробляє імпульси напруги в моменти проходження повз нього магніту, що забезпечує одержання числоімпульсного вихідного сигналу, пропорційного швидкості обертання валу.

Рис. 7.9. ПП Холу

7.7. Фотоелектричні ПП. Енкодери

Фотоелектричні ПП застосовують для безконтактного вимірювання лінійних, кутових переміщень, контролю якості й кількості одиниць продукції, наприклад, пляшок, пачок, коробок, мішків і т.д., що рухаються на транспортерній стрічці.

Чутливими елементами фотоелектричних ПП (фотоелементами) служать фотодіоди, фоторезистори або фототранзистори. Залежно

від призначення часто застосовують фотоелементи інфрачервоного й повного спектрів. Фотоелемент із оптичними лінзами об’єктива, електронною схемою посилення й перетворення сигналу, змонтований в одному корпусі, утворює фотоелектричний ПП (фотоелектричний датчик).

На рис. 7.10 а показаний фотоелектричний ПП кутового переміщенняХ, якезадопомогоюштока1 викликаєпереміщеннядзеркалавідбивача 2 світлового потоку від джерела світла, наприклад, світлодіода 3. При відхиленні дзеркала змінюється частка світлового потоку, що надходить у фотоприймач 4, який разом з відповідною електронною схемою 5 виробляє аналоговий або дискретний (релейний або цифровий) вихідний сигнал.

Рис. 7.10. Фотоелектричні ПП: а) кутового переміщення; б) дифузійні; в) рефлекторні; г) рознесені ПП

Для вимірювання лінійних переміщень або контролю якості, чи кількості одиниць продукції існують три основні види фотоелектричних датчиків:

y с відбиттям світлового променя від об’єкта (дифузійні);

yс відбиттям променя від катафота (рефлекторні);

yрознесені датчики ( випромінювач-приймач).

Удифузійних датчиків (рис. 7.10 б) приймач і випромінювач вбудовані в один корпус. Орієнтація об’єкта не є критичною. Об’єкт виявлення відбиває частину світла від поверхні в протилежну сторону, на приймач. Як тільки об’єкт, що рухається, наприклад, на конвеєрі, входить у зону ефективного променя, відбувається зміна вихідного стану фотодатчика, що виробляє відповідний вихідний сигнал.

Урефлекторних датчиків (рис. 7.10 в) приймач і випромінювач такожвбудованіводинкорпус. Рефлекторнапротилежнійвіддатчика стороні відбиває світло від випромінювача назад на приймач. Об’єкт, що рухається, перериває відбитий промінь світла й викликає дискретну зміну вихідного сигналу ПП. При цьому з метою запобігання будьяких побічних сигналів рекомендується фільтрувати відбитий від об’єкта потік світла за допомогою фільтра, що поляризує.

Рознесені датчики складаються з окремих елементів — приймача й випромінювача, які повинні бути розташовані строго один напроти одного. Непрозорий об’єкт виявлення перериває промінь світла й, незалежно від поверхневих характеристик, викликає зміну вихідного сигналу ПП. При несприятливих умовах (пил, вологість, масляна плівка на лінзах) система «випромінювач — приймач» дає ряд серйозних переваг перед іншими типами.

Розглянуті фотоелектричні ПП, наприклад, Carlo Gavazzi, вирішують наступний ряд завдань:

yрозпізнавання міток, що маркують;

yконтроль рівня рідин;

yобмеження доступу в охоронних системах;

yконтроль якості і т.д.

Останнім часом широке застосування знайшли інкрементальні та

абсолютні енкодери (від англ. rotary encoder) — оптоелектронні ПП параметрів обертання вала.

Інкрементальні енкодери використовують у харчовій промисловості для вимірювання швидкості обертання, кута повороту, шляху або позиції. Абсолютні енкодери призначені для вимірювання кутового положення й застосовні, наприклад, у верстатах з ЧПУ й робототехніці.

Існує безліч конструкцій енкодерів, які являють собою фотоелектричні ПП переміщення, сполучені в одному корпусі з електронним проміжним перетворювачем. Вал енкодеру механічно зв’язують із валом електродвигуна, заслінки, що регулює, і т.д., параметри обертання якого вимірюють.

Одна з конструкцій інкрементального енкодеру являє собою циліндричний корпус, усередині якого на валу обертається дзеркальний багатогранник. При обертанні грані по черзі переривають / відновлюють світловий потік від джерела світла до приймача по розглянутій на рис. 7.9а схемі. Проходження кожної грані крізь світловий потік викликає імпульс вихідної напруги ПП. Число імпульсів за одиницю часу визначає вимірювану частоту обертання вала.

Інша конструкція, що використовується в енкодері «ТЕРА» типу ЭК-16, передбачає обертання на його валу диска з отворами. Отвори розташовані на осі рознесеного ПП. При обертанні диск перериває / відновлює світловий потік від світлодіода до фотодіода, який включений в електронну схему перетворення. Передбачено два варіанти вихідного пристрою залежно від призначення енкодера. Одне з них — «сухий контакт» вихідного реле, інше — вихідний транзистор NРN-структури з відкритим колектором. Це дозволяє легко погодити енкодер із вторинним приладом, наприклад, лічильником імпульсів, тахометром та ін. Енкодери «ТЕРА» живляться напругою = 12В постійного струму й виробляють 16 імпульсів за один оберт свого вала.

Логічній одиниці імпульсу «сухий контакт» відповідає замкнений стан вихідного реле енкодера, коли напруга від зовнішнього джерела крізь його контакт надходить на вхід вторинного приладу. Логічному нулю відповідає розмикання контакту й зняття цієї напруги.

Логічній одиниці вихідного імпульсу энкодера із транзисторним виходом відповідає напруга живлення, а логічному нулю — напруга 0,4 В.

Інкрементальні енкодери, наприклад, фірми KOВOLD містять у циліндричному корпусі обертовий кодуючий диск з нанесеною на ньому сіткою, поміщений між оптопарами світлодіодів і фотодіодів. Світло, випромінюване світлодіодом, модулюється сіткою й падає

на відповідний фотодіод. Подальше перетворення сигналу виконує вбудований мікропроцесорний контролер, вихід якого може бути числоімпульсним або кодовим, наприклад, RS-422.

Приклад кодуючого на сім двійкових розрядів диска показаний на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Кодуючий диск

Уся шкала вимірювання (360 °) при цьому розбивається на 27 = 128 поділок, що дає фіксовану похибку дискретності 1/128, тобто 0,8%.

Зазначені розряди представлено сімома концентричними рядами прозорих і непрозорих елементів або відповідно знаками 1 і 0 двійкового коду. Напроти кожного ряду встановлена оптопара, причому чутливі елементи повороту диска — 7 фотодіодів розташовані нерухомо щодо корпусу прилада в один ряд по радіусу диска, наприклад, по лінії а — б.

Дрібніші зубці на периферії використовують для введення восьмого розряду або в якості контрольної шкали з 256 поділками.

Основні розряди, рахуючи від периферії до центру, дають зна-

чення: 26 = 64; 25 = 32; 24 = 16; 23 = 8; 22 = 4; 21 = 2 і 20 = 1.

Причому, їхня сума з додаванням нульового розподілу дорівнює 128. Кожне значення величини, представленої різними кутами повороту диска, щодо якого зміщується лінія а-б, виражається

відповідним двійковим кодом. Цей код за допомогою мікроконтролера перетворюється у відповідний вихідний сигнал, наприклад, код Грея в абсолютних енкодерах або імпульсний — в інкре-

ментальних.

Залежно від типу приладу число імпульсів лежить у межах від 50 до 12000 на один оберт вала енкодера. Максимальна частота виходу

300кГц.

7.8.Пневматичні ПП

Пневматичні ПП лінійного й кутового переміщення в більшості випадків являють собою перетворювач типу «сопло-заслінка», показаний на рис. 7.12.

Рис. 7.12. ПП переміщення типу «сопло-заслінка»

Стиснене повітря при тиску живлення Ржив = 0,14 МПа надходить до вимірювальної камери 1 сопла 2, проходячи його вхідний гідравлічний опір — дросель 3. Вимірювальна камера має два вихідні отвори, один з яких використовується для виходу повітря в атмосферу й частково прикритий заслінкою 4. Інший отвір служить для подачі вихідного пневматичного сигналу Рвих, наприклад, на вторинний прилад. Дросель при цьому служить для забезпечення зміни тиску у вимірювальній камері. При його відсутності тут завжди було

б рівняння Рвих = Ржив.

Коли зміна вимірюваного переміщення Х заслінки приводить до повного закриття сопла, тиск на виході ПП стає рівним тиску живлення Рвих = Ржив. Якщо заслінка повністю відкриває сопло, тиск виходу падає до мінімального рівня Рвих = 0,02 МПа.У проміжних

положеннях заслінки сигнал Рвих змінюється пропорційно кутовому (або лінійному) переміщенню Х у вказаному вище діапазоні.

8. ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ

Одиницею вимірювання тиску в системі СІ є Паскаль (Па). Однак дотепер використовуються й інші одиниці: кілограм сили на квадратний сантиметр (кгс / см2), бар, міліметр водяного (мм. вод. ст.) і ртутного (мм. рт. ст.) стовпа. Відповідно до вимірюваного тиску розрізняють ЗВТ абсолютного й надлишкового тиску.

Прилади надлишкового позитивного тиску називають манометрами, негативного (вакууму) — вакууметрами. Прилади для вимірювання різниці тисків називають диференціальними манометрами або дифманометрами. Манометри й вакууметри застосовують для вимірювання тисків рідких і газоподібних середовищ у технологічних трубопроводах і ємкостях.

Нижню межу шкали промислових приладів тиску ДСП, що відповідає нормальному атмосферному тиску, позначають нулем, верхню межу вибирають зі стандартного ряду: (1; 1.6; 2.5; 4; 6) 10n, де n — будь-яке позитивне або негативне число.

Манометри з вузьким діапазоном вимірювання називають напоромірами (нуль шкали ліворуч), а вакууметры з вузьким діапазоном — тягомірами (нуль шкали праворуч). Прилади тиску з нулем на середині шкали називають мано-вакууметрами. Якщо вони при цьому мають вузький діапазон вимірювання — їх називають тягонапоромірами. Тягонапоромірами оснащують топки водонагрівальних і парових казанів, хлібопекарських печей, зерносушарок і таке інше.

Найширше в харчовій промисловості застосовують показуючі, сигналізуючі і безшкальні прилади тиску.

Прилади тиску, що показують, мають шкалу й стрілку, зв’язану зі штоком чутливого елемента. ЗВТ тиску, що показують і сигналізують, при цьому додатково оснащені одним з розглянутих раніше вбудованих релейних перетворювачів переміщення стрілки.

Безшкальні бувають з дискретним (реле тиску й різниці тисків) і аналоговим вихідним сигналом. Вони містять чутливий елемент,