Первичные преобразователи

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая  емкость определяется выражением:

С = e0eS/h

где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная  диэлектрическая проницаемость  среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между  обкладками конденсатора.

Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение  емкости.

Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы  с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты  колебаний генератора от емкости  резонансного контура, т.е. датчик имеет  частотный выход.

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая  чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических  полей, относительная сложность  измерительных устройств.

Емкостные датчики применяют для измерения  угловых перемещений, очень малых  линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для  воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных  и т. п.).

Емкостные преобразователи, диэлектрическая  проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или  изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и  порошкообразных материалов, толщины  слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и  состава вещества.

Генераторные  датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие  датчики преобразуют энергию  источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).

Дополнительные  источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться  для усиления выходного сигнала  датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными  являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Индукционные  датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС  индукции. Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся  тахогенераторы постоянного и переменного  тока, представляющие собой небольшие  электромашинные генераторы, у которых  выходное напряжение пропорционально  угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики  угловой скорости.

Тахогенератор представляет собой электрическую  машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС  пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме  того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются  как датчики скорости (частоты  вращения).

Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными  являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое  измерение, а на крупном предприятии  химической промышленности подобных точек  присутствует свыше 20 тыс.). Широкий  диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств  измерений и требований к ним  определяют многообразие применяемых  средств измерения температуры.

Если  рассматривать датчики температуры  для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические  датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Кремниевые  датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0C. Применяются в  основном для измерения температуры  внутри электронных приборов.

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных  металлических пластин, скрепленных  между собой. Разные металлы имеют  различный температурный коэффициент  расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет  (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым  и необратимым. Производятся в виде пленок.

Термопреобразователи  сопротивления.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении  электрического сопротивления проводников  и полупроводников в зависимости  от температуры (рассмотрен ранее).

Платиновые  терморезисторы предназначены для  измерения температур в пределах от –260 до 1100 0С. Широкое распространение  на практике получили более дешевые  медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего  конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0C. По стабильности и  воспроизводимости характеристик  медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих  датчиках для измерения в диапазоне  комнатных температур.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют  отрицательный или положительный  температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 0C  составляет (2…8)*10–2 (0C)–1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые  терморезисторы при весьма малых  размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются  оксиды металлов: полупроводниковые  терморезисторы типов КМТ - смесь  окислов кобальта и марганца и  ММТ - меди и марганца.

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой  стабильностью характеристик во времени и применяются для  изменения температур в диапазоне  от –100 до 200 0С.

Термоэлектрические  преобразователи (термопары) - принцип  действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных  металлов или полупроводников в  контуре возникает электродвижущая  сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна  разности температур ΔT = Т1 – Т0 между  спаем и концами термопары.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура  которой измеряется, называют рабочим  концом термопары. Концы, которые находятся  в окружающей среде, и которые  обычно присоединяют проводами к  измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Ет будет зависеть только от температуры T1 рабочего конца.

                                   Uвых = Eт = С(Т1 – Т0),         

где С  – коэффициент, зависящий от материала  проводников термопары.

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0С  и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют  измерять температуру в диапазоне  от –200 до 2200 0С.

Наибольшее  распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания  и возможность измерений в  большом диапазоне температур.

Наряду  с этим термопарам свойственны и  некоторые недостатки - меньшая, чем  у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и  необходимость в применении специальных  соединительных проводов.

Инфрокрасные  датчики (пирометры) - используют энергию  излучения нагретых тел, что позволяет  измерять температуру поверхности  на расстоянии. Пирометры делятся  на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные  пирометры используются для измерения  температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность  излучения реального объекта.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении  в узком участке спектра яркости  исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической  лампы).

Цветовые  пирометры основаны на измерении  отношения интенсивностей излучения  на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части  спектра; они используются для измерения  температуры в диапазоне от 800 0С.

Пирометры позволяют измерять температуру  в труднодоступных местах и температуру  движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Кварцевые термопреобразователи

Для измерения  температур от – 80 до 250 0С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной  частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя  от температуры и линейность функции  преобразования изменяются в зависимости  от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики  широко используются в цифровых термометрах.

Пьезоэлектрические  датчики

Действие  пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического  эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей  силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое  напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического  образца - сжатие или растяжение его  соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

Используются  для измерения сил, давления, вибрации и т.д.

Оптические (фотоэлектрические) датчики

Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально  внешней освещенности. Основная область  применения – автоматизированные системы  управления освещением.

Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при  достижении заданного значения освещенности.

Фотоэлектрические датчики могут быть применены  практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные  выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач  на любой технологической линии.

Оптический  бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового потока в  контролируемой области, связанное  с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия  объектов. Благодаря большим расстояниям  срабатывания оптические бесконтактные  датчики нашли широкое применение в промышленности и не только.

Оптический  бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника  и излучателя. Данные узлы могут  быть выполнены как в одном  корпусе, так и в различных  корпусах.

По методу обнаружения объекта фотоэлектрические  датчики подразделяются на 4 группы:

1) пересечение  луча - в этом методе передатчик  и приемник разделены по разным  корпусам, что позволяет устанавливать  их напротив друг друга на  рабочем расстоянии. Принцип работы  основан на том, что передатчик  постоянно посылает световой  луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика  прекращается, в следствии перекрытия  сторонним объектом, приемник немедленно  реагирует меняя состояние выхода.