Автоматизация технологических процессов в производстве (стр. 5 из 32)
Рис. 2-23
Емкостной датчик с диэлектрической проницаемостью представляет собой изолированную трубу, в которой помещается изолированный стержень. Стержень и труба
представляют электроды конденсатора, который заполняется жидкостью, чем больше жидкости в конденсаторе, тем больше ёмкость. Применяются для измерения горючего в самолетах.
К преимуществу датчиков относятся: большая чувствительность и малый момент вращения.
Недостатки: непригодны для работы на низких частотах и требуют специального высокочастотного генератора, имеют паразитные ёмкости.
Термоэлектрические датчики
Датчики, у которых изменение температуры преобразуется в термо э.д.с. Работа этих датчиков основана на явлении термоэлектрического эффекта: если соединить концы двух проводников из разных материалов и поместить концы термопары в разные среды с разными температурами, то разница температур способствует возникновению термо э.д.с. Чем больше ∆t0, тем больше термо э.д.с. Проводники называются термоэлектродами. Материалы, из которых изготавливаются проводники:
- металлы: железо, золото, никель, медь, копель.
- сплавы: кон стан тан, нихром, чугун.
- Полупроводники: уголь, карборунд.
Термоэлектрические датчики состоят из двух электродов, одни концы которых
спаиваются, а другие служат выводами термопары, с которой снимается напряжение.
Еt = с (t2-t1) (1)с - коэффициент пропорциональности, зависящий от материалов термопары;
t2 - температура горячего спая; t 1 - температура холодных концов.
Рис. 2-24 – термоэлектрический датчик
Горячий спай помещается в контролируемую среду, а с холодных концов снимается значение термо э.д.с., которая определяется по формуле 1.
Статические характеристики большинства термопар нелинейные. В зависимости от материалов термопары можно снимать положительный или отрицательный потенциал.
Недостатки, обладают инерционностью, которая измеряется постоянной времени, которая
изменяется от десятых долей секунды до нескольких минут.
Термисторы
Термисторы преобразуют изменение температуры в изменение сопротивления. Бывают двух типов:
- металлические;
- полупроводниковые.
Конструкция датчиков: трубка, диск, шар из полупроводникового материала с металлическими выводами.
Металлические термисторы изготавливаются из чистых металлов с большим температурным коэффициентом сопротивления (медь, платина). Диапазон измерительных температур термисторов из платины от -200 до +600°С, медных от -50 до +150°С. При более высоких температурах термисторы не применяются, т.к. они теряют точность преобразования, сильно окисляются, и нарушается линейность характеристики. В зависимости от назначения термисторы имеют разную конструкцию: в виде спирали, катушки, нити. Они могут иметь конструкцию как у тензодатчиков.
Недостатки: имеют большую инерционность, постоянная времени изменяется от единиц до десятков секунд, зависит от провода и конструкции.
Полупроводниковые термисторы изготавливаются из окислов различных металлов (медь, титан). Имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. с увеличением температуры сопротивление полупроводника уменьшается. У многих типов полупроводниковых термисторов коэффициент сопротивления в 6 - 10 раз больше, чем у металлических. Температурный диапазон от -100 до +120°С. В сравнении с металлическими эти тензометры обладают большей чувствительностью и меньшей инерционностью.
Недостатки: узкий температурный диапазон, сильная нелинейность статической характеристики, сильный разброс параметров между отдельными экземплярами.
Рис. 2-25 - Термистор
Тензометрические датчики
Тензометрические датчики - это датчики специальной конструкции, предназначенные для измерения статических и динамических деформаций в деталях, и преобразующие эти деформации в изменение сопротивления. В основу работы тензодатчиков положено явление - материалы меняют электрическое сопротивление под действием механической силы. По конструкции тензометрические датчики бывают;
- проволочные;
- фольговые;
- полупроводниковые.
Проволочные тензодатчики представляют собой отрезок тонкой проволоки диаметром от 0,02 до 0,05 мм, зигзагообразно наклеенной на тонкую бумажную или плёночную основу. Сверху проволока также закрыта тонкой бумагой или плёнкой. Для включения датчика в схему к концам проволоки припаиваются 2 медных провода.
rlR =
S
Dll %
Рис. 2-26 – Тензометрический датчик
Тензодатчики жёстко закрепляются к испытываемой детали с помощью токопроводящего клея. При сжатии или растяжении детали в направлении расположения проволоки вместе с деталью деформируется проволока - изменяется её длина, поперечное сечение проволоки и её удельное сопротивление. Все эти параметры соответственно изменяют сопротивление датчика, которое является выходной величиной датчика.
Для изготовления этих датчиков применяется константановая или нихромовая проволока,
т.к. они обладают большим удельным сопротивлением и небольшим температурным коэффициентом сопротивления. В промышленности эти датчики изготавливаются с R = 50 - 2000 Ом, с базовой длиной от 5 до 30 мм и 1раб ном равным до 30 мА при наклейке на детали.
Достоинства: простота конструкции, малая температурная зависимость, практическая безинерционность.
Недостатки: малая чувствительность.
Фольговые датчики - это датчики, у которых токопроводящим элементом является фольга толщиной 4 - 12мкм. По сравнению с проволочными у этих датчиков рабочий ток увеличен до 200мА, т.е. имеют повышенную чувствительность - достоинство.
Недостатки: малая механическая прочность, большой ТК, влияние освещённости.
Полупроводниковые датчики. Конструктивно представляют собой пластину из германия или кремния, наклеенную на бумагу. Пластина снабжена металлическими выводами, с помощью которых датчик включается в схему. Номинальное сопротивление датчика обычно от 40 до 1000 Ом. Температурный диапазон работоспособности заключается от-160° до+300°С. Основное отличие полупроводникового датчика - большое изменение сопротивления (до 50% от базового значения) при деформации. Для этих датчиков также характерна высокая чувствительность к температуре в 10 - 20 раз больше, чем у проволочных.
Достоинства: большое значение выходной величины, малые размеры (длина решётки от 3 до 10 мм), значения коэффициента тензочувствительности в 60 раз выше, чем у проволочных и фольговых.
Недостатки: малая гибкость, небольшая механическая прочность, нестабильность параметров, нелинейность характеристики, большой разброс параметров однотипных датчиков.
Пьезоэлектрические датчики
Такие датчики работают на явлении пьезоэлектрического эффекта, который бывает прямой и обратный.
Пьезоэффект – способность некоторых материалов на поверхностях своих граней под действием механической силы образовывать электрические заряды.
Обратный пьезоэффект – способность механизмов под действием электрического поля механически деформироваться. Количественно пьезоэффект измеряется и оценивается пьезомодулем, который определяет пропорциональность между приложенной силой и электрическим зарядом.
Пьезоэлектрические датчики для измерений усилий представляет собой кварцевую пластину, с двух сторон которой напыляется или приклеивается токопроводящим клеем 2 электрода, с которых снимается напряжение. 2 электрода и кварцевая пластина представляют собой конденсатор, на электродах которого образуются электрические заряды под действием прямого пьезоэлектрического эффекта при сжатии пластины силой Р
Р Q = aР
a- пьезоэлектрический модуль
+ + + + Q –+ электрический заряд
Q a
- - - - U- вых. Uвых. = 
C +См = Сд +См Рд
Cд – ёмкость датчика
См – ёмкость монтана
Рис. 2-27
Uвых изменяется от единиц до десятков вольт. Применяемые материалы: кварц и турмалин.
Достоинства: безинерционность.
Применяется для измерения давления, силы, вибрации. На практике составляются из нескольких пластин, QS = nQ, где n – количество пластин.
Другие виды датчиков
На практике часто необходимо измеряемую величину преобразовать в электрическую как давление газа и жидкости, но эти параметры нельзя преобразовать в один этап, поэтому применяются датчики состоящие из двух элементов:
1) чувствительный элемент преобразует измеряемую величину в другую физическую величину;
2)один из типов вышерассмотренных датчиков, он преобразует промежуточную физическую величину в электрическую.
Датчики давления
Преобразуют давление жидкости или газа в электрическую величину. Чувствительный элемент этих датчиков преобразует давление среды в перемещение, которое преобразуется соответствующим датчиком (реостатный и др.) в электрическую величину (сопротивление). В качестве чувствительных элементов у этих датчиков используется мембраны и сильфоны.