Термопары

Термопары представляют собой чувствительные элементы датчиков, пригодные для измерения температуры в диапазоне 0-2300°С, и имеют высокую разрешительную способность и точность измерения.

Термопары изготавливают путем соединения двух разнородных металлических проводов, например меди и медно-никелевого сплава, или платины и платинородиевого сплава.При вводе спая в измерительную среду возникает поддающееся измерению термо ЭДС.

Кремниевые датчики температур.

Измерение температур с помощью кремниевых датчиков представляет собой интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других датчиков и имеют большой температурный коэффициент. Недостатками кремниевых датчиков являются меньший диапазон измеряемых температур и большая нелинейность. Работают датчики по принципу измерения электрического сопротивления в зависимости от температуры.

Интегральные датчики температуры.

Представителем интегральных датчиков являются предварительно калиброванные кремнистые датчики.

Рисунок 6-Растровые электронные микрофотографии тонкопленочных платиновых сопротивлений фирмы Degussa-Hanau

1.2.3. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Кремниевые датчики.

Обычно такие датчики изготавливают из кремниевой пластины, часть которой вытравляют до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с между соединениями. При изменении давления мембрана прогибается и под действием пьезоэлектрического эффекта происходит изменение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых значений. Преимуществами широкого распространения датчиков данного типа являются:

- высокая чувствительность;

- хорошая линейность;

- незначительные гистерезисные явления;

- малое время срабатывания;

- компактная конструкция.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

Область применения датчиков:

- измерение уровня жидкости в емкостях;

- контроль работы фильтров путем определения снижения давления фильтрующей среды после фильтра;

- регулировка зажигания и вспышки топлива в двигателях внутреннего сгорания;

- измерение давления масла и сжатого воздуха в тормозных системах автомобиля, холодильника и т.д.;

- пневматические системы;

- гидравлические системы. и т.д..

Рисунок 7- Датчик давления типа КРY (фирмы Siemens AG):

а- типичная зависимость выходного напряжения U_рот абсолютного давления Р_abs при рабочей температуре Т_А=25⁰С, рабочем напряжении =const и напряжении в нулевой точке U₀=0; б-механическое устройство; в- электронная схема.

Технические характеристики датчиков данной серии представлены в табл. 2.

Таблица 2-Некоторые характеристики датчиков давления типа КРY

Тип датчика	Максим.давление Р_max,бар	Рабочий диапазон давлений Р,бар	Сопротивление моста R_B,кОм	Максим.входное напряжение U_in,В	Температурный диапазон применения,⁰С
КРY 10^* КРY 14^* КРY 12^ КРY 16^		0…2 0…10 0…2 0…10			-40…+125 -40…+125 -40…+125 -40…+125

^*Абсолютные измерения.^**Относительные измерения

Датчик давления КР 100А (фирма Volvo) имеет внутреннюю температурную компенсацию, которая уменьшает температурную погрешность чувствительности в 10 раз. Малые габариты (Рис. 8) позволяют встраивать датчик в приборы и аппараты в труднодоступные и малогабаритные места.

Рисунок 8- Механическое устройство (а) и электронная схема (б) датчика давления КР 100А (фирма Volvo) с внутренней компенсацией температуры. Цоко-левка выво-дов: 1-входное напряжение моста,+U_B; 2-выходное напряжение моста,+U_Р; 3-выхо-дное напряжение моста,-U_Р;4-температурная компенсация,+U_ВК;5-внутреннее соединение; -входное напряжение моста,-U_В;

Рисунок 9- Мембрана датчика давления с тонкопленочными резисорами

Параметры датчиков данного типа частично представлены в табл.3

Таблица 3-Характеристики датчика КР 100 А фирма Volvo

1.2.4. Датчики расхода и скорости

В промышленной измерительной техники требуются очень точные методы определения расхода и скорости движения потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать 1%. Довольно точные измерения расхода требуются иногда и в быту (например газовый счетчик). При таких требованиях к точности применяют чаще всего механические измерительные приборы. Лишь в последнее время появились оптикоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие на оптическом эффекте Допплера. Эти лазерные доплеровские анемометры (рис.10) используют особый вид рассеивания света (эффект Допплера).

Рисунок 10-Устройство лазерного доплеровского анемометра измерения скоростей потоков в трубопроводе.

В данном случае луч лазера разделяется светоделительной пластиной на два отдельных световых пучка, которые затем фокусируются 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 электрическое напряжение.

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 точки фокуса.

Измерения расхода можно осуществлять чисто электронным путом, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется в следствии охлаждения потока, в результате чего резистор действует как датчик расхода. На рис.11 показано омическое сопротивление (элемент датчика) в канале потока. Ток I нагревает этот элемент до температуры Т₁ > Т_.

Рисунок 11- Схематическое изображение процессов теплопередачи от самонагревающегося резистора в канале потока.

Терморезисторный анемометр.

Анемометром называют прибор для измерения потока, основанный как на электрическом (терморезисторный анемометр или анемометр с нагревательной нитью), так и на механическом (анемометр с крыльчаткой) принципе действия.

Механическое устройство датчика такого анемометра показана на рис.12. Чувствительный к потоку терморезистор М85 находится в канале длиной более 3 см и внутренним диаметром около 2 см. Терморезистор с помощью клея крепится на подставке в измерительной трубе, которая в свою очерндь приклеивается ко второй трубе, используемой одновременно как рукоятка и как канал для электропроводов.

Рисунок 12-Механическое устройство терморезисторного анемометра.

Датчики расхода.

Измерение расхода жидкостей или газов чрезвычайно важно во многих областях техники, оно позволяет судить об эффективности процессов по расходу материалов. На рис. 13 показана измерительная установка на основе автомобильного двигателя внутреннего сгорания. В карбюраторный двигатель внутреннего сгорания непрерывно подаются кислород воздуха и топливо (бензин). Для достижения оптимального, прежде всего по количеству выхлопных газов, режима работы необходимо определенное соотношение подаваемого количества воздуха и бензина. Это соотношение можно определить, например путем измерения содержания СО датчиком 3 при одновременном регулировании карбюратора. При различных режимах движения (езда по городу и по трассе) это соотношение, разумеется изменяется, поэтому желательно такой контроль с помощью датчиков 1 и 2 производить в процессе движения. Датчиком 2 можно измерять расход бензина (в литрах на 100 км пути) в данный момент и обеспечивать таким образом наиболее экономичный режим движения.

Для измерения расхода по электротермическому принципу особенно подходят терморезисторные датчики с положительным ТКС на основе титаната бария.

При применении самонагревающихся терморезисторов с положительным ТКС устанавливается постоянная температура, зависящая от материала терморезисторов с положительным ТКС, из которых только один подвергается действию потока. Как показано на рис. 12,, измерение можно выполнять в значительной мере не зависимо от температуры окружающей среды. При этом расход Q можно вычислить по формуле:

Q =[ 1/К₂(U I | Т_N-Т_u – К₁)]^п;

Где: К₁ и К₂ – приборные константы; U – напряжение; I – ток; T_N – температура чувствительного элемента; T_U – температура окружающей среды; n – примерно равно 0,5.

Электрическая схема приведена на рис.1.14.

Рисунок 13-Устройство для измерения расхода газа с помощью самонагревающегося терморезистора с положительным ТКС.

Рисунок 14- Измерительная схема датчика расхода с блоком формирования отношения U₁₂/U₂₃ блоком линеаризации.

Она состоит из измерительного моста, включающего в себя оба терморезистора 1 и 2, а также добавочные сопротивления R_Q R_0,Путем деления напряжений U₁₂ и U₂₃ получают значение Q^п. В следующем линеаризующем каскаде эта величина преобразуется в фактический поток Q.

На рис.15 реальное устройство такого датчика расхода, который действует по электротермическому принципу и включает в себя два терморезистора с положительным ТКС типа Р310-А11 (Сименс). Терморезисторы размещены каждый в отдельной трубе диаметром 6мм. Опорная ветвь замкнута с обеих сторон и пропускает лишь слабый свободный поток, тогда как в измерительной ветви поток проходит без препятственно. Общая длина датчика составляет примерно 12см.

Рисунок 15- Практическое устройство датчика расхода

При напряжении питания равном 12 В и температуре среды 20°С для такой конструкции, в случае пропускания бензина, получаются следующие константы: К₁=13,2 мВт/К; К₂=4,5 мВт / [К (л/ч)^п], п=0,48.

Для вычислительной электроники пригодны общеупотребительные аналоговые компоненты. Например, в частном случае может быть использована интегральная схема ICI,8013 (фирмы Intersil), а для линеаризации - 4302 (фирма Burr Brown).

На рис.15 показан более сложный, действующий по аналогичному принципу. Из двух чувствительных элементов (резисторы P_t 100) лишь один обмывается потоком (1), тогда как опорный элемент (2) находится в глухом отверстии и не подвержен действию потока. Вся головка датчика помещена в массивный металлический блок (3). Схема обработки cигнала этого прибора (рис. 16) состоит из измерительного моста с резистором P_t 100 и усилителя, повышающего выходное напряжение до 9-10 В.

Рисунок 16- Обработка сигнала датчика расхода.

Измерительный мост питается постоянным током порядка 100 мА. Характеристика этого датчика (Рис.17) криволинейна и при различных температурах соответствует различной чувствительности. Благодаря прямому воздействию потока на чувствительный элемент датчик имеет очень малое время срабатывания, что видно на рис.18.

При резном изменении скорости потока воздуха, например от О до 1 л/мин, происходит всего около 3с до достижения 90 % окончательного показания. Такого рода датчики применяются в различных технологических устройствах для измерения или контроля газа.