загрузка...
загрузка...
На головну

ЧУТЛИВІ ЕЛЕМЕНТИ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ

  1. III. Артилерійський ПОСТРІЛ І ЙОГО ЕЛЕМЕНТИ
  2. III.4.3) Види і елементи провини.
  3. VII. Порядок обліку комунальних послуг з використанням приладів обліку, підстави і порядок проведення перевірок стану приладів обліку і правильності зняття їх показань
  4. VII. Порядок обліку комунальних послуг з використанням приладів обліку, підстави і порядок проведення перевірок стану приладів обліку і правильності зняття їх показань
  5. XI. Пристосування ТА ІНШІ ЕЛЕМЕНТИ, властивості. Здібностей та обдарувань АРТИСТА
  6. Автоматизоване проектування технологічних процесів складання вузлів РЕА та приладів
  7. Акредитація органів з сертифікації та випробувальних (вимірювальних) лабораторій

6.1. Призначення і класифікація чутливих елементів

При експлуатації вимірювальних приладів, контролюючих різні параметри водних середовищ, доводиться вимірювати різні вхідні величини, що відрізняються як за своєю природою (механічні, електричні, оптичні, теплові, магнітні, фізико-хімічні, біологічні), так і за характером їх виміру (безперервні, дискретні ). Тому датчики вимірювальних приладів обладнуються чутливими елементами різного призначення. [19]

Всі чутливі елементи (ЧЕ) можна умовно розділити на п'ять основних видів:

а) механічні (пружні);

б) електричні параметричні;

в) електричні генераторні;

г) магнітні;

д) магнітоелектричні.

Основними характеристиками чутливих елементів є: надійність, микроминиатюризация, уніфікація і стандартизація.

Надійними є елементи, що працюють без відмови в заданих режимах і умовах протягом необхідного часу при збереженні заданих характеристик.

Микроминиатюризация полягає в зменшенні маси і габаритних розмірів елементів за умови збереження точності.

Стандартизація чутливих елементів переслідує такі цілі:

а) поліпшення якості;

б) встановлення раціональної номенклатури;

в) економія матеріальних ресурсів;

г) забезпечення необхідних вимог.

Уніфікація дозволяє розширити можливості використання одних і тих же чутливих елементів в приладах різного призначення.

6.2. Пружні чутливі елементи

До пружних чутливим елементів відносяться пружини, мембрани, сильфони, манометричні трубки, термобиметаллический елементи, крильчатки і інші. Ці елементи в основному використовуються для перетворення тисків, розрідження, зусиль, деформацій і моментів в механічне, лінійне іліугловое переміщення.

Мембрана являє собою круглу пружну пластину, жорстко закріплену по зовнішньому контуру. Для підвищення жорсткості мембрану можуть піддавати додатковому натягу. Найбільшого поширення набули металеві мембрани. Крім того, застосовують мембрани з кварцу, гуми, пластмас. За формою розрізняють мембрани плоскі, гофровані, опуклі. Для підвищення чутливості застосовують мембранні коробки, що представляють собою зварені або спаяні по контуру мембрани. Якщо внутрішню порожнину мембранної коробки з'єднати з вимірюваним середовищем, то по прогину її жорсткого центру 1 (рис.1) можна судити про величину надлишкового тиску Р. В деяких мембранних коробках порожнини заповнюють газом або рідиною. Їх називають наповненими і використовують в якості чутливих елементів деяких термометрів і терморегуляторів.

Сильфон є тонкостінну циліндричну оболонку з поперечної гофруванням (рис.2). Якщо подати тиск Р в порожнину сильфона з боку жорстко закріпленого кінця В, то це викличе відповідне переміщення W вільного кінця А.

Рис 1. Наповнена мембранна коробка

Для збільшення міцності і чутливості застосовують багатошарові сильфони. Їх виготовляють з кількох тонких трубок, щільно вставлених одна в іншу.

Рис.2. схема сильфона

Манометричні трубчасті пластини використовують для вимірювання надлишкових тисків. Вони являють собою тонкостінні трубки витягнутого поперечного перерізу (рис. 3). Трубку розташовують таким чином, щоб мала вісь 2В перетину лежала в площині вигину трубки. При заповненні порожнини трубки рідиною під тиском відбувається деформація перетину в напрямку наближення його до круглій формі, а сама трубка розгинається.

Рис.3. Манометрична трубчаста пластина

Термобіметалів застосовують в якості чутливих елементів температури в термометрах, теплових реле, амперметра, ватметра та інших. Термобіметалів складається з двох металів або сплавів, що мають різні коефіцієнти лінійного розширення, що володіють хорошими пружними властивостями, спаяніем або зварених по всій поверхні зіткнення. При нагріванні або охолодженні компоненти биметалла деформуються в рівній мірі, що викликає відповідний вигин. Вигин буде тим більше, чим більше різниця коефіцієнтів лінійного розширення. Зазвичай пасивний елемент виконують з инвара, а активний - з хромонікелевої сталі. На рис. 4 показаний чутливий біметалічний елемент термометра. На рис.5 наведена схема біметалічного контакту.


Рис.4. Біметалічний елемент термометра

Рис.5. біметалічний контакт

Крильчатки застосовують для вимірювання швидкостей течії газів і рідин (рис.6). Під впливом швидкісного потоку повітря крильчатка або вертушка здійснює обертальний рух, кутова швидкість якого пропорційна швидкості потоку.

Рис.6. крильчатка

6.3. Електричні чутливі елементи.

Електричні чутливі елементи поділяють на дві групи: параметричні та генераторні. Параметричні - перетворять вхідні фізичну величину в зміна одного з параметрів електричного кола: опору, ємності, індуктивності, взаімоіндуктівності.

Для забезпечення роботи параметричних елементів потрібно джерело живлення.

Генератор чутливий елемент перетворює вхідну фізичну величину в ЕРС. Для генераторних елементів в більшості випадків не потрібно джерела живлення.

Параметричні чутливі елементи діляться на три основні групи: омические, ємнісні і електромагнітні.

До омічним чутливим елементів відносяться: реостатні, тензометричні, терморезисторні, електрохімічні, електронні, іонні, іонізаційні і інші.

Реостатні елементи добре відомі з курсу загальної фізики. Їх застосовують в основному для вимірювання переміщень і сил, під дією яких змінюється опір елемента.

тензометричні елементи(Тензорезистори) представляють собою провідники або напівпровідники у вигляді смужок фольги або дротів, які при деформації змінюють свій опір. Їх зазвичай наклеюють на пружні елементи (наприклад, мембрани), що піддаються механічних деформацій. При цьому тензорезистор, наклеєний на пружний елемент, отримує однакову з ним деформацію. Величина деформації зазвичай пропорційна величині опору тензорезистора.

На рис. 7 наведена схема тензорезистора, наклеєного на мембрану. Така конструкція дозволяє вимірювати силу або тиск, отримуючи на виході електричний сигнал.

Мал. 7. Мембрано-тензорезисторний датчик сили або тиску

Опір тензорезистора в значній мірі залежить від температури. Тому в більшості випадків для вимірювання застосовують не менше двох тензорезисторов, один з яких є компенсаційним (який не сприймає деформацію, а фіксує лише температурні зміни).

Терморезисторявляють собою металеві дроти з окремих видів металів у вигляді обмоток на каркасах з ізоляційних матеріалів (фарфору, слюди, пластмаси). Принцип дії терморезисторов заснований на тому, що опір провідника або напівпровідника, по якому протікає електричний струм залежить від різних характеристик навколишнього середовища: температури, швидкості руху, щільності, складу і інших. У більшості випадків терморезистори виготовляють з різних комбінацій сплавів і оксидів телуру, срібла, нікелю, марганцю.

Електрохімічний чутливий елементявляє собою осередок, заповнену електролітом з двома або декількома електродами. При додатку напруги до електродів виникає електричний струм, величина якого залежить від параметрів електрохімічної комірки. Якщо зв'язати вимірювану величину, з яким небудь з цих параметрів і нейтралізувати вплив інших факторів, то електрохімічні елементи можна використовувати для вимірювання складу і концентрацій рідких середовищ, тисків, швидкостей, деформацій та інших величин. На рис. 8. приведена схема електрохімічного елемента для вимірювання концентрації розчинів. У скляний корпус вплавлени пластинчасті платинові електроди 1. Змінні вимірювальні судини 2, які надягають на підставу 3, можуть забезпечити виконання вимірювань в різних обсягах, в тому числі і в проточній рідини.

Рис.8. Електрохімічний елемент для вимірювання концентрацій

розчинів

Принцип дії електронних електромагнітних і іонних чутливих елементів заснований на тому, що електронний або іонний струм залежить не тільки від напруги, але і від відстані між електродами, щільності, складу і швидкості руху середовища в міжелектродному просторі, а також від параметрів джерел світлового випромінювання.

Особливий інтерес з точки зору конструювання сучасних приладів, контролюючих якісні параметри природних і стічних вод, набуває різновид електронних і іонних елементів:

- Оптико-електричні (фотоелектричні) чутливі елементи

- Оптрони.

Принцип дії оптронов заснований на електрооптичних
 ефекти. Залежно від виду ефекту бувають прямі і зворотні
 оптрони.

Прямий параметричний оптрон перетворює вимірювану величину в опір. Зворотний параметричний оптрон перетворює електричну енергію в електромагнітні випромінювання. Прямі та зворотні оптрони використовуються як окремо, так і спільно. Все параметричні оптрони поділяють на фотоелементи і фоторезистори.

фотоелемент являє собою вакуумний балон з двома електродами. Анодом є металевий стрижень, а катодом - світлочутливий шар на внутрішній поверхні балона. До електродів підводиться напруга постійного струму. Під впливом потоку світла з катода вибиваються електрони, внаслідок чого різко зменшується внутрішній опір ланцюга анод-катод і з'являється струм. Таким чином існує залежність сили струму I від світлового потоку Ф: I = f (Ф), яка називається світловий характеристикою фотоелемента.

Принцип дії фоторезисторов заснований на використанні явища внутрішнього фотоефекту. Це явище полягає в наступному. При висвітленні напівпровідника (селен, сірчистий вісмут, сірчистий кремній і ін.) В ньому збільшується кількість електронів провідності.

Рис.9. Конструктивна схема фоторезистора

Електрони, зіштовхуючись з атомами кристалічної решітки, викликають вторинний потік електронів, що призводить до зменшення опору фоторезистора в сотні разів. Це дозволяє отримати на виході електричний струм до декількох міліампер. Конструктивна схема фоторезистора показана на рис.9. На скляній пластинці 1 нанесені дві групи штрихів, пов'язаних з електродами 2. Ці електроди приєднуються до джерела постійного струму U.

Пластина покривається світлочутливим шаром 3 з напівпровідника. Залежно від освітлення світлочутливого шару змінюється опір фоторезистора.

Принцип діїіонізаційних чутливих елементів заснований на тому, що іонізаційний струм, що виникає під дією радіоактивного або рентгенівського випромінювання, залежить не тільки від сталості напружень на електродах, а й від щільності, швидкості і неоднорідності середовища в междуелектродного просторі. Тому іонізаційні елементи застосовують для вимірювання розрідження, рівнів, переміщень і т.д.

Ємнісні чутливі елементи застосовують для вимірювання переміщень, зусиль, тисків, рівнів, витрат, температури, концентрацій розчинів і інших фізичних величин. Принцип дії ємнісного елемента полягає в тому, що вимірювана величина пов'язана з одним з параметрів, що визначають ємність конденсатора (діелектрична стала середовища, площа електродів, відстань між електродами і ін.). У більшості випадків один з електродів є рухомим, а в просторі між електродами знаходиться діелектрик (наприклад, рідина). Основним недоліком ємнісних елементів є їх мала потужність, що викликає необхідність застосування підсилювачів.

Електромагнітні чутливі елементи застосовують для вимірювання тиску, зусиль, переміщень, швидкостей і т.д. Їх принцип дії заснований на тому, що індуктивність і опір обмотки залежать від параметрів магнітного кола. Тому що вимірюється величину пов'язують зазвичай з одним з параметрів цього ланцюга.

До генераторним чутливим елементів відносяться: індукційні, термоелектричні п'єзоелектричні, вентильні фотоелектричні і електрокінетіческіе.

індукційні елементи в основному використовуються для вимірювання частоти обертання валів, параметрів вібрації, витрати рідини і т.д. У цих елементах вимірювана величина перетворюється в индуктироваться ЕРС.

термоелектричні елементи (Термопари) представляють собою спаи двох різних металевих або напівпровідникових електродів.

Принцип дії термопари заснований на тому, що енергія вільних електронів в різних провідниках однакова і по - різному зростає з підвищенням температури. Термопари застосовують для вимірювання температур і інших величин, пов'язаних з температурою (швидкість, витрата і інші).

П'єзоелектричні чутливі елементи застосовують для вимірювання швидкозмінних зусиль, тисків, швидкостей і інших фізичних величин. Принцип дії таких елементів заснований на використанні п'єзоефектів, які проявляються в деяких діелектриках (наприклад, в природному кварці) і виражаються в розташуванні електричних зарядів на їх поверхні. В результаті одна частина поверхні заряджається позитивно, а інша - негативно. При знятті механічної напруги заряд зникає.

К вентильним фотоелектричним елементамвідносяться переважно фотодіоди і фототранзистори. Їх принцип дії полягає в наступному. Якщо на залізну або алюмінієву пластину нанести шар напівпровідника, а потім тонкий напівпрозорий шар золота, то на кордоні між напівпровідником і золотом утворюється "замикаючий шар". При висвітленні кванти віддають свою енергію електронів. Вивільнені електрони переходять в провідник, заряджаючи його негативно. Якщо замкнути вивідні кінці залізної пластинки і золотого покриття, то в ланцюзі з'явиться струм. Такі елементи широко застосовуються для вимірювання різних фізичних величин.

Електрокінетичні елементи знаходять широке застосування при контролі процесів очищення вод і параметрів, що характеризують їх стан в водних джерелах. Принцип дії електрокінетичних елементів заснований на використанні ЕРС, що виникає на кордонах розчинів, розділених пористими перегородками. На рис. 10 приведена схема електрокінетичного чутливого елемента тиску.

Рис.10. Схема електрокінетичного чутливого елемента

У корпусі 1, заповненому рідиною, розташовується перегородка 2із

дрібнопористою матеріалу, наприклад, порцеляни. Електроди 3 у вигляді металевих сіток розташовують по обидва боки вздовж поверхні перегородки. Тиск Р подається з одного боку перегородок. На межі рідина-перегородка виникає різниця потенціалів, спрямована вздовж течії рідини. Залежність цієї різниці потенціалів від тиску є статичною характеристикою електрокінетичного елемента. На цьому ефекті, званому електроосмос, засновані чутливі елементи, що дозволяють крім тиску вимірювати швидкість і витрата рідини.

6.4. Магнітні і магнітоелектричні чутливі елементи

Магнітні чутливі елементи (постійні магніти) широко застосовують в навігаційних приладах (магнітні компаси, тахометри., Моментні датчики та ін.), А також в приладах і реле. Постійний магніт являє собою попередньо намагнічене тіло з магнітотверді матеріалу. У ньому створюється стабільний магнітний потік, величина якого практично не залежить від часу, коливань температури, вібрацій, зовнішніх магнітних полів. Для використання магнітної енергії постійних магнітів створюють з повітряним зазором (рис.11).

Мал. 11. Схема кільцевого постійного магніту з повітряним зазором

Позначення: Вd - Індукція; Нd - Напруженість магнітного поля; 1м - довжина (по осі) магніту; S м - площа поперечного перерізу; ? -повітряний зазор; Фу - Магнітний потік витоку; Фк - магнітний потік розсіювання; Фр - Магнітний потік зазору.

При підборі параметрів постійного магніту необхідно враховувати вплив побічних магнітних потоків Фк і Фр. Це вплив враховується коефіцієнтом розсіювання ?:

? = ,

Величину ? звичайно приймають рівною від 2 до 5.

Магнітоелектричні чутливі елементи широко застосовують для перетворення струму I або напруги U в зусилля Q або момент М. Найбільш поширені в номенклатурі приладів магнітоелектричні гальванометри і логометри. Гальванометр (рис.12.) Складається з нерухомого магніту NS і рухомий рамки, що має ширину b.

Мал. 12. Магнітоелектричний гальванометр

Ця рамка укріплена на спіральних пружинах, через які пропускається електричний струм I. Момент, що обертає рамки визначається за формулою:

М = ,

де В - магнітна індукція;

I - струм;

S = в  1 - активна площа рамки; в - ширина;

1 - довжина

W - число витків рамки.

Перевагами чутливих магнітоелектричних елементів в порівнянні з постійними магнітами є: висока чутливість, точність вимірювань, лінійність характеристик. Недоліки - складність конструкції і непридатність для безпосереднього вимірювання змінного струму.

 



Попередня   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   Наступна

СЕРТИФІКАЦІЯ ВОДИ. | ОРГАНІЗАЦІЯ КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ ВОДИ | Методи та засоби вимірювань | ПРИЛАДНИЙ КОНТРОЛЬ ЯКОСТІ ПРИРОДНИХ І СТІЧНИХ ВОД ПО ПРЯМИМ ПОКАЗНИКАМИ | ВИЗНАЧЕННЯ непрямих показників якості ПРИРОДНИХ І СТІЧНИХ ВОД | АНАЛІЗ ТВЕРДОЇ ФАЗИ В ВОДІ | АНАЛІЗ Електрокінетичні ПОКАЗНИКІВ | Прилади для КОМПЛЕКСНИХ АНАЛІЗІВ ВОДИ | Експлуатація КОНТРОЛЬНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати