Сензори, тип диафрагма

Чувствителният елемент на тези сензори е тънка еластична пластина, наречена мембрана. В зависимост от това коя среда разделя мембраната, сензорите за налягане могат да бъдат диференциално налягане (измерват разликата в налягането), абсолютно налягане, свръхналягане/вакуум, хидростатично налягане. На фиг.1. показана е опростена диаграма за измерване на налягането с помощта на мембранен сензор.

Мембраната се деформира, ако P1 и P2 не са равни един на друг. В този случай деформацията на мембраната ще бъде пропорционална на разликата в налягането и сензорът измервадиференциалнотоналягане.

Ако P2=0, т.е. въздухът се евакуира от кухината, сензорът измерваабсолютнотоналягане. Ако P2 е равно на атмосферното налягане, т.е. кухината комуникира с атмосферата, сензорът измерваизлишнотоналягане.

Движението (деформацията) на мембраната може да се използва като изходен сигнал на сензора, например да действа върху контакта и да го превключи (например такива сензори се използват в автомобили за сигнализиране за наличие на налягане на маслото). За непрекъснато измерване на налягането на мембраната може да се постави тензодатчик (виж Р) или мембраната да се постави в измервателен кондензатор, чийто капацитет зависи от деформацията на мембраната. Като илюстрация, на фиг. 2 и фиг. 3 показва дизайна на сензорите Metran.

Фиг. 2. Сензор за диференциално налягане.

Сензорният сензорен модул се състои от корпус 1 и капацитивна измервателна клетка 2. Капацитивната клетка е изолирана механично, електрически и термично от технологичната среда и околната среда.

Измереното налягане се предава през разделителните диафрагми 3 и разделителната течност 4 към измервателната диафрагма 5, разположена в центъракапацитивна клетка.

Влиянието на налягането предизвиква промяна в позицията на измервателната диафрагма. Промяната на позицията на мембраната води до появата на разлика в капацитета между измервателната мембрана и плочите на кондензатора 6, разположени от двете страни на измервателната мембрана.

Разликата в капацитета се измерва от ADC и се преобразува от електронен преобразувател в изходен сигнал.

Фигура 3. Сензор за абсолютно налягане.

Този сензор използва пиезорезистивен тензометричен модул върху силиконова подложка. Чувствителният елемент на тензодатчика е силиконова плоча 1 с филмови тензодатчици (CNC структура).

Налягането през разделителната мембрана 2 и разделителната течност 3 се предава към чувствителния елемент на тензометричния модул. Въздействието на налягането се превръща в деформация на чувствителния елемент, което води до промяна в електрическото съпротивление на неговите тензодатчици и дисбаланс на мостовата верига. Електрическият сигнал, генериран от дисбаланса на мостовата верига, се измерва от ADC и се подава в електронния преобразувател.

Електронният преобразувател преобразува тази промяна в изходен сигнал. Кухината над чувствителния елемент се вакуумира и запечатва.

Освен капацитивни и тензометрични вторични преобразуватели, сензорите за налягане използват и други - индуктивни, резистивни, пиезоелектрични, резонансни, йонизационни и др.

Дизайнът на температурните сензори зависи от условията на работа и сензора, използван в сензора. Условията на работа включват:

Измерени параметри на средата – диапазон на измерените температури,

влажност, агресивност (наличие на корозивни компоненти в средата), възможност или невъзможност за потапяне на сензора в измерваната среда, отдалеченост на вторичнияустройства от мястото на инсталиране на сензора, тип вторични устройства.

Горните условия причиняват голямо разнообразие от температурни сензори. По-долу е дадена класификация на сензорите според принципа на работа на сензорите, като се посочва предпочитаната област на приложение.

Температурни сензори. В съвременното промишлено производство измерванията на температурата са най-разпространени (например в средно голяма атомна електроцентрала има около 1500 точки, където се извършват такива измервания, а в голяма химическа индустрия има повече от 20 хиляди такива точки). Широкият диапазон на измерваните температури, разнообразието от условия за използване на измервателните уреди и изискванията към тях определят разнообразието от използвани измервателни уреди.

Ако разглеждаме температурни сензори за индустриални приложения, можем да разграничим техните основни класове: силициеви температурни сензори, биметални сензори, течни и газови термометри, температурни индикатори, термистори, термодвойки,

съпротивителни термодвойки, инфрачервени сензори.

Температурни сензори с терморезисторен датчик.

Принципът на работа на съпротивителните термодвойки (термистори) се основава на промяна в електрическото съпротивление на проводници и полупроводници (метален оксид и силиций) в зависимост от температурата (обсъдено по-рано).

Прилагат се в промишлеността за различни измервания на параметри на технологични процеси. По дизайн има потопяеми (сензорът е потопен в измервателната среда) и надземни (сензорът е разположен в корпус, който е монтиран на тръба).

сензори
температурата

Ориз. Температурни сензори с терморезисторен датчик.

а) - потопяем сензор, б) - сензор със скоба

В конструктивенСензорът може да съдържа само сензора или сензора и вторичния преобразувател. В първия случай, ако като датчик се използва металентермистор, се използват три- или четирипроводни вериги, за да се елиминира влиянието на свързващите проводници. За сензорите в твърдо състояние това не се изисква поради високото им номинално съпротивление. Диапазонът на измерваните температури за метални термистори е в рамките на -200…1100°С.

Силиконовите термистори се използват главно в интегрални схеми за измерване на температурата на електронни компоненти. Температурен диапазон -40…150°С. Външният вид на сензор, базиран на силициев сензор, е показан на фигура xx

диафрагма

Ориз. Силиконов интегриран температурен сензор

Биметални сензори (термостати). По правило сензорът съдържа само сензор (без вторичен преобразувател) и при задействане затваря или отваря електрически контакт. Широко използван в автомобилната и тракторната техника и в ACS микроклимата за измерване на температурата на водата и въздуха. Диапазонът на измерваните температури е -40…+550°С. Сензорите имат значителна грешка при превключване на хистерезис.

температурата
сензори

Ориз. биметални сензори. А) - за измерване на температурата на течността, б) - за измерване на температурата на въздуха.

Дилатометрични сензори (габарит). Принципът на действие се основава на свойството на телата (твърди тела, течности, газове) да се разширяват с повишаване на температурата. В диапазона на стайна температура като течности се използват алкохол или живак. За измерване на ниски температури, например в криогенната технология, може да се използва течен неон, а за измерване на високи температури обикновено се използва галий, който е в течно състояние още от 20 °C. в газови термометриизползва се ефектът на разширение, когато веществото преминава от течно в газообразно състояние. Газът деформира еластичния елемент (мембрана, маншон, манометрична пружина) и затваря електрическите контакти. Диапазонът на измерване на течни и газови термометри е от -200 C до +500 C. Термометрите от този клас обикновено се използват за визуален контрол на температурата или като термостати в различни нагреватели и хладилни уреди. Класът на точност на тези устройства е 1, 1,5. Такива сензори не изискват захранване, което при определени обстоятелства е важно предимство пред други сензори.

сензори

Ориз. Дилатометричен (манометричен) температурен датчик.

Термоелектрически сензори (термодвойки) Термодвойките са два проводника от различни метали, заварени заедно в единия край. Термоелектричният ефект е открит от немския физик Зеебек през първата половина на 19 век. Той откри, че ако свържете два проводника от различни метали по такъв начин, че да образуват затворена верига и поддържат контактните точки на проводниците при различни температури, тогава във веригата ще тече постоянен ток. Експериментално бяха избрани метални двойки, които са най-подходящи за измерване на температурата, притежаващи висока чувствителност, времева стабилност и устойчивост на външна среда. Това са например двойки метали хромел-алумел, мед-константан, желязо-константан, платина-платина / родий, рений-волфрам. Всеки тип е подходящ за решаване на собствени проблеми. Термодвойките хромел-алумел (тип К) имат висока чувствителност и стабилност и работят до температури до 1300 С в окислителна или неутрална атмосфера. Това е един от най-често срещаните видове термодвойки. Термодвойка желязо-константан (тип J)работи във вакуум, редуцираща или инертна атмосфера при температури до 500 C. При високи температури до 1500 C се използват платиново-платинови/родиеви термодвойки (тип S или R) в керамични защитни капаци. Те осигуряват отлично измерване на температурата в окислителна, неутрална и вакуумна среда.

Пирометрите използват радиационната енергия на нагретите тела, което ви позволява да измервате повърхностната температура от разстояние.

сензори
диафрагма

Ориз. Радиационен пирометър. а) - принципът на работа на пирометъра, б) - външният вид на пирометъра.

Има три вида пирометри:

1.Флуоресцентно. При измерване на температура с флуоресцентни сензори фосфорните компоненти се нанасят върху повърхността на обекта, чиято температура трябва да се измерва. След това обектът се излага на ултравиолетово импулсно лъчение, което води до пострадиация на флуоресцентен слой, чиито свойства зависят от температурата. Тази радиация се открива и анализира.

2.Интерферометричен. Интерферометричните температурни сензори се основават на сравнение на свойствата на два лъча - контролен лъч и лъч, преминал през среда, чиито параметри се променят в зависимост от температурата. Чувствителният елемент на този тип сензори най-често е тънък слой силиций, чийто индекс на пречупване и съответно дължината на пътя на лъча се влияе от температурата.

3.Радиационнитепирометри се използват за измерване на температура от 20 до 2500 0 C, като уредът измерва интегралния интензитет на излъчване на реален обект.

4.Яркост(оптични) пирометри се използват за измерване на температури от 500 до 4000 0 С.примерен излъчвател (фотометрична лампа).

5.Цветнитепирометри се основават на измерване на съотношението на интензитетите на излъчване при две дължини на вълната, обикновено избрани в червената или синята част на спектъра; те се използват за измерване на температури в диапазона от 800 0 C.

Пирометрите ви позволяват да измервате температурата на труднодостъпни места и температурата на движещи се обекти, високи температури, където други сензори вече не работят.

Акустичен

Акустични температурни сензори - използват се предимно за измерване на средни и високи температури. Акустичният сензор е изграден на принципа, че в зависимост от промяната на температурата се променя скоростта на разпространение на звука в газовете. Състои се от предавател и приемник на акустични вълни (раздалечени една от друга). Излъчвателят излъчва сигнал, който преминава през изследваната среда, в зависимост от температурата, скоростта на сигнала се променя и приемникът, след като получи сигнала, отчита тази скорост.

Използва се за определяне на температури, които не могат да бъдат измерени чрез контактни методи. Те се използват и в медицината за неинвазивни (без хирургично проникване в тялото на пациента) измервания на дълбока температура, например в онкологията. Недостатъците на такива измервания са, че при докосване те могат да предизвикат физиологични реакции, което от своя страна води до изкривяване на измерването на температурата в дълбочина. Освен това могат да възникнат отражения на интерфейса „сензор-тяло“, което също може да причини грешки.