Течение многих технологических процессов зависит от сопутствующих им давления и температуры. Для учета этих факторов используются чувствительные элементы – датчики.
Что такое датчик
Это устройство, которое преобразует физическое воздействие в электрический сигнал. Его конструкция состоит из чувствительного элемента, усилителя сигнала и корпуса. Обратите внимание, что в этом списке нет устройства для отображения информации об измеряемом параметре – шкалы, дисплея и прочих. Если оно к нему подключается, то в названии прибора обязательно появляется дополнительный корень «метр» – термометр, манометр... Датчики давления и температуры используются в качестве элементов схем автоматики или как часть измерительных приборов.
Типы датчиков давления
Датчики давления, в зависимости от вида чувствительного элемента, бывают нескольких типов.
Чувствительный элемент непосредственно взаимодействует с коммутирующим элементом. Они просты и надежны, однако реагируют на воздействие определенной силы, устанавливаемое во время настройки.
ЭлектромеханическиеВ них используются особые свойства некоторых материалов, которые при приложении к ним механического воздействия изменяют свои электрические параметры. Это пьезоэлектрики – вид кристаллов, в узлах решетки которых при малейшей деформации возникает электрический заряд. И тензорезисторы – вещества, у которых деформация сопровождается изменением внутреннего электрического сопротивления. Их достоинство в простоте конструкции, а недостатком является сильная зависимость свойств от температуры среды, в которой производится измерение.
Электрические
Используется емкостной или индуктивный метод измерения. В первом случае чувствительный элемент – мембрана – играет роль второй обкладки конденсатора, емкость которого изменяется при увеличении или уменьшении расстояния между ними. Во втором датчик состоит из Е-образного сердечника с соленоидом на центральном зубе и мембраны. Управляющий сигнал генерируется в результате изменения силы магнитного потока. Эти устройства довольно сложны, но обеспечивают высокую точность измерения. Они независимы от внешних воздействий.
Оптические
Ряд веществ при приложении к ним механических усилий изменяют свои оптические свойства – коэффициент преломления или прозрачность. Датчики давления, работающие на этом принципе, очень чувствительны, поскольку это свойство напрямую зависит от длины волны светового пучка. Например, для красной части светового спектра она находится в пределах от 625 до 740 нанометров. По этой же причине такие устройства можно сделать очень маленькими, большинство из них свободно проходит через ушко иголки.
Частотные
Упругий элемент, в зависимости от своих размеров, имеет частоту, на которой наступает эффект резонанса. При его деформации пик частоты смещается, это и является измеряемым параметром. Такие датчики очень точны, но их настройка сложна, а время отклика велико.
Типы датчиков температур
Датчики температуры используют свойства материала изменять форму или размеры при нагреве (остывании), а также электрическую проводимость.
Механические
Это или штырь (обычно латунный) с известным коэффициентом линейного расширения, или биметаллическая пластина (например, медь-алюминий), имеющая свойство памяти формы. При изменении температурного фона она деформируется и нажимает на кнопку механического коммутатора. Просты, но имеют только один порог срабатывания, который задается при настройке.
Терморезистивные
Используются материалы, у которых зависимость внутреннего сопротивления от температуры максимально близка к линейной. Это такие металлы, как платина, никель и медь. А также полупроводники – смесь окислов кобальта или меди с марганцем.
Платиновые терморезисторы используются для измерений в диапазоне от –200 до +850 0С. Они отличаются высокой стабильностью характеристик и точностью. Применяются в качестве эталонов. Диапазон работы никелевых датчиков находится в пределах от –60 до +180 0С, они самые чувствительные. Медные имеют наилучшую характеристику, они самые дешевые и применяются при температурах от –180 до +200 0С. Конструктивно выполняются в виде тонкой пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку, или безиндуктивной намотки двойным тонким проводом.
Полупроводниковые термисторы имеют обозначение КМТ, если используются окислы кобальта, или ММТ при применении окислов меди. Они работают в диапазоне от –100 до 200 0С и используются в качестве элементов слаботочных схем управления. Корпус – жаропрочное кварцевое стекло.
Термопары
Наиболее широко применяющийся тип датчиков температуры. Используется так называемый эффект Зеебека – если концы проводника, составленного из разнородных металлов (например, железа и константана) имеют разную температуру, то между ними начинает течь электрический ток. Тот конец термопары, который находится в измеряемой среде, принято называть «горячим», хотя в действительности температура может быть и –200 С, то есть, почти абсолютный термодинамический ноль. К холодному концу подключаются регистрирующие приборы. В промышленных установках для обеспечения точности измерения его температура регистрируется металлическим терморезистором.
