Содержание
Датчик (измерительный преобразователь) – устройство, воспринимающее измеряемый (контролируемый) параметр и преобразующее его в сигнал, удобный для передачи по линиям связи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. В большинстве случаев датчик представляет собой конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей (первичных и промежуточных) и сопутствующих им конструктивных элементов, предназначенную для измерения (контроля) конкретной физической величины и выполненную в виде единой конструкции.
В зависимости от энергетического носителя информации выходные сигналы датчиков могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими и другие. В средствах технического диагностирования используют датчики с электрическим выходным сигналом, так как электроизмерительные схемы этих средств имеют ряд важных преимуществ по сравнению с пневматическими, гидравлическими и другими, таких как быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов экспериментального исследования в форме, удобной для обработки на ЭВМ, многофункциональность и гибкость, позволяющие при наличии программирующего устройства оперативно перестраивать структуру измерительных каналов. Следовательно, датчик, служащий для восприятия и преобразования диагностического параметра технического состояния агрегатов машин в электрический сигнал, является диагностическим датчиком.
Датчики, являясь первичными элементами средств экспериментального исследования, осуществляют связь этих средств с объектом путем преобразования контролируемых параметров (неэлектрических и электрических величин) в электрические сигналы, поступающие во входные устройства диагностического средства. Таким образом, датчики обеспечивают преобразование контролируемых физических величин в соответствующие этим величинам электрические сигналы с тем, чтобы при дальнейших преобразованиях, регистрации и обработке можно было бы получить результаты в форме измеряемой физической величины в функции времени. Преобразование измеряемой физической величины в электрический сигнал осуществляется в датчиках на основе использования зависимости электрических параметров различных физических тел от внешних воздействий. Например, зависимость величины электрического сопротивления металлов и полупроводников от температуры широко используется для измерения таких физических параметров, как температура, скорость газового потока, расход жидкости и газа и др. На принципе использования зависимости омического сопротивления металлических и полупроводниковых тел от механической деформации разработаны датчики для измерения механических напряжений в конструкциях, статических и переменных давлений, вибраций и т. д.
Существует множество типов и модификаций датчиков, отличающихся разными вариантами выполнения схемы и конструкции. В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные или активные и параметрические или пассивные.
В генераторных датчиках осуществляется преобразование измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию). К таким датчикам относятся:
пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах (кварц, турмалин и др.), в зависимости от значений и характера прилагаемых к кристаллу упругодеформирующих сил;
индукционные (магнитоэлектрические) датчики, использующие явление электромагнитной индукции – наведение ЭДС в электрическом контуре, в котором меняется величина магнитного потока;
фотоэлектрические датчики, использующие зависимость ЭДС фотоэлемента с запирающим слоем от освещенности;
термоэлектрические датчики (термопары), использующие явление термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термопары, в зависимости от разности температур ее рабочего и свободного спаев;
датчики электрических потенциалов, использующие зависимость концентрации водных растворов от концентрации водородных ионов в растворе, которую можно определить по потенциалу, возникающему на границе различных электродов, опущенных в контролируемый раствор;
гальванические датчики, использующие зависимость ЭДС гальванического элемента от состава и концентрации растворов электролитов;
электрокинетические датчики, использующие явление электрокинетического потенциала, возникающего при вынужденном протекании полярной жидкости через пористую стенку;
датчики с времяимпульсным выходом, в которых изменяемый параметр преобразовывается в пропорциональный по длительности импульс тока;
частотные датчики (с частотным выходом), в которых измеряемый параметр преобразовывается в изменение частоты переменного тока или в изменение частоты следования электрических импульсов.
В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи – сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., причем датчик питается от внешнего источника электрической энергии. К таким датчикам относятся:
емкостные датчики, использующие зависимость электрической емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок при воздействии на него измеряемого параметра;
электромагнитные и магнитоэлектрические датчики, которые объединяют три типа датчиков – индуктивные, трансформаторные и магнитоупругие: Индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности дросселя от длины и площади сечения его сердечника, от взаимного расположения обмоток дросселя и частей магнитопровода. Трансформаторные датчики основаны на изменении взаимной индуктивности обмоток преобразователя под воздействием механических перемещений ферромагнитного сердечника. Магнитоупругие датчики основаны на принципе изменения магнитной проницаемости (или индукции) ферромагнитных тел под воздействием приложенных к ним механических сил или напряжений;
электроконтактные датчики, коммутирующие электрическую цепь под воздействием измеряемого параметра;
потенциометрические (реостатные) датчики, использующие зависимость сопротивления реостата от положения его движка, который может перемещаться под воздействием контролируемого параметра;
жидкостные (электролитические) датчики, принцип действия вторых основан на изменении сопротивления электропроводящей жидкости при взаимном перемещении электродов или изменении геометрической формы корпуса чувствительного элемента;
механотронные датчики, основанные на преобразовании изменяемого параметра в перемещение электродов механотронной лампы и, соответственно, в изменение анодного тока;
тензорезисторные (тензометрические) датчики, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое сопротивление при упругих деформациях. Они подразделяются в зависимости от материала тензорезистора на проводниковые (проволочные и фольговые) и полупроводниковые;
датчики контактного сопротивления, использующие зависимость контактного сопротивления между поверхностями двух твердых тел от усилия их сжатия;
магнитомодуляционные датчики, представляющие собой устройства, содержащие магнитную систему и магнитометр, при взаимном перемещении которых меняется напряженность магнитного поля, пронизывающего магнитометр, и, соответственно, выходной сигнал;
датчики термосопротивления, пьезосопротивления, фотосопротивления и др., использующие свойства цепи, в которой они стоят, менять свое сопротивление соответственно в зависимости от температуры, механического напряжения, освещенности и т. д.
Из всей номенклатуры типов датчиков, различающихся по принципу действия, в настоящее время находят наиболее широкое применение следующие:
1. Потенциометрические или реостатные датчики – для измерения абсолютных, избыточных давлений жидких и газообразных сред и перепадов давлений; координат и относительных перемещеёний; линейных ускорений, угловых скоростей, скоростного напора и. др.
2. Тензорезисторные (тензометрические) датчики – для измерения давлений, усилий, вращающих моментов, относительных перемещений, линейных ускорений и др.
3. Электроконтактные датчики – для измерения временных интервалов и фазовых параметров работы двигателя.
4. Индуктивные датчики – для измерения давлений, линейных перемещений и др.
5. Трансформаторные (взаимоиндуктивные) датчики – для измерения линейных перемещений, давлений, расходов и др.
6. Магнитоупругие датчики – для измерения вращающих моментов, усилий и др.
7. Индукционные датчики – для измерения расходов жидкости и газа, частоты вращения и др.
8. Пьезоэлектрические датчики – для измерения давлений, вибраций, уровней, расходов по уровню и др.
9. Термоэлектрические датчики (термопары) – для измерения температуры
10. Датчики термосопротивления (термометры сопротивления) – для измерения температуры жидких сред и поверхности корпусных деталей.
11. Фотоэлектрические датчики – для измерения частоты вращения, вращающего момента, линейных размеров и др.
12. Механотронные датчики – для измерения малых перемещений, усилий, давлений и др.
13. Частотные стробоскопические датчики (стробоскопы) – для измерения фазовых параметров и частоты вращения.
Основной характеристикой датчика является зависимость выходной величины (электрического сигнала) U от входной величины (контролируемого параметра) X, определяемая градуировочной характеристикой U=f(Х).
На рис. 4.2 изображены наиболее распространенные зависимости «выход–вход» для датчиков в зависимости от структуры их построения. В наиболее простых случаях структурная схема датчика включает в себя один или два элементарных преобразователя. В простейшем случае он может состоять только из одного преобразователя (рис. 4.2,а), осуществляющего преобразование измеряемой неэлектрической величины Х в электрическую величину U.
Однако в подавляющем большинстве случаев преобразователи строятся по структурным схемам, состоящим из чувствительного элемента, воспринимающего энергию Х измеряемого параметра и преображающего ее в промежуточную неэлектрическую величину Х1, и преобразователя, предназначенного для преобразования промежуточной неэлектрической (обычно механической) величины X1 в электрический сигнал U (рис. 4.2,б). В отдельных случаях между чувствительным элементом и преобразователем располагается передаточный механизм или несколько промежуточных преобразователей (структура каскадного соединения, рис. 4.2,е). Часто встречаются более сложные структуры – дифференциальная схема (рис. 4.2,г), например, в индуктивных датчиках давления, и компенсационная схема (рис. 4.2,д), например, в трансформаторных датчиках линейных перемещений.
В общем виде подавляющее большинство датчиков неэлектрических параметров можно представить обобщенной структурной схемой (рис.4.2,е) Показанная на рисунке электрическая схема ЭС выполняет функцию дополнительного преобразования электрического сигнала с выхода ПНЭ в электрический сигнал U. Например, в некоторых тензометрических датчиках электрическая схема служит для преобразования электрического сопротивления тензорезистора в постоянное напряжение.
Вид функциональной зависимости датчика неэлектрического параметра U=f(Х), как правило, определяется соотношением действующего и противодействующего усилий на чувствительный элемент и характеристиками преобразователя неэлектрического параметра в электрический сигнал. Действующее усилие создается за счет энергии измеряемой физической величины и воспринимается чувствительным элементом, деформирующимся пропорционально действующему усилию. Деформация чувствительного элемента трансформируется промежуточным преобразователем датчика в электрический сигнал. Таким образом, функциональная зависимость выходного сигнала от измеряемой физической величины определяется свойствами и геометрическими размерами чувствительного элемента, а также электрическими свойствами преобразователя и частично измерительной цепи. Если датчик состоит из одного преобразователя (см. рис. 4.2,а), то его характеристика определяется физическими и электрическими параметрами последнего.
Рис. 3.2. Структурные схемы основных типов датчиков:
а – структурная однозвенная простейшая схема и пример датчика (термопары) состоящего только из одного преобразователя; б – структурная схема и пример датчика (потенциометрический датчик давления), состоящего из чувствительного элемента 1 и выходного преобразователя 2; в – схема каскадного соединения (3 – промежуточный преобразователь); г – дифференциальная схема (4 – вычитающий элемент); д – компенсационная схема (5 – усилитель; 6 – генератор компенсирующей величины); е – обобщенная структурная схема датчика неэлектрической величины ЧЭ – упругий чувствительный элемент (первичный преобразователь); ПМ – передаточный механизм (промежуточный преобразователь); ПНЭ – преобразователь неэлектрической величины в электрическую (промежуточный преобразователь); ЭС – электрическая схема (вторичный преобразователь) Хиз; Хэ и Уэ – соответственно входной неэлектрический, входной электрический и выходной электрический сигналы
Характер зависимости U=f(Х) в ее окончательном суммарном виде, как правило, находится путем градуировки датчиков и представляется в виде таблицы либо в виде графика. При градуировке для контроля задаваемых значений измеряемой неэлектрической величины и выходного сигнала применяют образцовые средства измерения с погрешностью, которая в 3–5 раз меньше погрешности датчиков в нормальных условиях.
В зависимости от свойств составных конструктивных и схемных элементов датчика его градуировочная характеристика оказывается либо линейной, либо нелинейной. В большинстве случаев стремятся иметь датчики с линейной характеристикой, т.е. с характеристикой, погрешность от нелинейности которой ничтожна по сравнению с допускаемой погрешностью датчиков в нормальных условиях. Линейность характеристики особенно важна для измерений колебательных процессов и других динамических измерений.
Из-за наличия сил трения в подвижных элементах конструкции датчиков при градуировке обнаруживается разница в значениях выходного сигнала между прямым и обратным ходом при одном и том же значении измеряемой величины. Основная доля вариационных отклонений вызывается свойствами упругих чувствительных элементов.
При измерении медленно и быстро меняющихся процессов имеет место динамический режим работы аппаратуры, вызывающий появление дополнительных динамических погрешностей, а именно: амплитудных и фазовых погрешностей и погрешностей измерения переходных процессов. Эти погрешности зависят от динамических параметров измеряемых процессов и динамических характеристик датчиков. К динамическим погрешностям относят и погрешности, возникающие при измерениях в условиях вибрации, тряски, ударов и т.д. Они затрудняют работу, так как вследствие неизбежно возникающих собственных колебаний подвижной системы либо датчик дает неправильные показания, либо требуется сравнительно большое время на успокоение собственных колебаний. С динамическими погрешностями такого рода борются, как правило, с помощью различного рода амортизаторов и демпферов.
Датчик – потенциал
Датчик потенциала представляет собой стальную пластинку размером 25X25 мм и толщиной 1 5 – 2 мм. Датчик вмонтирован в гнездо, укрепленное на внешней цилиндрической поверхности электрода. Свободные концы соединительных проводников от медного стержня электрода и датчика припаяны к штекерам. Штекер от датчика на конце имеет косой срез. [1]
Для питания датчика потенциала и дифференциального магнитного усилителя используется феррорезонансный стабилизатор мощностью 3 Вт. Датчик регулируется в пределах 0 – 2 5 В. [3]
В качестве датчика потенциала в растворе моноэтаноламина ( МЭА) при 20 – 90 С исследован ряд металлоксидных электродов. Наибольшей стабильностью в исследуемых условиях отличается оксидно-ртутный электрод сравнения. [5]
При наладке датчика потенциалов АСКЗ и усиленных электродренажей, а также систем телеизмерений разности потенциалов труба – земля необходимо определить погрешности датчика, связанные с потерей напряжения в измерительной цепи, на участке неполяризующийся медносульфатный электрод – труба. Чтобы правильно оценить параметры электрохимической защиты на газопроводе, необходимо знать погрешность измерений, которая возрастает с увеличением переходного сопротивления неполяризующегося мед-носульфатного электрода и достигает небольших значений в грунтах с высоким удельным сопротивлением. [6]
Таким образом, при наладке датчиков потенциалов необходимо провести измерения на двух шкалах измерительного прибора. Если показания в обоих случаях будут одинаковы, то их принимают ва истинную величину. Проверка показала, что результаты, полученные расчетом по формуле ( 150) и непосредственными измерениями компенсационным методом, идентичны. [7]
Стационарный медно-сульфатный долгодействующий электрод с датчиком потенциала ( вспомогательным электродом) используют как электрод сравнения при измерении разности потенциалов труба – грунт и поляризационного потенциала, а также в качестве датчика в цепи блока управления автоматических преобразователей. [8]
Применяемые в настоящее время электроды сравнения или датчики потенциалов при анодной защите можно разделить на две группы: выносные и погружные. [9]
Стационарный неполяризующийся медносульфатный электрод является также неотъемлемой частью датчика потенциала при автоматизации и телеконтроле СКЗ. [11]
Поляризационный потенциал стальных трубопроводов измеряется на стационарных КИПах, оборудованных медносульфатным электродом сравнения длительного действия с датчиком потенциала – вспомогательным электродом ( ВЭ), или на нестационарных КИПах, с помощью переносного медносульфатного электрода сравнения с датчиком потенциала – вспомогательным электродом. [12]
По окончании монтажа АСКЗ, проверки сопротивлений растеканию тока анодного и защитного заземлений и всей цепи АСКЗ, датчика потенциала , устройства ограждения из стальной сетки и установки предупредительных плакатов станцию присоединяют к питающей сети. Нумерацию опор начинают от места подключения линии к источнику переменного тока до АСКЗ и далее от газопровода к анодному заземлению. [13]
Блок пластин-индикаторов может поставляться отдельно и устанавливается на поверхности защищаемого объекта или взамен стандартного датчика в комплекте с электродом сравнения ЭНЕС-1, одновременно выполняя функцию датчика потенциала и имеет электрический контакт через оголенную частично пластину со средой, в которой находится защищаемый объект. [14]
Контроль эффективности электрохимической защиты подземных стальных трубопроводов должен производиться на стационарных контрольно-измерительных пунктах ( КИП), оборудованных для измерения поляризационного потенциала медносульфатным электродом длительного действия с датчиком потенциала . Допускается оборудование КИП устройством, позволяющим использование переносного медносульфатно-го электрода сравнения. [15]
Tektronix — наивысшая производительность
В статье представлены осциллографы реального времени Tektronix — новейшие контрольно-измерительные приборы, позволяющие значительно сократить время разработки различных устройств.
Цифровые датчики освещенности MAX44007 и MAX44009 компании Maxim
Задачи управления освещенностью входят в число наиболее актуальных в современной светотехнике. Это связано с такими глобальными тенденциями как стремление к повышению энергоэффективности, рост производства портативных устройств на базе ЖКИ, интеллектуальных систем безопасности, неуклонная популяризация систем типа «умный дом». Грамотное использование этих систем позволяет не только обеспечить комфортные условия освещения для работы и отдыха, но и принести весьма ощутимый экономический эффект от внедрения.
Батарейка ER14505 отлично работает в тысячах счетчиках газа и воды по всей стране
По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы
9 декабря
В статье рассматривается новый электрометр, в котором надежность сочетается с высокой чувствительностью, что позволяет применять его в медицинских и других приложениях.
радиционно взаимодействие твердотельных устройств с электромагнитным полем осуществлялось, главным образом, путем обнаружения возмущений в магнитном поле. Датчики Холла, например, обеспечивают надежную работу во многих аналоговых и цифровых приложениях. В повседневной жизни мы пользуемся информацией, которая закодирована в электромагнитных сигналах, принимаемых нашими мобильными телефонами и телевизорами.
Электрометры измеряют электрический заряд или разность потенциалов и, по сути, являются вольтметрами с таким высоким входным импедансом, что их входной ток можно полагать равным нулю. До недавних пор электрометры пользовались репутацией неточных приборов, в которых часто использовались компоненты, чувствительные к механическим ударам. Описываемый в статье датчик EPIC является очень надежным твердотельным электрометром с высоким входным импедансом, благодаря чему этот прибор можно считать идеальным вольтметром. Перспективы его использования разнообразны, а недавние демонстрации возможностей электрометра получили одобрение со стороны инженерного сообщества.
EPIC (Electric Potential Integrated Circuit) представляет собой микросхему с датчиком для измерения электрического потенциала. По сути, это система со своими физическими принципами работы.
EPIC — бесконтактный электрометр, электрод которого защищен слоем диэлектрика для изоляции от измеряемого объекта. По принципу действия микросхему EPIC можно уподобить затвору полевого транзистора. Полоса пропускания устройства по уровню –3 дБ лежит в диапазоне от нескольких десятков до 200 МГц и выше. Эта характеристика подстраивается под нужды конкретного приложения. Такой электрометр не может иметь связи по постоянному току, т.к. электрическое поле Земли на уровне моря составляет около 100–150 В/м.
В несимметричном режиме это устройство применяется для определения электрического потенциала; в дифференциальном режиме оно измеряет локальное электрическое поле либо используется для отображения пространственного распределения потенциала.
На рисунке 1 представлена базовая структурная схема датчика EPIC [1]. Размер его электрода выбирается отчасти произвольно и зависит от входной емкости, определяемой конкретным приложением. Размер этого электрода критичен для помещаемых рядом с ним объектов, а работа прибора описывается в терминах емкостной связи. Для устройств, находящихся в нескольких метрах от измеряемого объекта, емкостная связь определяется только собственной емкостью электрода, а их характеристика в большой мере зависит от входного импеданса при взаимодействии устройства с полем. При этом следует учесть, что в активном режиме датчик EPIC забирает у поля очень малое количество энергии.
 |
Рис. 1. Базовая структурная схема датчика EPIC
Входное сопротивление устройства повышается с помощью обратной связи, а снижение входной емкости достигается за счет методов защиты. Входную емкость можно снизить до 10–17 Ф, а входное сопротивление увеличить до 1015 Ом, сведя взаимодействие с измеряемым полем к абсолютному минимуму, когда остаются только малые токи смещения.
Чтобы лучше понять механизмы работы обратной связи, следует рассмотреть входной буфер усилителя и соответствующие импедансы (см. рис. 2). Для задания в первом каскаде коэффициента усиления, номинально равного единице, используются резисторы RG1 и RG2. Cin и Rin представляют входную емкость и сопротивление усилителя, соответственно, учитывающие паразитные компоненты схемы или подложки. Емкость Cext моделирует емкостную связь с объектом измерения.
 |
Рис. 2. Входной каскад датчика EPIC
В условиях сильной связи (Cext >> Cin) Cext определяется уравнением 1:
 |
(1) |
где a — эквивалентная общая площадь электрод/объект; d — расстояние между объектом и датчиком; ε0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства; εr — относительная проницаемость диэлектрической среды, в которую помещен датчик.
В условиях слабой связи (Cext Оцените материал:
Автор: Шон Коннор (Sean Connor), главный инженер, Plessey Semiconductors