CC BY
10УДК 62 - 5
Мустаев А.Ф.
магистрант факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций Уфимский государственный технический университет
(Россия, г. Уфа)
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗООБРАЗНЫХ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
Аннотация: в данной статье рассматриваются измерительные устройства для измерения параметров газообразных объектов управления, методы и условия применения измерительных устройств, а также ограничения, накладываемые на применения тех или иных устройств.
Ключевые слова: средства измерения, измерительные устройства, системы автоматического регулирования.
Измерительные устройства (ИУ) - это элемент систем автоматического регулирования (САР), задачей которых является информирование регуляторов о текущих значениях параметров.
ИУ решает свою задачу путем преобразования значений измеряемых параметров САР в электрические сигналы и передачу их контроллерам САР.
Чувствительный элемент преобразует измеряемый параметр (температура, давление и т.д.) в информативный параметр (сопротивление, ток и т.д.), который удобен для дальнейшего преобразования в электрический сигнал.
Вторичный преобразователь выполняет преобразование информативного параметра в выходной электрический сигнал. Под сигналом подразумевается параметр, который можно передать на расстояние, это напряжение и ток.
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температура является важным параметром, определяющим не только протекание технологического процесса, но и свойства вещества.
Для измерения температуры используют различные первичные преобразователи, отличающиеся способом преобразования температуры в промежуточный сигнал. В промышленности наибольшее применение получили следующие первичные преобразователи: термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термопары (термоэлектрические пирометры) и пирометры излучения. Все они, за исключением пирометров излучения, в процессе эксплуатации находятся в контакте с измеряемой средой.
Термопары. Принцип действия термопар основан на эффекте Зеебека, это явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Это свойство двух разнородных проводников создавать термо - э.д.с. при нагревании места их соединения — спая. Проводники в этом случае называются термоэлектродами, а все устройство -термопарой.
Величина термо - э.д.с. термопары и зависит от материала электродов А и Б и от разности температур горячего спая 1:г и холодных спаев Поэтому при измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев стабилизируют или вводят поправку на ее изменение.
А, Б - термоэлектроды на температуру холодных спаев термопары В промышленных условиях стабилизация температуры холодных спаев термопары затруднительна и обычно используют второй способ — автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев. Для этого применяют неуравновешенный мост, включаемый последовательно с термопарой.
и
В одно плечо такого моста включен резистор Rм, расположенный около холодных спаев. При изменении температуры холодных спаев термопары ^ изменяется сопротивление резистора Ям и выходное напряжение неуравновешенного моста и1.
Мост подбирают таким образом, чтобы изменение напряжения было равно по величине и противоположно по знаку изменению э.д.с. термопары вследствие колебаний температуры холодных спаев.
Термопары являются первичными преобразователями температуры в э.д.с. — сигнал, удобный для дистанционной передачи. Поэтому в измерительную цепь за термопарой может быть сразу включен измерительный прибор. Для измерения э.д.с. термопары обычно применяют автоматические потенциометры.
В промышленности применяют различные термопары с термоэлектродами, изготовленными как из чистых металлов, так и из их сплавов. Материалы термоэлектродов имеют индивидуальные градуировочные характеристики — зависимость величины термо-э.д.с. от температуры спая и предельную величину измеряемой температуры. Наиболее употребляемые термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель — копель с предельной температурой 600°С, хромель — алюмель с предельной температурой 1100°С и платинородий — платина с предельной температурой 1600°С.
Термометры сопротивления. Действие термометров сопротивления основано на свойстве тел изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление с возрастанием температуры увеличивается практически линейно, у полупроводниковых, наоборот, уменьшается.
Металлические термометры сопротивления изготовляют из тонкой медной или платиновой проволоки 1, помещенной в электроизоляционный корпус 2. Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от -50 до +180° С, для платиновых — от -200 до +650° С) весьма стабильна и воспроизводима. Это обеспечивает взаимозаменяемость термометров сопротивления.
Для защиты термометров сопротивления от воздействия измеряемой среды применяют защитные чехлы.
Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) для измерений в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем термометров сопротивления. Это объясняется тем, что градуировочные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость.
Термометры сопротивления представляют собой первичные преобразователи с удобным для дистанционной передачи сигналом — электрическим сопротивлением.
ГАЗОНАЛИЗАТОРЫ
Газоанализаторы разделяют на несколько видов в зависимости от их функционального предназначения: индикаторы, сигнализаторы.
Приборы индикаторного типа предназначены для измерения с целью определения концентрации определенного компонента в газовой среде.
Газоанализаторы в виде сигнализаторов осуществляют непрерывный анализ состава газовой среды. Они представлены стационарным оборудованием, которое закрепляется неподвижно. При получении данных с превышением допустимых показателей прибор сигнализирует об этом и/или передают сигнал на исполнительный механизм о включении вентиляции.
Термокондуктометрические реагируют на теплопроводность смеси. Данные устройства анализируют насколько эффективно осуществляется передача температуры в газовой среде. Подобное оборудование подходит в тех случаях, когда уровень теплопроводности у основного газа и примесей, которые нужно выявить, существенно отличается.
Ионизационный газоанализатор проверяет электропроводимость ионизованных газов. При наличии примесей электропроводимость отличается, что фиксируется прибором и отображается в процентном выражении концентрации. Подобные устройства могут работать только с теми газами, которые не могут воспламеняться.
Примером может служить РИД-1, в качестве ионизирующего вещества
использовался изотоп Плутоний 239. Содержи в себе две камеры с радиоактивными
234
источниками, в нормальном состоянии через обе камеры протекает одинаковый ток. При попадании в рабочую камеру дыма её ток изменяется и включается сигнализация.
Инфракрасные облучают газовую среду инфракрасными лучами, после чего чувствительные датчики реагируют на уровень поглощения молекулами вещества излучаемого света. Такие устройства имеют взрывозащищенный корпус, поэтому часто используются с взрывоопасными веществами. По данному принципу работает значительная доля лабораторного и промышленного оборудования. Также существуют ультрафиолетовые и люминесцентные газоанализаторы. Примером может служить алкотестер, их принцип действия основан на способности этанола, оказавшегося в воздухе, поглощать световое излучение. В алкотестере встроены: источник ИК излучения и приемник. Этанол поглощает излучение, прибор измеряет: насколько оно стало слабее, и сколько энергии было поглощено. Таким способом определяется концентрация алкоголя в выдохе. Сила излучения преобразуется в электрический сигнал, обрабатывается и выводится на экран в числовом формате.
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
Индуктивные. Элементом чувствительности служит Е-пластина, в центре расположена катушка, и проводящая мембрана. Она расположена на малом расстоянии от конца пластины. При подсоединении обмотки образуется магнитный поток, он идет через пластину, промежуток воздуха и мембрану.
Магнитная проницаемость воздуха в зазоре в 1000 раз слабее мембраны и пластины. Малое изменение параметра зазора приводит к значительному изменению индуктивности.
При воздействии давления мембрана изгибается, сопротивление катушки меняется. Преобразователь переводит изменение в сигнал тока. АЦП подает сигнал от элемента измерения в виде сигнала от давления.
Емкостные. Датчики давления самой простой конструкции, состоящий из плоских электродов (2 шт.) с зазором. Электрод сделан мембраной, на нее давит измеряемое давление. Меняется размер зазора. Такой вид датчика образует конденсатор с меняющимся зазором. Величина емкости конденсатора меняется при изменении промежутка от пластин или от электродов в данном случае.
Для определения очень небольших изменений давления приборы наиболее применимы и эффективны. Они дают возможность произвести замеры избыточного давления в различной среде. На предприятиях при выполнении технологических процессов, в которых задействованы системы воздушного и гидравлического оборудования, в насосах, компрессорах, на станках емкостные датчики нашли широкое применение. Датчик емкостного вида имеет конструкцию, которая имеет стойкость к вибрациям, скачкам температуры, защищена от химической и электромагнитной среды.
РЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации. Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.
Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается. При сжатии процесс происходит наоборот. Изменения сопротивления незначительные,
поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.
Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги. Элемент проводника - из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии. Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм2.
Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности, который определяется как:
ДД
кг =
У*
е
А Я - абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом; Яо— начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом; £ = Д — относительная деформация.
А Ь — абсолютное изменение длины, м;
Ьо — длина недеформированного тензорезистора, м.
Тензорезистор включается в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны. Здесь - тензорезистор, Я2 - переменный резистор для настройки моста.
Список литературы:
Айзерман М.А. Теория автоматического регулирования // Издательство «Наука», 1966. - 454 с;
Нугаев И.Ф. Элементы электронных систем автоматического регулирования - Уфа: УГАТУ, 2016. - 3,44 МБ;
Топильский В.Б. Микроэлектронные измерительные преобразователи. — М.: БИНОМ, 2013. — 499 с.
