Тема: Датчики систем автоматики

1. Загальні відомості про датчики.

2.Перетворювачі переміщення.

3.Загальнопромислові датчики фізичних величин.

4.Датчики температури.

5.Датчики тиску.

6.Датчики контролю рівнів.

7.Датчики контролю витрат та вологоміри.

1. Загальні відомості про датчики.

Контроль за режимом робо­ти різних машин, агрегатів, протікання технологічних процесів потре­бує пристроїв, що вимірюють значення величин, характеризуючи ці процеси.  У схемах автоматики ці пристрої називають датчиками.

Датчик - це пристрій, що вимірює параметри технологічного процесу, режими роботи машин, агрегатів і перетворює виміряну фізичну величину в сигнал, зручний для подальшого використання в елементах автоматичної системи.

Функціональні схеми датчиків:а- з безпосереднім перетворенням; б- з проміжним перетворенням; в- з проміжним перетворенням і зворотним зв язком

Будь-яка величина незалежно від її фізичної природи може бути перетворена в електричну величину (наприклад, механічний рух в індуктивність або напругу, температура в е.р.с. тощо). Такі датчикивідносяться до електричних. При перетворенні неелектричної величини в неелектричну іншої природи (наприклад, механічне переміщення в тиск повітря, рідини тощо) застосовують неелектричні датчики (механічні, пневматичні, гідравлічні та ін.)

Всі електричні датчики за принципом дії ділять на параметричні і генераторні.

Параметричні датчики перетворюють неелектричні величини в електричні (опір ,ємність , індуктивність ). До параметричних датчиків належать контактні, реостатні, тензодатчики, термодатчики, ємнісні, індуктивні,фотоелектричні. Параметричні датчики працюють від стороннього джерела енергії.

Генераторні датчики перетворюють неелектричні величини в е.р.с.- це термоелектричні (термопари),індукційні, п'єзоелектричні, вентильні фотоелементи.

Розрізняють класи точності датчиків: 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

За характером зміни вихідного сигналу в часі розрізняють:

- датчики безперервної дії, що виробляють сигнал безперервно

- дискретної дії, у яких значення вихідного сигналу у певні проміжки часу рівне нулю.

Типова система автоматичного контролю включає первинний вимірювальний перетворювач (датчик), вторинний перетворювач, лінію передачі інформації (сигналу) і реєструючий прилад

Прикладом чутливого елемента може бути мембрана диференціального манометра, що вимірює різницю тиску на об’єкті. Переміщення мембрани, викликане зусиллям від різниці тиску, перетворюється за допомогою додаткового елемента (перетворювач) в електричний сигнал, який легко передається на реєстратор.

Перетворювачі класифікуються на однорідні і неоднорідні.

Однорідні  мають однакову за фізичною природою вхідну і вихідну величину. Наприклад, підсилювачі, трансформатори, випрямлячі перетворюють електричні величини в електричні з іншими параметрами.

Серед неоднорідних найбільшу групу складають перетворювачі неелектричних величин в електричні (термопари,терморезистори, тензометричні датчики, п’єзоелементи і т.ін.).

2.Перетворювачі переміщення.

Найбільше поширення отримали параметричні перетворювачі механічного переміщення. До них належать R (резисторні), L (індуктивні) і С (ємнісні) перетворювачі. Ці елементи змінюють вихідну величину пропорціонально вхідному переміщенню: електричний опір R, індуктивність L і ємність С.

 Індуктивний перетворювач може бути виконаний у вигляді катушки з відводом від середньої точки і плунжером (сердечником), який переміщується всередині.

Перетворювачі звичайно підключаються до систем контролю за допомогою мостових схем. У одне з плечей моста підключається перетворювач переміщення. Тоді вихідна напруга (Uвих), що знімається з вершин моста А-В, буде змінюватися при переміщенні робочого елемента перетворювача і може бути оцінена виразом:

вих живл U_вих =((Z₁ Z₃ –Z₂ Z₄ ) /(Z₁₊ Z₄ )(Z₂ +Z ₃)) /U_живл

Рис. Схеми мостового підключення перетворювачів: а - загальний випадок; б - мостова схема з індуктивним перетворенням.

Напруга живлення моста(Uживл) може бути постійного (при Zi=Ri) або змінного (при Zi =1/(Cω) або Zi =Lω) струму з частотою ω.

У мостову схему з R елементами можуть підключатися терморезистори, тензо- і фоторезистори, тобто перетворювачі, вихідний сигнал яких – зміна активного опору R. Індуктивний перетворювач, що широко застосовується, звичайно підключається до мостової схеми змінного струму, утвореної трансформатором . Вихідна напруга в цьому випадку виділяється на резисторі R, включеному в діагональ моста.

Особливу групу складають генераторні перетворювачі диференціально-трансформаторні і феродинамічні рис.

 Перетворювачі в яких вихідий сигнал (Uвих) формується у вигляді напруги змінного струму пропорційно вхідному переміщенню називають  диференціально- трансформаторні. Вихідий сигнал (Uвих) цих перетворювачів формується у вигляді напруги змінного струму, що виключає необхідність застосування мостових схем і додаткових перетворювачів. Диференціальний принцип формування вихідного сигналу в трансформаторному перетворювачі (рис. а) заснований на використанні двох вторинних обмоток, включених назустріч одна одній. Тут вихідний сигнал – векторна різниця напруг, що виникають у вторинних обмотках при подачі напруги живлення U_живл. При цьому вихідна напруга несе дві інформації: абсолютне значення напруги – про величину переміщення плунжера, а фаза – про напрям його переміщення:

Ūвих = Ū1 – Ū2 = kХвх,

де k – коефіцієнт пропорціональності;

Хвх – вхідний сигнал (переміщення плунжера).

Диференціальний принцип формування вихідного сигналу збільшує чутливість перетворювача в два рази, оскільки при переміщенні плунжера, наприклад, вгору росте напруга у верхній обмотці (U₁) внаслідок зростання коефіцієнта трансформації, на стільки ж знижується напруга в нижній обмотці (U₂). Диференціально-трансформаторні перетворювачі широко розповсюджені в системах контролю і регулювання завдяки своїй надійності і простоті. Їх використовують у первинних і вторинних приладах зміни тиску, витрат, рівнів тощо.

Більш складними є феродинамічні перетворювачі (ПФ) кутових переміщень . Тут у повітряному зазорі магнітопроводу (1) вміщене циліндричне осердя (2) з обмоткою у вигляді рамки. Осердя встановлене за допомогою кернів і може повертатися на невеликий кут α_вх. На обмотку збудження перетворювача (w1) подається змінна напруга 12 - 60 В,внаслідок чого виникає магнітний потік, що перетинає площу рамки (5). У її обмотці індукується

струм, напруга якого (Uвих) при інших рівних умовах пропорційна куту повороту рамки (αвх), а фаза

 

напруги змінюється при повороті рамки в ту або іншу сторону від нейтрального положення (паралельно магнітному потоку).

 

Рис. Феродинамічний перетворювач:

1- магнітопровід;

2 – циліндричне осердя;

3,4 – нерухомий і рухомий плунжери;

5 – поворотна рамка з обмоткою wр;

6 – катушка з обмотками збудження (w1) і зміщення (w2); δ – повітряний зазор.

 3.Загальнопромислові датчики фізичних величин

У системах автоматики для вимірювання застосовують датчики  електричного опору, тобто резистивні.

Рис. Реостатні (потенціометричні) датчики:

а - круговий; б - прямий, в - схема вмикання датчика;

г - схема вмикання датчика з середнім виводом

Тензометричні датчики (тензопари), принцип дії яких базується на явищі тензоефекту - зміна активного опору провідників, напівпровідників під дією механічних зусиль.

Рис. Тензометричні датчики: а - дротяний, 6-з фольги; в - напівпровідниковий; г, д- відповідно потенціометрична і мостова схеми вмикання тензодатчиків; е - вугільний; ж - статична характеристика вугільного перетворювача

За видом перетворення електромагнітні пристрої поділяють на індуктивні, трансформаторні, магнітоиружні, індукційні.

Індуктивні датчики (електромагнітні перетворювачі) принцип дії їх грунтується на зміні індуктивного опору ХL магнітної системи при переміщенні феромагнітного осердя чи зміні зазору в ньому під дією вхідної величини (переміщення, деформації,рівня, тиску ).

Індуктивні датчики перетворюють зміну регульованої величини в зміну індуктивного опору обмотки; працюють на змінному струмі; складається з осердя, котушки індуктивності та якоря рис.

Під час переміщення якоря під дією регульованої величини змінюється відповідно зазір d, а значить індуктивність L, повний опір Z.. струм І.

Рис. Індуктивні датчики:

а-якірний;

в - соленоїдний:

б - статична характеристика датчика;

г, д - відповідно реверсивні схеми вмикання якорного і соленоїдного датчика

Трансформаторні датчики - це різновидність індуктивнихдатчиків, принцип дії яких полягає в зміні взаємної індуктивності обмоток при переміщенні їх між собою або при переміщенні якоря датчика. Трансформаторні датчики є генераторними і діляться на дві групи залежно від способу вимірювання взаємної індуктивності: датчики з переміщуючим та поворотним якорем .

Рис. Трансформаторні датчики:

а, в - з рухомим якорем; б-з поворотним якорем; г, д - синусно-косинусний і лінійний обертовий трансформатори; е, ж - схеми вмикання датчиків трансформаторна та індикаторна

Магнітопружні датчики виготовляються у вигляді осердів різної форми з розміщеним на ній однієї або кількох обмоток.Принцип роботи - зміна магнітної проникності феромагнітного осердя під дією механічних сил, температури (магнітопружний ефект). Отже, під дією навантаження одночасне змінюється лінійні розміри осердя і магнітна проникність його.

 

 Рис. Магнітопружинні датчики:

а, б-з одною і двома обмотками; в -з пермалосвим проводом;

г, д -послідовна та диференціальна схеми вмикання датчиків

Індукційні датчики - це датчики генераторні. Принцип дії їх ґрунтується на явищі електромагнітної індукції - на веденні е.р.с. у контурі при зміні магнітного потоку Ф в ньому.

Індукційні датчики бувають двох типів: з котушкою, що лінійно X або під кутом V може переміщуватись відносно постійного магніту, і з феромагнітним осердям, що переміщується відносно

нерухомого магніту і котушки Точнішими індукційними датчиками є тахогенератори постійного струму - мініатюрні генератори постійного струму незалежного збудження від постійних магнітів або обмоток збудження. рис.

Рис.. Індукційні датчики: а -з рухомою коту шкою: б, в - тахогенератори постійного струму з збудженням від обмотки і постійних магнітів; г - тахогенератор змінного струму

Ємнісні датчики-конденсатори, віддаль між обкладинками яких площа змінюється під дією вхідної (регульованої) величини. Ємнісні датчики із змінним зазором служать для вимірювання лінійних переміщень з точністю 0,1-0,01 мкм, а датчики із змінною площею вимірюють лінійні та кутові переміщення. Для вимірювання рівня, вологості, температури тощо застосовують датчики із змінною діелектричною проникністю.

Рис. Ємнісні датчики: а і б - із змінним зазором між обкладками; 6, д, е - із змінною площею пластин; в - із змінною проникністю; ж, - мостова схеми вмикання датчиків

Оптичні (фотоелектричні) датчики  перетворюють світловий потік в електричний сигнал. Випускаються датчики - перетворювачі: вакуумні, газонаповнені, танапівпровідникові (рис.).

Рис. Фотоелектичні датчики:

а, б, в-із зовнішнім, внутрішнім, вентильним фотоефектом;

г - схема вмикання фототранзистора;

Розрізняють аналогові і дискретні оптичні датчики.

У аналогових датчиків вихідний сигнал зраджується пропорційно зовнішню освітленість. Основна область застосування – автоматизовані системи управління освітленням.

Датчики дискретного типу змінюють вихідний стан на протилежний досягши заданого значення освітленості.

Фотоелектричні датчики можуть бути застосовані практично у всіх галузях промисловості. Датчики дискретної дії використовуються як своєрідні безконтактні вимикачі для підрахунку, виявлення, позиціонування і інших задач на будь-якій технологічній лінії. Оптичний безконтактний датчик, реєструє зміну світлового потоку в контрольованій області, пов'язане із зміною положення в просторі яких-небудь частин механізмів і машин, відсутності або присутності об'єктів, що рухаються. Завдяки великим відстаням спрацьовування оптичні безконтактні датчики знайшли широке застосування в промисловості і не тільки. Оптичний безконтактний датчик складається з двох функціональних вузлів, приймача і випромінювача. Дані вузли можуть бути виконані як в одному корпусі, так і в різних корпусах.

По методу виявлення об'єкту фотоелектричні датчики підрозділяються на 4 групи:

1) перетин променя - в цьому методі передавач і приймач розділений по різних корпусах, що дозволяє встановлювати їх напроти один одного на робочій відстані. Принцип роботи заснований на тому, що передавач постійно посилає світловий промінь, який приймає приймач. Якщо світловий сигнал датчика припиняється, в слідстві перекриття стороннім об'єктом, приймач негайно реагує міняючи стан виходу.

2) віддзеркалення від рефлектора - в цьому методі приймач і передавач датчика знаходиться в одному корпусі. Напроти датчика встановлюється рефлектор (відбивач). Датчики з рефлектором влаштовані так, що завдяки поляризаційному фільтру вони сприймають віддзеркалення тільки від рефлектора. Це рефлектори, які працюють за принципом подвійного віддзеркалення. Вибір відповідного рефлектора визначається відстанню, що вимагається, і монтажними можливостями.

Посиланий передавачем світловий сигнал відображаючись від рефлектора потрапляє в приймач датчика. Якщо світловий сигнал припиняється, приймач негайно реагує, міняючи стан виходу.

3) віддзеркалення від об'єкту - в цьому методі приймач і передавач датчика знаходиться в одному корпусі. Під час робочого стану датчика всі об'єкти, потрапляючі в його робочу зону, стають своєрідними рефлекторами. Як тільки світловий промінь відобразившись від об'єкту потрапляє на приймач датчика, той негайно реагує, міняючи стан виходу.

4) фіксоване віддзеркалення від об'єкту -принцип дії датчика такої ж як і у "віддзеркалення від об'єкту" але більш чуйно реагуючий на відхилення від настройки на об'єкт. Наприклад, можливе детектування роздутої пробки на пляшці з кефіром, неповне наповнення вакуумної упаковки з продуктами і т.д.

По своєму призначенню фотодатчики діляться на дві основні групи: датчики загального застосування і спеціальні датчики. До спеціальних, відносяться типи датчиків, призначені для вирішення більш вузького круга задач. Наприклад, виявлення кольорової мітки на об'єкті, виявлення контрастної межі, наявність етикетки на прозорій упаковці і т.д.

 П'єзоелектричні датчики. Дія п'єзоелектричних датчиків заснована на використовуванні п'єзоелектричного ефекту (п'єзоефекту), полягаючого в том, що при стисненні або розтягуванні деяких кристалів на їх гранях з'являється електричний заряд, величина якого пропорційна діючій силі. П'єзоефект повернемо, тобто прикладена електрична напруга викликає деформацію п'єзоелектричного зразка - стиснення або розтягування його відповідно знаку прикладеної напруги. Це явище, зване зворотним п'єзоефектом, використовується для збудження і прийому акустичних коливань звукової і ультразвукової частоти. Використовуються для вимірювання сил, тиску, вібрації і т.д.

{youtube}VMF38DKD3_k{/youtube}

 {youtube}4828JZecZbU{/youtube}

4.Датчики температури.

Контроль теплових режимів роботи котлоагрегатів, сушильних установок, деяких вузлів тертя машин дозволяє отримати важливу інформацію, необхідну для управління роботою вказаних об’єктів. Датчики для вимірювання температури різних тіл, середовищ у своїй роботі використовують властивість речовин, матеріалів, що змінюються залежно від температури. Це може бути зміна об'єму, лінійних розмірів, термо-е.р.с, електропровідності тощо. Датчики температури можуть бути з механічними вихідними сигналами (тепломеханічні) та з електричними вихідними сигналами (теплоелектричні). У системах автоматики застосовують такі температурні датчики: контактні, біметалічні, термометри опору, напівпровідникові термоопори, термопари тощо.

Рис. Датчики температури: а - тєрмобіметачевий; б — тепломеханічний; в, д — термопари; г - схема вмикання термопари для вимірювання різниць температур; е, ж, і - терморезистори (шариковий, трубчастий, дисковий);і—харатеристики терморезисторів; к, л, м - відповідно нерсверсивна диференціачьна і мостова схеми вмикання тсрморезисторів

Тепломеханічні датчики використовуються в якості сприймаючих елементів, що перетворюють зміну фактичного значення регульо ваної температури в переміщення контактних пластин (контактів)

Так у термобіметалевому датчику органом, що вимірює, є спай з двох пластин металічних з різними температурними коефіцієнтами розширення. Одна з пластин нерухома, а друга при зміні температури пропорційно переміщується (згинається) Переміщення пластин датчика 0,1-0,15 мм на 1° зміни температури, діапазон вимірювання температури -60...+450°С.

З контактних термометрів поширені датчики, принцип дії яких грунтується на тепловому розширенні рідин та газів це рідинні і манометричні.

Рідинні датчики температур. Так, у колбі ртутного датчика розміщено два контакта: один з'єднаний з стовпчиком ртуті, інший - рухомий, розміщений зверху. Переміщення стовпчика ртуті пропорційно зміні температури спрацювання датчика. Таким чином, вхідною величиною в ньому є температура, а вихідною - висота стовпчика ртуті в колбі. Застосовується при температурі - 30...+100С. Крім таких датчиків застосовують датчики, де всередині колби з ртуттю розміщений резистор, індуктивність , ємність тощо, параметрияких змінюються пропорційно до зміни температури .

Манометричні датчики температур. Даний пристрій включає в себе чутливий елемент (термобалон) і показуючий прилад, які з’єднані капілярною трубкою і заповнені робочою речовиною. У залежності від агрегатного стану робочої речовини розрізнюють рідинні (ртуть, ксилол, спирти), газові (азот, гелій) і парові (насичена пара низькокиплячої рідини) манометричні термометри. Принцип дії заснований на зміні тиску робочої речовини в замкненій системі термометра в залежності від температури. Тиск робочої речовини фіксується манометричним елементом - трубчастою пружиною, що розкручується при підвищенні тиску в замкненій системі. У залежності від виду робочої речовини термометра межі вимірювання температури складають від – 50о до +1300оС. Прилади можуть оснащуватися сигнальними контактами, записуючим пристроєм.

Рис.  Датчики температури: а-д – рідинні; є, ж, з – манометричні.

 Терморезистори (термопари). Принцип дії заснований на властивості металів або напівпровідників (термістори) змінювати свій електричний опір із зміною температури. Чутливі металеві елементи виготовляють у вигляді дротяних котушок або спіралей в основному з двох металів - міді (для низьких температур до 180оС) і платини (від -250о до 1300оС), вміщених у металевий захисний кожух. Металічні терморезистори виготовляють з пластин міді, нікелю, вольфраму. Напівпровідникові терморезистори термістори, позістори конструктивно оформлені у вигляді напівпровідникового стержня або диска в корпусі з виводами. Поширені терморезистори мідно-марганцеві ММТ. Кобальтово марганцеві КМТ для температур від -203К до 523К, при чутливості в 5-30 разів вище металевих терморезисторів. Позистори як терморезистори з додатнім температурним коефіцієнтом у зоні додатніх температур різко збільшують опір до максимального його значення, а потім різко його зменшують. В області від'ємних температур опір позистора із збільшенням температури зменшується. Промисловість випускає позистори: СТ5-1, СТ6-1 А,СТ6-ЗБ та ін.

Термопари використовують для вимірювання температур у великих діапазонах і понад 1000 С звичайно застосовують термоелектричні термометри (термопари). Термопара - це спай двох різнорідних металічних провідників чи напівпровідників. Принцип дії термопар заснований на ефекті виникнення ЕРС постійного струму на вільних (холодних) кінцях двох різнорідних спаяних провідників (гарячий спай) за умови, що температура холодних кінців відрізняється від температури спаю. Величина ЕРС пропорційна різниці цих температур, а величина і діапазон температур, що вимірюються, залежать від матеріалу електродів. Як реєструючий прилад може використовуватися мілівольтметр з певним градуюванням або автоматичний міст постійного струму

Характеристика термопар

ТХК Хромель-копель - 50 - 600

ТХА Хромель-алюмель 0 – 1000

ТПП Платинородій-платина 0 - 1600

ТВМ Вольфрам-молібден 0 – 2000

Термоіндикатори – це особливі речовини, змінюючі свій колір під впливом температури. Зміна кольору може бути оборотною і необоротною. Проводяться у вигляді плівок.

Інфрачервоні датчики (пірометри) - використовують енергію випромінювання нагрітих тіл, що дозволяє виміряти температуру поверхні на відстані. Пірометри діляться на радіаційні, яскравість і колірні.  Радіаційні пірометри використовуються для вимірювання температури від 20 до 2500 0С, причому прилад виміряє інтегральну інтенсивність випромінювання реального об'єкту.  Пірометри яскравості (оптичні) використовуються для вимірювання температур від 500 до 4000 0С. Вони засновані на порівнянні у вузькій ділянці спектру яскравості досліджуваного об'єкту з яскравістю зразкового випромінювача (фотометричної лампи). Колірні пірометри засновані на вимірюванні відношення інтенсивності випромінювання на двох довжинах хвиль, вибираних звичайно в червоній або синій частині спектру; вони використовуються для вимірювання температури в діапазоні від 800 0С. Пірометри дозволяють виміряти температуру в труднодоступних місцях і температуру об'єктів, що рухаються, високі температури, де інші датчики вже не працюють.

Кварцові термоперетворювачі Для вимірювання температур від – 80 до 250 0С часто використовуються так звані кварцові термоперетворювачі, використовуючі залежність власної частоти кварцового елемента від температури. Робота даних датчиків заснована на тому, що залежність частоти перетворювача від температури і лінійність функції перетворення змінюються залежно від орієнтації зрізу щодо осей кристала кварцу. Дані датчики широко використовуються в цифрових термометрах.

5.Датчики тиску.

Прилади для вимірювання надмірного тиску називаються манометрами, або напоромірами, для вимірювання вакуумметричного тиску (нижче атмосферного, розрідження) -вакуумметрами, для одночасного вимірювання надлишкового і вакуумметричного тиску - мановакуумметрами.

Найбільш поширені датчики пружинного типу (деформаційні) з пружними чутливими елементами у вигляді манометричної пружини (рис.а), гнучкої мембрани (рис. б) і гнучкого сильфона.

Рис. Пружинні манометри: а – з трубчастою пружиною; б – з мембраною; 1 – чутливий елемент; 2 – індукційно-трансформаторний перетворювач.

Для передачі даних на реєструючий прилад у манометрах може бути вбудований переретво-рювач переміщення. На рисунку показано індукційно-трансформаторні перетворювачі (2), плунжери яких пов’язані з чутливими елементами (1 і 2). Прилади для вимірювання різниці двох тиску (перепаду) називаються диференціальними манометрами, або дифманометрами (рис). Тут тиск впливає на чутливий елемент з двох сторін, ці прилади мають два вхідних штуцери для подачібільшого (+Р) і меншого (- Р) тиску.

 

Рис.  Диференціальні манометри: а – мембранний; б – сильфонний; в – дзвоновий; 1 – чутливий елемент; 2 – трансформаторний перетворювач переміщення; 3 – феродинамічний перетворювач переміщення.

Дифманометри можна розділити на дві основні групи: рідинні і пружинні.

За видом чутливого елемента серед пружинних найбільш поширені мембранні (рис. а), сильфонні (рис. б), серед рідинних – дзвонові (рис. в).

Дзвонові дифманометри, у яких чутливим елементом є дзвін, частково занурений догори дном у трансформаторне масло, є найбільш чутливими. Вони застосовуються для вимірювання невеликих перепадів тиску, для контролю вакууму в топках сушильних і котельних установок.

Розглянуті дифманометри належать до безшкальних, реєстрація контрольованого параметра здійснюється вторинними приладами, на які надходить електричний сигнал від відповідних перетворювачів переміщення.

Датчики механічних зусиль. До них належать датчики, що містять пружний елемент і перетворювач переміщення, тензометричні, п’єзоелектричні і ряд інших .

 

Рис.  Датчики механічних зусиль: а – з пружним елементом і перетворювачем переміщення (ПП);б – тензометричний; в – п'єзометричний.

Зазначимо, що датчик з пружним елементом може працювати з вторинним приладом – компенсатором змінного струму, тензометричний датчик – з мостом змінного струму, п’єзоелектричний – з мостом постійного струму.

Тензометричний датчик являє собою підкладку, на яку наклеєно декілька витків тонкого проводу (спеціальний сплав), або металевої фольги. Датчик наклеюється на чутливий елемент, що сприймає навантаження F, з орієнтацією довгої осі датчика по лінії дії сили, що контролюється. Цим елементом може бути будь-яка конструкція, що знаходиться під впливом сили F і працює в межах пружної деформації. Цієї ж деформації зазнає і тензодатчик, при цьому провідник датчика довшає або скорочується по довгій осі його установки. Останнє приводить до зміни його опору за формулою R=ρl/S.

Для зважування залізничних вагонів, навантажених автомобілів вагова платформа (4) спирається на тензометричні блоки (5), що являють собою металеві опори з наклеєними тензометричними датчиками, які випробовують пружну деформацію, що залежить від маси об’єкта зважування.

6.Датчики контролю рівнів .

Засоби і схеми контролю рівнів середовищ класифікуються на безперервні (аналогові) і дискретні (релейні). Аналогові рівнеміри застосовуються при необхідності отримання безперервної інформації про поточне значення рівнів.

Дискретні рівнеміри контролюють фіксований (заданий) рівень середовища. Вид інформації про значення рівня в цьому випадку – оптична і звукова сигналізація.

За способом контролю рівнеміри класифікують.

Найчастіше застосовують рівнеміри: електродні, поплавкові, анометричні, п’єзометричні, ємнісні, радіоізотопні, фотометричні .

Електродні рівнеміри. Найчастіше використовуються для дискретного контролю рівнів сипких і рідких електропровіднихсередовищ.

Спрощена схема електродного рівнеміра подана на рис.: ДР - датчик рівня; ОБ - об'єкт контролю; Р1 - обмотка чутливого реле; Р2 - проміжне реле; Р1-1 і Р2-1 контакти реле, відповідно, Р1 і Р2.

Робота схеми проста. При досягненні кінцем датчика рівня (ДР) поверхні середовища виникає електричний ланцюг від джерела живлення U1, що спричиняє спрацювання реле Р1. Його контакт Р1-1, що при цьому замикається, подає живлення U2 на проміжне реле Р2, контакти якого (на схеміпоказано один) можуть використовуватися для сигналізації і блокування електричних ланцюгів управління приводами обладнання, наприклад, вимкнути конвеєр подачі матеріалу в бункер.

Поплавкові рівнеміри. Застосовуються для безперервного контролю рівнів в основному чистих рідин. Для реєстрації контрольованого рівня досить кінематично зв’язати переміщення поплавка з будь-яким перетворювачем переміщення і передати отриманий сигнал на вторинний прилад.

Манометричний рівнемір. Застосовується для безперервного контролю рівнів будь-яких рідких середовищ з відкритою поверхнею, включаючи пульпи і суспензії. Реалізує найбільш простий і надійний спосіб вимірювання рівня. Схема наведена на рис. Рівнемір складається з манометрної трубки (1), вміщеної в об’єкті на глибину необхідного для контролю рівня (h), диференціального манометра (ДМ) і реєстратора (вторинного приладу).

Дифманометр вимірює перепад тиску: ΔР = Р1-Р2,

де Р1 = Ратм+ ρgh; Р2=Ратм, відки ΔР = ρgh,

П’єзометричний рівнемір. Робота рівнеміра (рис.а) основана на вимірюванні тиску повітря, що продувається через шар рідини за допомогою п’єзометричної трубки. Цей тиск витрачається на подолання гідростатического тиску Р рідини: P = ρgh, де ρ – густина рідини; g – прискорення сили тяжіння; h –товщина шару рідини.Основний недолік даного рівнеміра – необхідність використання очищеного стисненого повітря.

 

Рис. Датчики рівня: а, б – мембранні; в – електродний; г – поплавковий.

 Ємнісний рівнемір. У основі роботи рівнеміра лежить вимірювання ємності конденсатора, утвореного зануреним у середовище електродом і середовищем, що безпосередньо контролюється. При зміні рівня рідини змінюється площа обкладки утвореного конденсатора, що супроводжується зміною ємності.Для рідких електропровідних середовищ застосовуються первинні перетворювачі з одним електродом , покритим ізоляційним шаром. Роль другого електрода відіграє контрольоване середовище. Для вимірювання рівня неелектропровідних середовищ використовується первинний перетворювач з двома неізольованими електродами. Вимірювання ємності і перетворення її в пропорційний зміні рівня вихідний сигнал здійснюється проміжним перетворювачем(Пр), що містить індуктивно-ємнісний міст.

Радіоізотопний рівнемір (гамма-реле). Призначений для дискретного контролю рівня твердих і рідких середовищ, наприклад, контроль заповнення бункерів, баків оборотної і технічної води тощо. Робота основана на тому, що гамма-випромінювання поглинається контрольованим середовищем значно більшою мірою, ніж речовиною, що знаходиться над нею.

Мікрохвильові датчики рівня.Принцип дії датчика заснований на зміні частоти радіосигналу, відображеного від об'єкту, що рухається. Це явище ("эффект Допплера") широко використовується в системах радіолокацій для дистанційного вимірювання швидкості. Об'єкт, що рухається, викликає появу електричного сигналу на виході мікрохвильового приемо-передаючого модуля.

7.Датчики контролю витрат та вологоміри.

Витратоміри змінного рівня. Витратоміри даного типу реалізовують відому залежність витрати рідини через отвір витоку, розташований у дні посудини, від рівня рідини. Найбільше поширення отримали витратоміри з пульпозливом, де контрольоване середовище витікає з допоміжної посудини (витратомірний бак) через калібровану щілину. Це так звані щілинні витратоміри.

 

Рис.. Щілинний витратомір: а – загальна схема; б – прямокутний пульпозлив; в – пропорціональний пульпозлив; 1 – живильний патрубок; 2 – витратомірний бак; 3 – перегородка заспокоювання; 4 - перегородка з щілиною витоку; ДР – датчик рівня; ВП – вторинний реєструючий прилад.

Витратоміри змінного перепаду тиску (ВЗПТ). Використовуються при контролі витрат рідких і газоподібних середовищ. Дозволяють вимірювати великі витрати середовищ при високому внутрішньому тиску в трубопроводах. Принцип роботи заснований на вимірюванні перепаду тиску, що виникає на спеціальному звужувальному пристрої, вміщеному в трубопроводі. Види звужувальних пристроїв показано на рис.

 

Рис. Види звужувальних пристроїв:

а – нормальна діафрагма; б – сопло; в – труба Вентурі; г – сегментна діафрагма. де p1, v1 – тиск і швидкість потоку до звужувального пристрою; p2, v2 – те ж після звужувального пристрою; ρ – густина середовища

Перепад тиску Δp – p1 – p2 виникає у відповідності іззаконом Бернуллі:

Витратоміри постійного перепаду тиску.

До даної групи відносять ротаметри і поршневі витратоміри (рис.) Рис.. Схема ротаметра (а) і поршневого витратоміра (б).

Тут при зміні витрати середовища змінюється прохідний перетин за рахунок переміщення робочого елемента вгору – поплавка в ротаметрах або поршня в поршневих витратомірах. Переміщення робочих елементів перетворюється в електричний сигнал за допомогою трансформаторних перетворювачів.

Електромагнітні витратоміри. Застосовуються для контролю великих витрат рідких електропровідних середовищ. У основі роботи лежить відомий закон електромагнітної індукції (закон Фарадея). Витратомір містить ділянку труби (1), виконану з немагнітного і неелектропровідного матеріалу, який пронизується магнітним полем (Н). У стовпчиках рідини (2), що перетинають магнітний потік з швидкістю V, наводиться ерс:

Ємнісні високочастотні вологоміри. Принцип дії вологомірів даної групи заснований на залежності діелектричної проникності матеріалу, що знаходиться у високочастотному електричному полі, від його вогкості. Як первинний датчик тут можуть використовуватися різні конструкції пристроїв типу електричних конденсаторів. Контрольований матеріал, діелектрична проникність якого залежить від його вологості, розташовують між обкладанинками конденсатора.

Чутливий елемент датчика (рис.) являє собою плоску чарунку з кільцевими (2) або прямокутними електродами, закріпленими на діелектричній основі (1), і має односторонній контакт з контрольованим матеріалом.

Вимірювальна система вологоміра містить коректуючу схему, що ліквідує чутливість вихідного сигналу перетворювача (Пр) до зміни активного опору контрольованого матеріалу. Як вимірювальний прилад (ВП) використано автоматичний потенціометр (вторинний прилад).