123615 (Первичные измерительные преобразователи в системах безопасности)

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Контрольная работа № 1

по первичным измерительным преобразователям в системах безопасности

2008

Контрольная работа № 1

Вопросы:

1. Датчики давления. Конструкция, схема включения, применение.

2. Структура первичных преобразователей. Радиоволновые извещатели охраны периметров.

Введение:

Мир датчиков чрезвычайно разнообразен: большое число измеряемых физических величин или параметров исследуемого объекта; разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразователей; разнообразие современных объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно-космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника и т.д. ракетно-космическая техника. объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикамров исследуемого объекта; разнообр).

Стремление получить больше информации от датчика (повысить его точность выше целесообразных пределов) неизбежно ведет либо к его крайней уязвимости и в результате – неработоспособности, либо к такому местному росту энтропии, что будет нарушен сам исследуемый процесс. Поэтому при проектировании датчиков применительно к конкретной измерительной задаче либо при выборе датчика из числа существующих должно быть достигнуто оптимальное соотношение между метрологическими и надежностными характеристиками датчика для данных условий измерений.

Сигнал от датчиков попадает на устройства обработки информации, после которых приобретает удобную для оператора форму, по которой можно судить о том или ином параметре исследуемого объекта.

В последние 10-15 лет устройства обработки информации развиваются достаточно интенсивно. Прежде всего, это связано с огромными успехами микроэлектроники, радиотехники, ЭВМ.

1) Давление является одной из основных величин, связанных с описанием поведения жидких и газообразных сред. Одна лишь энергетика потребляет большую часть выпускаемых промышленностью датчиков давления. В гидравлических, тепловых, ядерных и других энергетических установках необходим непрерывный контроль за давлением для обеспечения нормального режима работы, устранения риска разрыва стенок сосудов и трубопроводов и возникновения аварийных ситуаций.

Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением сигналов. Назначение датчиков – реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами.

В системах контроля технологических процессов датчики давления дают информацию о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла и других жидкостей, обеспечивающих надлежащее функционирование машин, механизмов и систем и протекание контролируемых процессов.

Давление – это физическая величина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхности тела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку. Оценивать величину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и в относительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того, результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двух разных давлений. Измерение давления может проводиться в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.

Все материалы можно разделить на твердые и жидкие среды. Под термином жидкая среда понимается все, что способно течь. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях.

Избыточное давление – давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае речь идет о вакууме. Давление называют относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным – когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение.

Современные датчики давления основаны на различных методах электрического преобразования входных параметров. Выпускаются миниатюрные тензорезисторные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные с монокристаллическим упругим элементом, использующие эффект Холла и другие датчики давления. На мировом рынке получили широкое распространение электрические датчики с переменным магнитным сопротивлением, конденсаторные датчики с переменной емкостью, виброчастотные преобразователи фирмы Foxboro, тензометрические датчики с использованием тонкопленочных или напыленных металлических резисторов, тензометрические преобразователи с полупроводниковыми тензорезисторами.

Сейчас одним из самых распространенных направлений построения датчиков давления является разработка интегральных тензорезисторных преобразователей с максимальным использованием достижений физики полупроводников и микроэлектронной технологии. Высокая чувствительность полупроводниковых тензорезисторов, применение монокристаллических материалов в упругих элементах тензорезисторных преобразователей, высокая стабильность и надежность, технологическая совместимость с интегральными микросхемами обработки сигнала, миниатюрные размеры полупроводниковых чувствительных элементов, возможность применения групповой технологии изготовления являются их основными достоинствами. Поэтому полупроводниковые преобразователи привлекают к себе внимание приборостроителей во всем мире.

В системе СИ единицей измерения давления является паскаль: 1 Па=1Н/м². Это значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по по­верхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической едини­цы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обознача­емая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении.

Для грубых оценок можно запомнить еще одно соотношение: 0.1 мм Н₂0 создает давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричел-ли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Иде­альное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической ат­мосферой:

1атм = 160торр = 101.325Па .

В системе единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как рsi. Для перевода рsi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:

1рsi = 6.89х10³ Па= 0.0703 атм.

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сиг­нал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сен­соры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления.

\/ои

U-образный датчик давления, за­полненный ртутью,

применяемый для из­мерения давления газов.

Такой датчик обычно калибруется на­прямую в торрах. К сожалению, просто­та является практически единственным его достоинством, потому что он обла­дает целым рядом существенных недо­статков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохой помехозащищен­ностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнением газа ртутны­ми парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и в качестве детек­тора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе при отсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строго горизонтальном его расположении.

Давление, приложенное к одно­му из концов трубки (например, левой), приводит к разбалансировке мостовой, схемы и появлению на ее выходе нену­левого сигнала. Чем выше давление в ле­вой части трубки, тем больше сопротив­ление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противополож­ного. Выходное напряжение пропорци­онально разности сопротивлений ΔR в двух плечах моста, незакороченных рту­тью участков провода.

Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются ме­ханическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего на­пряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спи­ральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мемб­раны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.

На рис. А показан сильфон, преобразующий давление в линейное пере­мещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в элек­трический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорци­ональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диамет­ру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

Рис. А

Стальной сильфон, используемый

в датчиках давления.

Рис. Б

Метал­лическая гофрирован­ная диафрагма, приме­няемая для преобразо­вания давления в ли­нейное перемещение.

На рис. Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линей­ное отклонение. Диафрагма, формиру­ющая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремни­евыми мебранами, методами микротех­нологий.

В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мем­брана) и детектор, выходной сигнал которого пропорцио­нален приложенной силе. Оба эти элемента могут быть из­готовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком дат­чике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэф­фициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение та­ких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их вы­ходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обла­дают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи темпера­турной компенсации.