Первичные измерительные преобразователи в системах безопасности
На
рис. 5 показана конструкция ПМС датчика давления, в котором между двумя
половинами корпуса, состоящих из катушки и Е-образного сердечника, размещается
магнитно проницаемая диафрагма. Катушки покрыты специальным составом,
обеспечивающим прочность системы даже при воздействии очень высоких давлений. С
двух сторон диафрагмы сформированы узкие рабочие камеры, соединенные с входными
портами подачи давления. Рабочий диапазон датчика определяется толщиной
диафрагмы, однако полное отклонение диафрагмы редко превышает 25...30 мкм,
потому такие преобразователи, в основном, применяются для измерения низких
давлений. Небольшие поперечные размеры рабочих камер физически защищают
мембрану от чрезмерного отклонения в условиях избыточного давления, поэтому
ПМС датчики являются достаточно надежными устройствами. При подаче переменного
тока возбуждения возникает магнитный поток, захватывающий оба сердечника,
воздушные зазоры и диафрагму. Таким образом, в состав датчика входят два
индуктивных элемента, являющихся плечами мостовой схемы (рис. 4Б). Когда на
диафрагму действует дифференциальное давление, она отклоняется в ту или другую
сторону, что приводит к пропорциональному изменению магнитного сопротивления
двух воздушных зазоров. Даже небольшое давление на диафрагму приводит к
значительному изменению выходного сигнала, намного превышающему уровень шума.
(Б)
Рис. 4. Датчик измерения давления по переменному магнитному сопротивлению: А —
основной принцип действия, Б — эквивалентная схема.
Рис. 5. Конструкция ПМС датчика
для измерения низкого давления: А — схема сборки датчика. Б — устройство
датчика
При
измерении низких давлений или когда для повышения динамического диапазона
применяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения и
точности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В дополнение
к этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и некоторых
емкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует использования
дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические методы измерений
обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления:
простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей
способностью и высокой точностью. Особенно перспективными являются
оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света.
Такие преобразователи используют принцип измерения малых перемещений
Фабри-Перо. На рис. 6 показана упрощенная схема одного из таких датчиков.
Рис. 6. Схема
оптоэлектронного
датчика давления, использующего принцип интерференции света.
В
состав датчика входят следующие компоненты: пассивный кристалл оптического
преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремниевой подложке;
светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Детектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых
пристроены оптические фильтры Фабри-Перо, имеющие небольшую разницу по
толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от
передней поверхности, покрытые слоем из SiO2 на поверхность которых нанесен тонкий слой А1. Оптический преобразователь
похож на емкостной датчик давления, за исключением того, что в нем конденсатор
заменен на интерферометр Фабри-Перо, используемый для измерения отклонения
диафрагмы. Диафрагма, сформированная методом травления в подложке из
монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону
стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной
пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок.
Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным зазором
w, в состав которого входят: подвижное
зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении
давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной
пластине. Поскольку величина w связана с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны
отраженного излучения меняется при изменении давления. Принцип действия
датчика основан на измерении модуляции длины волны, получаемой от сложения
падающих и отраженных излучений. Частота периодического интерференционного
сигнала определяется шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен 1/2 w.
Детектор
работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален
приложенному давлению. Он является оптическим компаратором, сравнивающим
высоту рабочей камеры датчика давления и толщину виртуальной камеры,
сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размеры
этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления
происходит косинусная модуляция фототока с периодом, соответствующим половине
средней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется в
качестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света,
поступающего на детектор. Его выходное напряжение применяется при последующей
обработке сигналов для получения нормированных результатов измерений.
Поскольку рассматриваемый датчик давления является нелинейным, он обычно встраивается
в микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции его
линеаризации. Аналогичные оптические датчики давления реализуются на основе
оптоволоконных световодов. Такие датчики незаменимы при проведении измерений в
труднодоступных зонах, где использование ВЧ интерферометров невозможно. При
производстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компонентов,
а также в ходе проведения химических и других технологических процессов бывает
необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и
при проведении некоторых научных экспериментов, например, в космических
исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но,
как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия давления
газов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом пространстве
нет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя.
Вакуум
можно измерять и традиционными датчиками, при этом будут регистрироваться
отрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это очень
неэффективный подход. Обычные датчики давления не могут определять очень
низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие от
традиционных датчиков давления измерители вакуума работают на совершенно других
принципах, которые основываются на некоторых физических свойствах молекул
газов и заключаются в определении числа молекул в заданном объеме. К таким
физическим свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие.
В этом разделе будут даны краткие описания самых популярных датчиков давления,
используемых для измерения вакуума.
Вакууметры
Пирани — это датчики, измеряющие давление по теплопроводности газа. Этот тип
измерителей вакуума был разработан первым. В конструкцию самого простого
датчика Пирани входит нагреваемая пластина. Измерение вакуума заключается в
определении количества тепла, теряемого этой пластиной, которое зависит от
давления газа. Существует несколько конструкций датчиков Пирани, используемых
в вакуумной технике. В состав некоторых из них входят две пластины,
находящиеся при разных температурах. В таких датчиках давление газа
определяется по количеству энергии, затраченной на нагрев пластин. Другие
датчики используют только одну пластину, при этом теплопроводность газа
измеряется по величине теплопотерь в окружающие стенки. Для измерения
температуры в состав датчиков обычно входят либо термопары, либо платиновые
терморезисторы.
Рис.
7. Вакууметр Пирани с термисторами с ОТК, работающими в режиме саморазогрева.
На
рис. 7 показан дифференциальный вакууметр Пирани. Камера датчика разделена на
две идентичные секции. В одной из секций газ находится при эталонном давлении
(например, при 1 атм =760 торр), а вторая расположена в вакуумной камере,
давление в которой необходимо измерить. В каждой камере есть нагреваемая
пластина, которая для уменьшения кондуктивной теплопередачи через окружающие
твердые предметы подвешена на очень тонких соединительных элементах.
Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, для
того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем
симметричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитные
теплопотери. Пластины нагреваются при помощи электрических нагревателей. В
рассматриваемом датчике нагревательным элементом является термистор с отрицательным
температурным коэффициентом (ОТК). Сопротивления термисторов равны и имеют
сравнительно низкий номинал, поэтому в них возможно протекание процесса
саморазогрева Джоуля.
Ионизационные датчики напоминают вакуумные лампы, используемые в качестве
усилителей в старых радиоприемниках. Ток ионов между пластиной и нитью
накаливания почти линейно зависит от плотности молекул (давления). Лампы
вакуумных датчиков имеют обратное включение: на сетку подается высокое
положительное напряжение, а пластина подсоединяется к низкому отрицательному
напряжению. Выходным сигналом ионизационного датчика является ток ионов ip, снимаемый с пластины,
пропорциональный давлению и току электронов ig на сетке. В настоящее время
используется усовершенствованная модель этого датчика, называемая измерителем
Баярда-Алперта. Он обладает большей чувствительностью и стабильностью и может
измерять более низкие давления. Его принцип действия аналогичен предыдущему
датчику, но измеритель Баярда-Алперта имеет другую конструкцию, в нем пластина
заменена на провод, окруженный сеткой, а нить накаливания катода вынесена
наружу (рис. 8Б).
Рис. 8. Ионизационный вакуумный
датчик (А), измеритель Баярда-Алперта (Б), датчик газового сопротивления (В).
При
столкновении молекул газа с подвижным объектом, они теряют свою энергию. В
этом заключена основная идея датчика с вращающимся ротором. В рассматриваемом
датчике (рис. 8В) маленький стальной шарик диаметром 4.5 мм при помощи магнитов удерживается в подвешенном состоянии внутри вакуумной камеры и при этом
вращается с частотой 400 Гц. Магнитный момент шарика индуцирует напряжение в
расположенных по бокам чувствительных катушках. Молекулы газов, сталкиваясь с
шариком, замедляют его скорость вращения.
2) Приборы и средства
автоматизации подразделяют на измерительные и преобразующие приборы,
регулирующие органы и исполнительные механизмы. Измерительное устройство, в
общем случае, состоит из первичного, промежуточного и передающего измерительных
преобразователей.
Первичным
измерительным преобразователем (или сокращенно первичным преобразователем)
называется элемент измерительного устройства, к которому подведена измеряемая
величина. Первичный преобразователь занимает первое место в измерительной цепи
(канале измерения). Примерами первичных измерительных преобразователей могут
служить: преобразователь термоэлектрический (термопара), сужающее устройство
для измерения расхода и т. п. Первичные измерительные преобразователи часто
называют датчиками.
Промежуточным
измерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем)
называется элемент измерительного устройства, занимающий в измерительной цепи
место после первичного преобразователя. Основное назначение промежуточного
преобразователя — преобразование выходного сигнала первичного измерительного
преобразователя в форму, удобную для последующего преобразования в сигнал
измерительной информации для дистанционной передачи. Примером промежуточного
измерительного преобразователя может служить мембранный блок дифманометра -
расходомера. В измерительной цепи измерения расхода он занимает место
непосредственно после сужающего устройства и преобразует перепад давления на
сужающем устройстве в соответствующее перемещение мембраны мембранного блока и
связанной с нею механической системой прибора.
Передающим
измерительным преобразователем (или сокращенно передающим преобразователем)
называется элемент измерительного устройства, предназначенный для дистанционной
передачи сигнала измерительной информации. Примером передающего преобразователя
могут служить разные электрические или пневматические преобразователи,
встраиваемые в дифманометры - расходомеры. С их помощью, например, перемещение
мембраны, изменяющее положение сердечника дифференциального трансформатора
дифманометра, преобразуется в выходной унифицированный сигнал постоянного тока
0—5 мА (электрический преобразователь) или перемещение гармониковых сильфонов
дифманометра в унифицированный выходной пневматический сигнал 0,02—0,1 МПа
(пневматический преобразователь) для дистанционной передачи измерительной
информации. Приборостроительной промышленностью выпускаются устройства,
объединяющие в себе функции первичного, промежуточного и передающего
преобразователей в различных сочетаниях. Так, бесшкальные манометры и
дифманометры выпускаются со встроенными преобразователями для дистанционной
передачи показаний. Эти приборы сочетают в себе функции промежуточного и
передающего преобразователей. Кроме того, в различных измерительных схемах одни
и те же элементы могут выполнять различные функции преобразования измеряемой
величины. Если имеется измерительная цепь преобразователь термоэлектрический
(термопара) — линия связи — милливольтметр, то преобразователь
термоэлектрический выполняет функции первичного, промежуточного и передающего
преобразователей. Если в качестве вторичного прибора используется потенциометр,
с унифицированным входным сигналом 0—5 мА, то сигнал с преобразователя
термоэлектрического поступает сначала на преобразователь, преобразующий
значение измеряемой величины, выраженное в милливольтах, в соответствующее
значение, выраженное в миллиамперах постоянного тока. В этом случае термопреобразователь
термоэлектрический выполняет функции только первичного преобразователя. К
первичным преобразователям также относятся отборные и приемные устройства. Под
отборными и приемными устройствами понимают устройства, встраиваемые в
технологические аппараты и трубопроводы для отбора контролируемой среды и
измерения ее параметров. Примерами таких устройств могут служить устройства
отбора давления в аппарате или трубопроводе, устройства отбора среды для
определения, например, ее концентрации, щелочности и др.
Первичные
измерительные устройства могут встраиваться в технологические аппараты и
трубопроводы с помощью дополнительных устройств: бобышек, карманов,
расширителей и т. п. Ряд приемных устройств по своей конструкции и принципу
действия не требует непосредственного контактирования с измеряемой средой
(радиоактивные устройства, коллиматоры, видеоприемные устройства и т. п.). Их
изображают на схемах в непосредственной близости от объекта измерения.
Измерительным
прибором называется средство измерения, предназначенное для выработки сигнала
измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия
наблюдателем. Измерительные приборы могут иметь различные функциональные
отличия. Они могут быть показывающими, регистрирующими, самопишущими, интегрирующими
и т. д. Кроме того, в них могут быть встроены регулирующие, преобразующие и
сигнализирующие устройства. В связи с этим условные обозначения приборов и
преобразующих устройств состоят из основного условного изображения прибора или
устройства и вписываемых в него обозначений контролируемых и регулируемых
величин, а также их функциональных признаков. Регулирующие органы по
конструкции представляют собой устройства, монтируемые непосредствено в
технологические трубопроводы. Это различные клапаны, заслонки, шиберы и т. п.
Управление регулирующими органами осуществляется исполнительными механизмами,
выполняющими функции их приводов. Исполнительные механизмы в отличие от
регулирующих органов представляют собой относительно сложные многоэлементные
устройства. Они отличаются друг от друга принципом действия, техническими и
эксплуатационными характеристиками, а также конструктивными особенностями. По
роду используемой энергии исполнительные механизмы подразделяются на
гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.
Радиоволновые
извещатели
Радиоволновые
извещатели применяются для охраны объемов закрытых помещений, внутренних и
внешних периметров, отдельных предметов и строительных конструкций. Эти
извещатели формируют извещение о проникновении нарушителя при возмущении поля
электромагнитных волн СВЧ диапазона, что вызывается движением нарушителя в зоне
обнаружения.
Для
обеспечения устойчивой работы радиоволновых извещателей нельзя устанавливать
извещатели на токопроводящие конструкции (металлические балки, сырую кирпичную
кладку и т. п.), так как между извещателем и источником питания возникает
двойной контур заземления, что может стать причиной ложного срабатывания
извещателя. Следует вынести за пределы зоны обнаружения колеблющиеся и
движущиеся предметы, имеющие значительную отражающую поверхность, а также
крупногабаритные предметы, способные создавать «мертвые» зоны, или сформировать
зону обнаружения так, чтобы эти предметы в нее не попадали. Также необходимо
следить за тем, чтобы не было вибраций арматуры, светильников, мигания или
других переходных процессов в лампах, которые обычно возникают перед
возникновением неисправности лампы; не ориентировать извещатель на оконные
проемы, тонкие стены и перегородки, за которыми в период охраны возможно
движение крупногабаритных предметов; не применять извещатели на объектах,
вблизи которых расположены мощные радиопередающие средства.
Извещатель
охранный объемный
радиоволновый
ИО
407-3А "Волна М"
ТУ
- ТУ 25-7728.0001-88
Код
ОКП - 43 7215 3003
Страницы: 1, 2, 3
|
|