ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
Они менее разнообразны, чем датчики температуры.
· Мембранный датчик (рис. 1). Емкость разделена эластичной волнистой мембраной. Контролируемое давление Р подается в нижнюю полость. Мембрана прогибается, ее центр соединен штоком с показывающей стрелкой, но может воздействовать и напреобразователь перемещения штока в электрический сигнал.
Рисунок 1 – Схема мембранного датчика давления
· Сильфонный датчик (рис. 2). Он представляет собой металлическую гармошку, внутрь которой подается контролируемое давление. При повышении давления гармошка растягивается, ее верхнее донышко связано к движком потенциометра R, что позволяет сформировать электрический сигнал, характеризующий измеряемое давление.
Рисунок 2 – Схема сильфонного датчика давления
ДАТЧИКИ УРОВНЯ
Рассмотрим несколько примеров датчиков уровня жидкостей и сыпучих материалов (непрерывных и позиционных).
Рисунок 3 –Датчики уровня жидкостей и сыпучих материалов
На рисунке 3 приведено насколько датчиков уровня жидкости и один датчик уровня сыпучих материалов. Дадим характеристику их принципа действия.
Поплавковый датчик с изменением уровня меняет свое положение по высоте.
Буйковый датчик не меняет своего положения, но с изменением уровня в соответствии с законом Архимеда меняется усилие, приложенное к чувствительному элементу (тензометрическому или пьезометрическому), изображенному сверху.
Электродный датчик представляет собой металлический стержень, закрепленный на стенке емкости на изолирующей подставке и включенный в электрическую цепь с источником напряжения ИН и катушкой реле К. Жидкость должна быть электропроводящей (что свойственно практически всем техническим жидкостям) и оказывается включенной в электрический контур. Если жидкость не касается электрода, реле выключено, если коснется – реле сработает. Такой датчик называется позиционным, т.к. дает сигнал об уровне типа да-нет.
Пневматический датчик представляет собой трубку, погруженную в емкость до дна. В трубку подается сжатый воздух, давление которого измеряется манометром. С повышением уровня увеличивается гидростатическое давление жидкости на нижнем срезе трубки, сопротивление выходу воздуха возрастает, и давление в трубке увеличивается, что показывает манометр.
Емкостной датчик использует принцип работы конденсатора и представляет собой металлический стержень, заключенный в изолирующий чулок. Стержень играет роль одной обкладки (пластины) конденсатора, а второй обкладкой (пластиной) является жидкость. Емкость конденсатора С определяется формулой:
C = έ F/ δ,
где έ – диэлектрическая проницаемость промежутка (материала чулка), F – площадь перекрытия пластин, δ – расстояние между пластинами (толщина чулка). От уровня жидкости зависит F, значит с изменением уровня жидкости меняется емкость датчика С, что можно использовать для формирования электрического сигнала.
Фотоэлектрический датчик используется для контроля уровня сыпучих материалов. Он состоит из источника света (ИС), формирующего сфокусированный луч, и фотоэлемента, расположенных на противоположных стенках емкости, куда подается сыпучий материал. Если уровень материала ниже луча, то фотоэлемент освещен, а если выше – то затемнен, что резко меняет характеристики последнего (у фоторезистора меняется его сопротивление). Это датчик тоже позиционный, как и электродный. Остальные датчики считаются непрерывными, т.к. при непрерывном изменении уровня их сигнал тоже меняется непрерывно.
ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ
Речь пойдет о датчиках влажности материалов. Контроль влажности воздуха здесь не рассматривается.
Кондуктометрический датчик
Рисунок 4 – Схема кондуктометрического датчика
Его принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления контролируемого материла от его влажности (чем больше влажность, тем меньше сопротивление). Он представляет собой два стальных ролика (сопротивление которых ничтожно), между которыми пропускается контролируемый материал. Датчик этот контактный и требует стабильного усилия прижима роликов.
Емкостной датчик
Рисунок 5 – Схема емкостного датчика влажности материала
Это конденсатор, между пластинами которого пропускается материал. В данном случае емкость конденсатора Схзависит от диэлектрической проницаемости материала, определяемой его влажностью (формула емкости конденсатора приведена выше при описании емкостного датчика уровня). Площадь пластин и расстояние между пластинами неизменны. Датчик бесконтактный, но требует в измерительной схеме напряжения повышенной частоты (1000 Гц) для обеспечения хорошей чувствительности к изменению влажности.
ДАТЧИКИ РАСХОДА
На рис. 6 приведены датчики расхода жидкости с сужающим устройством, с напорной трубкой, ротаметр и турбинный датчик. Первые два используют разность давлений, измеряемых двумя манометрами. При использовании сужающего устройства перед ним происходит торможение потока и давление повышается, а за ним происходит разгон потока и давление понижается. По разности давлений Р1 и Р2 можно судить о величине расхода.
При использовании напорной трубки, смотрящей навстречу потоку, давление в трубке будет больше, чем давление у стенки трубы. По разности давлений Р1 и Р2 можно также судить о величине расхода.
Ротаметр представляет собой конический участок трубы, по которой жидкость движется снизу вверх. В трубе помещен грузик, который зависает в потоке на уровне, зависящем от интенсивности потока.
Турбинный датчик в отличие от предыдущих измеряет количество прошедшей жидкости.
Рисунок 6 –Датчики расхода жидкостей
ДАТЧИКИ ВЯЗКОСТИ
В лабораторных условиях вязкость жидкости определяется по времени ее истечения через капилляр или по времени опускания шарика в цилиндре с жидкостью. В производственных условиях может использоваться следующее устройство - ротационный вискозиметр.
Рисунок 7 – Ротационный вискозиметр
Контролируемая жидкость залита в емкость 1. Неподвижный цилиндр 2 и цилиндр 3, вращающийся двигателем 4, перфорированные, что увеличивает их сцепляемость с жидкостью. При вращении цилиндра 3 возникает жидкостное трение, зависящее от вязкости жидкости. С увеличением вязкости повышается сопротивление вращению двигателя, при этом он потребляет больший ток, что фиксируется амперметром А. По измеренной величине тока можно судить о вязкости жидкости.
ДАТЧИКИ СКОРОСТИ
Скорость работы устройств обычно определяется частотой вращения приводных механизмов. Ее и необходимо измерять. Одним из датчиков скорости вращения является тахометр.
Рисунок 8 – Схема тахометра.
Тахометр представляет собой два груза, шарнирно прикрепленные к вращающемуся валу. На грузы действуют центробежные силы, зависящие от скорости ω вращения вала. Эти силы разводят грузы, сжимая пружину. Положение нижней втулки устройства относительно шкалы характеризует скорость (частоту) вращения вала. Это ручной измеритель.
В системах автоматизации скорость вращения механизмов измеряется тахогенераторами. Это малогабаритные и маломощные генераторы постоянного или переменного тока. Вырабатываемое ими напряжение зависит от частоты вращения их ротора, связанного с контролируемым валом механизма.
ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ
Рисунок 9 – Кондуктометрический датчик концентрации растворов.
Схема кондуктометрического датчика приведена на рис.9. Он представляет собой разъемный цилиндр 1 из изолятора, в который заключены четыре стальных кольцевых электрода 2. Контролируемая жидкость находится внутри цилиндра и контактирует с электродами. К верхнему и нижнему электродам подведено небольшое входное напряжение Uвх переменного (чтобы минимизировать эффект электролиза) тока. Ток протекает в жидкости и зависит от ее удельного сопротивления, которое определяется концентрацией раствора. Чем концентрация выше, тем удельное сопротивление меньше. С внутренних электродов снимается напряжение Uвых, зависящее от тока, а значит от концентрации раствора. Такой датчик способен измерять небольшие концентрации химикатов.
Для контроля больших концентраций используются плотномеры, принцип действия которых аналогичен принципу действия буйкового датчика уровня жидкости, рассмотренного выше, т.е. базируется на законе Архимеда, только в данном случае уровень жидкости должен быть неизменен, а выталкивающая силе, действующая на буек, будет зависеть от плотности жидкости, а значит, от концентрации растворенного химиката.