Первичные изм. преобразователи. Часть 2
.pdfодинакового размера которых разделены друг от друга перемычкой.
Он выдает при постоянной освещенности интенсивности дифференциальный сигнал, который в определенных границах пропорционален разности площадей поверхностей и служит для регистрации отклонений величины излучения от среднего положения при контурном управлении, путевым или угловым зондированием (развертка).
Вместе с источниками света и оптодатчиками работают оптические элементы связи и фотоячейки. С помощью фотоячеек, соответственно оптоэлектронных переключателей можно распознать наличие или отсутствие объекта. Опторефлексные датчики с высокой разрешающей способностью и скоростью служат для развертки цветной полосы телевизионной испытательной таблицы; их можно применять при оптическом контроле объектов, проверка факсимиле или образцов, а также для краевого зондирования (развертки) и измерения скорости. Специальными областями применения при этом являются: счет (на счетчиках) регистрация измерений сортировка, распознавание ошибок, измерение плотности и контроль наличности,
В печатающих устройствах и копировальных приборах их можно использовать для распознавания краев (кромок). Новостью в этой области являются фотоячейки, которые работают с определенным отражением. При этом рабочее пространство датчика пространственно ограничено, так что отражения от фона или от других не регистрируемых объектов не вызывает срабатывания рабочего механизма. Еще одной новостью являются оптоэлектронные датчики, светочувствительная поверхность (плоскость) которых разделена на квадраты, так что в зависимости от положения луча (потока лучей), падающего на поверхность, выдается различный выходной сигнал. Такой, так называемый позиционно-чувствительный датчик применяется, например, для считывания оптических плат (дисков) памяти, для выявления ошибки на синхродорожке и фокусирующего сигнала.
Позиционно-чувствительные фотодиоды выполняются в виде
10
подразделенных фотодиодов (дифференциальные или квадратные фотодиоды) и в виде полноповерхностных фотодиодов, при этом полноповерхностный диод работает на принципе латерального (бокового) фотоэффекта. Так,например,4-х квадрантный фотодатчик служит в качестве, приемника для оценочного блока лазерного устройства измерения прямолинейности. Здесь фотодатчик состоит из 4-х фотодиодов, работающих в перемещающихся 4-х блокируемых направлениях. В зависимости от места встречи лазерного луча с фотодатчиком получается позиционно-зависимые выходные сигналы. Изготавливают:- 4-х квадрантный фотодиод, линейноплоскостной диод.
С помощью оптоэлектронных датчиков можно регистрировать расстояния и угловые положения, получать число оборотов вращающихся элементов и направление их вращения, фиксировать состояние полноты наполнения для сыпучих веществ и жидкостей, сообщать о дыме и огне, измерять расходы, потоки и вращаемые моменты. Но также и светотехнические параметры - как, например, плотность освещения, а также тепловые распределения и обнаруженные излучения (в видимой и инфракрасной части спектра) - все это является полем деятельности оптических датчиков.
Размещение нескольких фотодиодов в одной строчке (ряду) или на одной плоскости приводит к созданию линейных, соответственно, плоских датчиков, которые имеют большое будущее в фотографии. Эти фотодатчики являются результатом современной крупной интеграции. Вместе с лучевыми делителями и фильтрами, соответственно полосовыми (ленточными) фильтрами они также позволяют делать цветные снимки. Интегральная сенсорная строчка (ФЕБ, завод «Телеэлектроника», ГДР) работает на 256 сенсорных элементах и включает в себя 2 зарядопередающих вентиля (логика), 2-х фазных аналоговых сдвигаемых регистра и компенсирующий (балансный) выходной усилитель. Компоновка с этим датчиком приводит к созданию сенсорно-стронной камеры, которая задумана для контрольно-
11
измерительных работ в промышленности и научных исследованиях. Камера предусмотрена для подключения к микрокомпьютеру (KI520). Максимальные размеры для фотодатчиков в настоящее время таковых 4096 сенсорных элементов для линейных датчиков и 800x800 датчиков для плоских датчиков. Фотодиодный линейный датчик с 4096 фотодиодами имеет длину 60 мм. Фотодиоды имеют межцентровое расстояние 15мм. Площадь одного фотодиода 15хI6 мм. Датчик служит для оценки изображений и получения длин в контрольной технике. Часть фотодиодов, на которые не падает свет, служат для компенсации темнового тока.
Принцип действия волнооптических датчиков опирается на тот факт, что на оптические передающие характеристики светопроводников такие, как, например, интенсивность света, время прохождения, фаза и направление поляризации передаваемого излучения оказывают влияние внешние причины, влияние на параметры светопередающих волокон, к которым относятся: изменения длины и температурные изменения стекловолокон, а также нагрузка давлением.
Автоматическая установка на резкость (автофокус), которая работает без механики, в автоматике обозначается системой (триангуляция в фиксированном состоянии). В качестве существенных компонент система содержит 2 жестких зеркала, призму, с нанесенным внешним зеркальным покрытием и одну строчку. Фиксированное зеркало находится точно под оптической осью объектива, 2-е зеркало может перемещаться по базовому пути. За каждым зеркалом находится линза, которая проецирует соответствующее изображение на строчку. При наличии объекта на расстоянии изображение отображается системой (зеркало) (линза) 1 и первые 50 точек (фотоэлементы) 250-точечной строчки, а системой 2 - на последние 50 точек. Если объект находится на более близком расстоянии, то он отображается системой 1 снова на первые 50 точек. Образец от системы 2 появляется вследствие смещения 2-го зеркала дальше, во внутрь, в виде сдвинутого изображения в пределах, скажем, 200 точек. Оба изображения
12
шириной, например, 50 точек сравниваются друг с другом, и из сравнения получается сдвиг в виде меры удаленности объекта. Для этого используется число тактовых импульсов, необходимых для сдвига зарядов по строчке. Результат сравнения управляет двигателем объектива. Строчка имеет длину 4мм и содержит 250 точек (фотодиодов = сенсорных элементов).
С помощью специальных оптоэлектроных датчиков работает система Визитроник, которая также использует трансляционное измерение удаленности объекта. Датчики подразделяются соответственно на 4 сектора, так что получается 2x4 выходных напряжений, которые даже обрабатываются в матричной форме. Датчики вместе с интегральной схемой занимают площадь 2,5х6мм. Поворотное зеркало сигнала устанавливается на расстояние "х". Для поиска оптимальной резкости двигатель смещает его непрерывно в более близкую область до тех пор, пока не наступит совпадения обоих изображений и тогда не появляется максимальное напряжение на выходе. Объектив при этом перемещении имеет механическую связь. С помощью фотодетекторных пар работает автоматическая фокусирующая система (через камерные линзы), которая может применяться также для однообъективных зеркальных фотокамер и позволяет смену объективов. Ключевым компонентом является кремниевая стружка (на субстректе) со сдвинутым регистром, который располагается рядом с 24-я фотодетекторными парами. Свет на эти действующие пары подается через ряд, состоящий из 24 микролинз (диаметр 100мм). Линзы размещаются с точностью 5 и связаны со стружкой. Через зеркальную систему часть света подается на стружку. Система работает на сравнении и согласовании (совмещении) двух световых изображений из двух различных секторов выходного отверстия объектива. Сенсорная стружка дает через световые диоды информацию о том, как изменить положение объектива или же включает программу на фокусную автоматику с микропроцессорным управлением.
Преобразователи для измерения температуры относятся к классу
13
термоэлектрических преобразователей. В учебном пособии рассмотрены платиновые термометры сопротивления, термисторы, полупроводниковые преобразователи температуры и термопары. Для измерения температуры тела без непосредственного контакта с ним рассмотрены методы и приборы пирометрии.
Пирометрия (от греч. pýr — огонь), группа методов измерения температуры. Раньше к пирометрии относили все методы измерения температуры, превышающей предельную для ртутных термометров. С 60-х годов XX века к пирометрии всё чаще относят лишь оптические методы, в частности, основанные на применении пирометров, и не включают в неё методы, в которых применяются термометры сопротивления, термоэлектрические термометры с термопарами, и ряд др. методов. Почти все оптические методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения (иногда — поглощения) тел. Интенсивность теплового излучения сильно зависит от температуры Т тел и очень резко убывает с её уменьшением. Поэтому методы пирометрии применяют для измерения относительно высоких температур (например, серийным радиационным пирометром от 200 ° С и выше). При Т £ 1000 ° С методы пирометрии играют в целом второстепенную роль, но при Т > 1000 ° С они становятся главными, а при Т > 3000 ° С — практически единственными методами измерения Т Методами пирометрии в промышленных и лабораторных условиях определяют температуру в печах и др. нагревательных установках, температуру расплавленных металлов и изделий из них (проката и т.п.), температуру пламён, нагретых газов, плазмы.
Методы пирометрии не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется, и поэтому могут применяться для измерения очень высоких температур. Основное условие применимости методов пирометрии— излучение тела должно быть чисто тепловым, т. е. оно должно подчиняться закону излучения Кирхгофа. Твёрдые тела и жидкости при высоких температурах обычно удовлетворяют
14
этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима специальная проверка для каждого нового объекта или новых физических условий. Так, излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют распределению Максвелла, заселённости возбуждённых уровней энергии соответствуют закону Больцмана, а диссоциация и ионизация определяются: действующих масс законом, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы называется термически равновесным. Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы и в линейчатом, и в сплошном спектрах однозначно определяется её химическим составом, давлением, атомными константами и равновесной температурой. Если плазма неоднородна, то даже при повсеместном выполнении условий термического равновесия её излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае методы пирометрии применимы лишь к источникам света, обладающим осевой симметрией.
Измерения наиболее просты для твёрдых тел и жидкостей, спектр излучения которых чисто сплошной. В этом случае измерения температуры осуществляют пирометрами, действие которых основано на законах излучения абсолютно чёрного тела. Обычно поверхности исследуемого тела придают форму полости, чтобы коэффициент поглощения был близок к единице (оптические свойства такого тела близки к свойствам абсолютно чёрного тела).
Наиболее универсальны методы пирометрии, основанные на измерении интенсивностей спектральных линий. Они обеспечивают максимальную точность, если известны абсолютная вероятность соответствующего перехода и концентрация атомов данного сорта. Если же концентрация атомов не известна с достаточной точностью, применяют метод относительных интенсивностей, в котором температуру вычисляют по отношению интенсивностей двух (или нескольких) спектральных линий.
15
Варианты этих методов разработаны для измерения температуры как оптически тонких слоев плазмы, так и оптически толстых.
В другой группе методов пирометрии температура определяется по форме или ширине спектральных линий, которые зависят от температуры либо непосредственно благодаря эффекту Доплера, либо косвенно — благодаря эффекту Штарка и зависимости плотности плазмы от температуры. В некоторых методах температура определяется по абсолютной или относительной интенсивности сплошного спектра («континуума»). Особое значение имеют методы определения температуры по спектру рассеянного плазмой излучения лазера, позволяющие исследовать неоднородную плазму. К недостаткам методов пирометрии следует отнести трудоёмкость измерений, сложность интерпретации результатов, невысокую точность (например, погрешности измерений температуры плазмы в лучших случаях оказываются не ниже 3—10%).
Применение методов пирометрии для исследования неравновесной плазмы даёт ценную информацию о её состоянии, хотя понятие температуры
вэтом случае неприменимо.
Впоследнее десятилетие в нашей стране резко сократились затраты на обновление парка энергетического оборудования, что привело к увеличению числа техногенных катастроф, снижению качества поставляемого тепла и электроэнергии, повышению затрат на их производство. Поэтому вопросы диагностики оборудования и своевременного прогнозирования аварийных ситуаций становятся все более актуальными.
Одним из широко распространенных методов диагностики энергетического оборудования является тепловой метод неразрушающего контроля (ТМНК) с использованием тепловизоров и пирометров. Данный метод позволяет проводить диагностику энергетических объектов без отключения электроэнергии, в реальных условиях эксплуатации и бесконтактно, что существенно повышает экономическую целесообразность, достоверность и безопасность для персонала.
16
Перспективным направлением диагностики энергооборудования является тепловой метод. Пирометрические приборы имеют такую же инструментальную погрешность измерения температур, что и тепловизионные. При измерении температуры с помощью пирометра прибор настраивается коэффициент теплового излучения (КИ) конкретного объекта, что снижает методическую погрешность измерений по сравнению с тепловизионным методом. Приборы просты в эксплуатации, дешевы, надежны, имеют малые габариты и вес.
Использование пирометрического метода позволяет проводить практически ежедневный контроль оборудования дежурным персоналом, в то время как рекомендуемый срок повторной диагностики при тепловизионном контроле составляет год. Однако отсутствие методического сопровождения и использование приборов с техническими характеристиками, не соответствующими условиям измерения, приводит к неэффективному применению данного метода. Необходимость в определении дефектов энергетических объектов с перепадами температур в десятые доли градуса предъявляет более высокие требования к инструментальной погрешности пирометров.
Радиационный метод измерения температур, основанный на измерении лучистой энергии, испускаемой нагретым телом, находит все большее применение в различных областях науки и техники.
Выгодность применения метода радиационной пирометрии, там где это возможно, заключается в том, что он позволяет за сравнительно короткое время получить полную картину распределения температур на всем интересующем нас объекте излучения.
При рассмотрении проволочных преобразователей автор ограничился реостатными датчиками для измерения угла поворота и линейных перемещений. Для измерения механических деформаций отдельно рассмотрим тензометр.
Значительное место в учебном пособии занимают электромагнитные
17
преобразователи. Рассмотрены индукционные датчики, в которых для преобразования механических колебаний используется явление электромагнитной индукции. Индукционные датчики используются с поступательным или вращательным движением катушек или магнитов, а также с подвижным кольцом или якорем. Во всех этих датчиках ЭДС пропорциональна скорости перемещения.
Отдельным разделом рассмотрены индуктивные датчики, в которых изменение сопротивления магнитопровода осуществляется при изменении величины воздушного зазора магнитной цепи или магнитной проницаемости железного сердечника, входящего в магнитную цепь. Индуктивные датчики рассмотрены с переменным воздушным зазором, с подвижным железным сердечником, магнитоупругие, магнитострикционные и основанные на вихревых токах.
Кратко рассмотрены основные принципы работы электромеханических датчиков и датчиков, в которых в качестве ионизирующих аспектов используются лучи радиоактивных веществ (α-, β-, γ-излучение), а также рентгеновское излучение.
Значительное место в учебном пособии отведено первичным преобразователям на основе перепада давления и измерителям давления. Рассмотрены преобразователи для измерения расхода потока (расходомеры) и преобразователи для измерения давления. Измерители перепада давления анализируется двух типов – с электрическим и пневматическим входными сигналами.
В целом учебно-методическое пособие «Первичные преобразователи» составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины.
Изложение материала является доступным для самостоятельного усвоения студентами, владеющими объемом знаний, полученных при изучении общеобразовательных и технических дисциплин.
18
ГЛАВА 1. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Преобразователи для измерения оптических величин относят иногда к датчикам или детекторам. Для уточнения их называют еще инфракрасными, ультрафиолетовыми или световыми датчиками или детекторами. Иногда используют термины фотодатчик, фотодетектор или оптоэлектронный прибор, но они являются производными для оптических измерительных преобразователей и не дают представления о том, на какой длине волны производятся измерения.
Оптические измерительные преобразователи можно разделить на две основные категории: фотонные детекторы (термин происходит от первоначального – фотодатчик) и термодетекторы.
1.1. Общие принципы работы фотонных детекторов
Основные принципы работы фотонных детекторов показаны на рис.1.1.1. Фотопроводящий чувствительный элемент (рис.1.1.1, а)
выполняется из полупроводникового материала, у которого сопротивление изменяется пропорционально освещенности. Падающая на него световая энергия (энергия фотонов) поглощается полупроводником, производя в нем изменение числа носителей заряда и соответственно изменяя его сопротивление.
Фотодиоды (рис.1.1.1, б) и фототранзисторы (рис.1.1.1, в) являются примерами фотопроводящих переходных датчиков, где фотопроводящий полупроводник используется в переходе диода или триода. Одним из вариантов таких преобразователей служит pin-диод, название которого произошло от того факта, что он является переходом между полупроводниками р- и n-типов с разделяющим слоем чистого или беспримесного полупроводника (рис.1.1.1, г).
Фотоизлучающие датчики излучают электроны, когда фотоны попадают
19