2.4. Фізичний принцип дії датчиків

Методи ВП (за фізичним явищем, що використовується у перетворенні): термоелектричні, оптоелектричні, акустоелектричні, п’єзоелектричні, електромагнітні, магнітоелектричні.

1) Ємнісні перетворювачі: зміна вхідної величини – зміна С – напруга.

, де ε – діелектрична проникливість діелектрика, А – площа кожної пластини, х –відстань між пластинами. Величини ε, А, х – залежать від вологості, температури, переміщення.

Матриці ємнісних датчиків. чутливі до зовнішніх об’єктів на відстанях 10-15 мм.

2) Іонізаційні перетворювачі. В газі, рідині або твердому тілі при дії іонізуючого випромінювання виникає струм іонізації між електродами.

3) Електромагнітні перетворювачі. Провідник рухається у магнітному полі, тому генеруються електрорушійна сила (ерс). (мікрофони)

4) Електромеханічні перетворювачі (механічний контакт, що керується зовнішнім впливом – біметалічна пластинка), вимикачі – замикання і розмикання контакту

5) Магнітні, ВП на ефекті Холла. Через напівпровідник, розміщений в магнітному полі, пропускають електричний струм. При цьому в поперечному напрямі до магнітного поля і струму виникає різниця потенціалів, яка пропорційна до напруженості магнітного поля (в магнітному полі розділяються електрони та дірки).

6) П’єзоелектричні перетворювачі. Механічна сила приводить до виникнення електричної напруги. П’єзоелектричні матеріали: природні (кварц); синтетичні (сульфат літія).

7) Резистивні ВП. Засновані на зміні опору певної області під дією зовнішньої дії (нагрівання, освітлення, вологість, деформація): Терморезистори. Фотопровідні перетворювачі (фоторезистори). Опромінення світлом приводить до зміни опору резистора (Se, CdS, CdTe)

8) Термоелектричні, ВП на основі термоелектричного ефекту.

9) Фотоелектричні перетворювачі (фотодіоди), засновані на явищі зовнішнього або внутрішнього фотоефекту, реагують на ІЧ, видиме, УФ, Х та γ випромінювання (генерується напруга). ПЗЗ – матриці

2.5. Області використання датчиків

Більшість датчиків з перетворювачем, що використовуються в системах керування, генерують аналоговий сигнал. Як правило, при керуванні вимірюються наступні фізичні величини:

• Електричні і магнітні характеристики

• Параметри переміщення

• Сила, момент і тиск

• Температура

• Рівень заповнення ємкості, Витрачання

• Щільність, в’язкість, консистенція

• Концентрація (газу, рідини, розчинених і зважених речовин)

• Хімічна чи біохімічна активність

2.5.1. Вимірювання температури

Велика кількість процесів регулюються температурою, наприклад:

• регулювання опалення на основі вимірювання температури теплоносія на вході і на виході, а також температури в приміщенні і зовнішньої температури;

• регулювання температури води в пральній машині;

• регулювання температури електропраски, електроплитки, духовки, тощо.

Шляхом виміру температури можна посередньо визначити і інші параметри, наприклад потік, рівень, тощо. При використанні такого роду датчиків температура вимірюється, як правило, на основі залежності електричного опору від температури. В залежності від того, зростає чи знижується електроопір датчика при зростанні температури, розрізняють напівпровідникові датчики відповідно з позитивним чи негативним температурним коефіцієнтом опору (ТКС).

При вимірюванні температури є два варіанти взаємодії датчика з об’єктом:

1. термометрична взаємодія, тепло від об’єкта передається датчику через середовище шляхом теплопровідності або конвекції.

2. тепло передається через випромінювання (радіаційна пірометрія).

Залежність властивостей багатьох матеріалів від температури не завжди являється недоліком – з таких матеріалів виготовлюються датчики температури. Конструкція вибирається таким чином, щоб підсилити температурну залежність якої-небудь електричної характеристики. Ця залежність, як правило, являється нелінійною, що утворює додаткові труднощі при її застосуванні.

Як правило, застосовуються три типи датчиків температури:

• термоелементи;

• резистивні детектори температури;

• термістори;

• напівпровідникові сенсори температури.

Таблиця 1.

Типи датчиків температури

Термопари	РДТ	Термістори	Напівпровідникові датчики температури
Самий широкий діапазон температур (-184˚С до 2300˚С)	Діапазон: -200˚С до 850˚С	Діапазон: 0˚С до 100˚С	Діапазон: -55 Діапазон: -200˚С до 850˚С до 150˚С
Висока точність і повторюваність	Висока лінійність	Низька лінійність	Лінійність: 1˚С Точність: 1˚С
Необхідність компенсації холодного спаю	Потрібне зовнішнє живлення	Потрібне зовнішнє живлення	Потрібне зовнішнє живлення
Низька вихідна напруга	Низька вартість	Висока чутливість	Вихідний сигнал близько 10 мВ/˚С

Термопари (Термоелементи)

Термопара – це два провідника (термоелектрода), виготовлені з різних металів і сплавів, спаяні (зварені) в одній точці. Чутливість термопар до температури заснована на термоелектричному ефекті (ефекті Сібека (Seebeck), по імені винайденим його в 1821 році дослідника), при якому використовується з’єднання двох матеріалів (металів і сплавів). Коли кінці провідника знаходяться при різних температурах, між ними виникає різниця потенціалів, пропорційна до різниці температур (термоерс). Розміщуючи спай з металів з різними термоерс в середовище з температурою Т₁, а інші кінці провідників при температурі Т₂, то на кінцях провідників отримається напруга, пропорційна до різниці температур Т₁ і Т₂.

Рис. 2.2. Принцип роботи термоелемента. Якщо температури точок А і В різняться, то по замкнутому ланцюгу циркулює струм. Точка А відповідає “гарячому” спаю, а В і С холодному.

Залежності U(T) для різних матеріалів відомі, що дозволяє визначати T через U. Якщо один спай занурити, наприклад, в лід що тане (0°С), а інший ввести в контакт з об’єктом вимірювання, то між ними з’являється термо-ЕРС, яку можна виміряти, і яка складає 7…75 мкВ/°С.

Часто одночасно використовується два спаї (диференційна термопара), один з яких знаходиться при відомій (опорній) температурі, а другий вимірює температуру об’єкту і називається чутливим або вимірювальним.

Таблиця 2.

Параметри термопар.

Матеріали контакту №1	Матеріали контакту №2	Типовий температурний діапазон (˚С)	Номінальна чутливість (мкВ/˚С)	Позначення за ANSI
Платина Pt + родій Rh (6%)	Платина Pt + родій Rh (30%)	від 38 до 1800	7.7	B
Вольфрам W + реній Re (5%)	Вольфрам W + реній Re (26%)	від 0 до 2300	16	С
Хромель (Ni+Cr)	Константан (Cu+Ni)	від 0 до 982	76	E
Залізо Fe	Константан (Cu+Ni)	від 0 до 760	55	J
Хромель (Ni+ Cr)	Алюмель (Ni+Al)	від -184 до 1260	39	K
Хромель (Ni+ Cr)	Копель (Ni+Cu+ Fe)	від -184 до 600	73	L
Платина Pt + родій Rh (13%)	Платина Pt	від 0 до 1593	11.7	R
Платина Pt + родій Rh (10%)	Платина Pt	від 0 до 1538	10.4	S
Мідь	Константан	від -184 до 400	45	T