Срок службы тензодатчиков

Тензодатчики для производств бетона изготавливаются из нержавеющей стали и полностью герметичны (IP68), что обеспечивает их длительную эксплуатацию практически в любых внешних условиях, включая высокую температуру, прямое попадание воды, снег, туман, высокую влажность и прямые солнечные лучи. Диапазон рабочих температур – от -40° до 80°C, с минимальными температурными изменениями характеристик. Используя соответствующий вторичный прибор, тензоизмеритель, с помощью тензодатчиков можно измерять вес, деформацию, объем и другие физические параметры.

9.Фотоэлектрические датчики.

Принцип действия основан на измерении потока свободных электронов при изменении освещенности некоторых материалов.

Фотоэлектрические датчики используются во многих отраслях промышленности для обеспечения точного обнаружения объектов без физического контакта.

В большинстве основных форм фотоэлектрический датчик может рассматриваться как устройство типа концевого переключателя, в котором функцию механического привода или плеча рычага выполняет луч или свет. Фотоэлектрические датчики работают, обнаруживая изменения в интенсивности света, который либо отражается, либо задерживается обнаруживаемым объектом (мишенью). Изменения в интенсивности света могут быть результатом присутствия или отсутствия мишени или результатом изменения размера, формы, коэффициента отражения или цвета мишени.

Оптическая схема обычных фотоэлектрических датчиков имеет три основных типа: работа на просвет, на обратное отражение и на рассеянное отражение. Зная, как работают фотоэлектрические датчики, Вы сможете правильно выбрать сенсор для своих применений.

Работа на просвет.

В этом типе датчиков приемник и излучатель расположены напротив друг друга таким образом, что световой поток из излучателя попадает непосредственно в приемник. Положение объекта определяется, когда он перекрывает луч от излучателя в приемник. Настройка взаимного расположения датчиков заключается в том, что бы максимальное количество света, от излучателя попадало бы в приемник. Это означает, что при расположении приемника и излучателя друг напротив друга свет от последнего попадал бы в центр поля зрения приемника. В ранних моделях, когда датчики использовали немодулированное излучение, требование по настройке взаимного расположения пары излучатель – приемник сослужило этому виду датчиков плохую службу. Однако сегодня, имея интенсивные и модулированные излучатели, проводить настройку датчиков, работающих на просвет, становится совсем несложным делом.

Под рабочим диапазоном датчика этого типа подразумевается максимальное расстояние между излучателем и приемником, при котором может происходить работа датчика. Эффективный луч датчика – это часть полного луча, излучаемого излучателем, которая необходима для надежного срабатывания, когда объект перекрывает луч. Эффективный луч датчиков, работающих на просвет – это цилиндр, соединяющий линзы излучателя и приемника (это может быть так же конус, если линзы излучателя и приемника имеют разный диаметр). Эффективный луч не может выходить за пределы диаграммы направленности излучателя и поля зрения приемника.

Эффективный луч стандартных фотоэлектрических датчиков слишком большой, что бы обнаруживать малые объекты, проверять малые профили и позиционировать объекты с высокой точностью. В таких случаях линзы датчика могут быть частично перекрыты маской для уменьшения эффективного размера луча. Некоторые модели фотоэлектрических датчиков, работающих на просвет, имеют специальные адаптеры для этого. Такой адаптер может быть изготовлен если просверлить или вырезать отверстие или щель в тонкой металлической пластине и расположить ее напротив центра линз При выборе адаптера стоит помнить, что современные фотоэлектрические датчики имеют интенсивное модулированное излучение, которое может проникать через множество неметаллических материалов под различными углами.

Однако использование маски снижает энергию луча датчика пропорционально снижению площади линз, которые перекрывает датчик. К примеру, если диаметр линзы 1 см., а маска уменьшает этот размер до? см., то доля световой энергии, проходящей через маску, составляет (?)2 = 1/16 от энергии, приходившей на линзу диаметром 1 см. Потери энергии увеличиваются в два раза, если маска установлена как на излучателе, так и на приемнике.

Прямоугольные щелевые маски в меньшей степени снижают световую энергию от датчика, чем круглые маски того же диаметра. Поэтому по возможности стоит применять именно прямоугольные маски. Прямоугольные маски применяются когда объект проходит через луч в определенном положении, например в задаче определения края объекта. Однако, когда небольшой объект проходит через луч датчика в произвольном положении, применяется круглая маска.

Если объект, положение которого необходимо определить всегда проходит близко к приемнику или к излучателю, то маску можно поставить только на один из них. В этом случае эффективный луч датчика приобретает форму конуса. Однако возможно совместить необходимость иметь большую площадь линзы датчика и малый размер эффективного луча для определения положения самых малых объектов. Наиболее простым путем такого совмещения является использование волоконной оптики в фотоэлектрических датчиках, работающих на просвет. Модулированные светодиоды высокой мощности, используемые в некоторых фотоэлектрических датчиках, могут создавать флуктуации световой энергии вокруг объекта равные или несколько большие, чем эффективный луч. Это еще один повод, что бы проверить, что размер эффективного луча датчика меньше размеров объекта. Использование лазерных диодов в излучателях датчиков, работающих на просвет, другая альтернатива применению щелевых масок. Лазерные датчики сами по себе имеют узкий луч во всем рабочем диапазоне. Они применяются для позиционирования малых объектов и для прецизионного определения положения объектов.

На обратное отражение.

Фотоэлектрические датчики, срабатывающие на обратное отражение, содержат в одном корпусе схему излучателя и приемника. Световой луч распространяется от излучателя, до обратного отражателя затем и попадает в приемник. Так же как и в фотоэлектрических датчиках, работающих на просвет, объект обнаруживается, когда он пересекает световой луч. Диапазоном расстояний у этого типа датчиков считается расстояние от датчика до отражателя. Эффективным лучом в датчиках, срабатывающих на обратное отражение, является конус формой совпадающей с фигурой, соединяющей линзы датчика и отражатель. Отраженный луч обычно не сфокусированный и поэтому датчики, срабатывающие на обратное отражение, применяют для обнаружения достаточно больших объектов. Вместе с тем, когда требуется малый эффективный размер луча, то как и в датчиках, работающих на просвет, используются лазерные диоды в качестве источников света.

Большинство обратных отражателей сделано из множества маленьких призм, образованных углом куба и каждая из этих призм имеет три взаимно перпендикулярных отражающих поверхности. Когда световой луч падает на призму, три отражающие поверхности отражают луч в обратном направлении параллельно падающему лучу и отраженный луч поступает в приемник. Иными словами, обратный отражатель отражает луч в том направлении, откуда он пришел. В основном, обратные отражатели сделаны из литого пластика и производятся различных размеров, форм и цветов. Подобные отражатели используются на дорогах и в качестве катафотов на транспортных средствах. Такие катафоты ярко светятся для водителя, когда свет передних фар машины попадает на них и отражается в обратном направлении кубическими призмами. Предупредительные знаки на дорогах так же часто покрывают обратно отражающей пленкой, которая содержит литые микроскопические кубические призмы или стеклянные шарики. Прозрачная сфера из стекла так же отражает падающий на нее луч в обратном направлении, но отражающее покрытие их шариков менее эффективно, чем из кубических призм.

Зеркальные поверхности так же могут использоваться в качестве отражателей для датчиков. Однако луч от зеркальной поверхности отражается под тем же углом, что и падающий луч, но в противоположном, относительно нормали к поверхности зеркала, направлении. Для того, что бы луч попал обратно на датчик, необходимо, что бы зеркало было расположено строго перпендикулярно лучу. С другой стороны, обратный отражатель посылает луч обратно в датчик, даже если расположен под углом примерно 20 градусов от перпендикуляра. Это свойство делает настройку таких отражателей быстрой и легкой.

Хороший отражатель возвращает в датчик примерно в 3000 раз больше света, чем лист белой бумаги. Вот почему фотоэлектрические датчики этого типа срабатывают только тогда, когда предмет перекрывает луч, отраженный от отражателя. Однако, если объект имеет зеркальную либо блестящую поверхность, то он может пройти через луч датчика и не быть обнаруженным. Вы можете решить эту проблему относительно простыми средствами. Если блестящий объект имеет плоские стороны и проходит через луч фотоэлектрического датчика в определенном положении, то может произойти ситуация, когда блестящая поверхность объекта отразит падающий луч обратно в приемник фотоэлектрического датчика. Вероятность ложных срабатываний такого рода может быть существенной, если поверхность блестящего объекта круглая или объект попадает в поле луча в случайном положении.

Благодаря развитию светодиодной технологии увеличивается использование в фотоэлектрических датчиках светодиодов видимого диапазона. Когда используется видимое излучение, фотоэлектрический датчик виден как вспышка в отражателе. Когда от рефлектора идет отраженный луч, это означает, что фотоэлектрический датчик настроен правильно. Этот принцип так же работает, когда источник видимого света используется в фотодатчиках, работающих на просвет. Обратный отражатель ставится перед линзой приемника и излучатель поворачивается таким образом, что бы был виден луч в обратном отражателе. Затем отражатель убирается и пара датчиков – приемник и излучатель остаются в положении точной настройки.

Поляризационные фильтры так же часто применяются в тех случаях, когда используется излучатель датчика видимого диапазона. Поляризационный фильтр используемый с фотоэлектрическим датчиком, срабатывающим на обратное отражение, может значительно сократить число ложных срабатываний. Прежде всего расположите поляризационные фильтры напротив излучателя и приемника, затем поверните фильтры таким образом, что бы плоскости поляризации фильтров были расположены на 90 градусов относительно друг друга. Свет от излучателя, проходя через поляризационный фильтр обладают вертикальной поляризацией. Когда свет отражается от обратного отражателя, его плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов. И только такой поляризованный свет может пройти через поляризационный фильтр, расположенный на приемнике. Когда поляризованный свет отражается от блестящей поверхности, его плоскость остается в том же положении и он не может пройти через второй поляризационный фильтр.

Эта схема эффективно снижает помехи, связанные с бликами, однако, так же как и светофильтр, снижает мощность излучения более чем на 50%. Это становится существенным, когда вокруг датчика большая запыленность или объект находится на большом расстоянии. Следует так же помнить, что фотоэлектрические датчики с поляризационным фильтром работают только в паре с обратным отражателем, отражающие плоскости которого образованы гранями куба.

На рассеянное отражение.

Фотоэлектрические датчики, срабатывающие на рассеянное отражение, обнаруживают объект, расположенный перед датчиком по отраженному от объекта излучению самого датчика. Свет от излучателя падает на поверхность и отражается под самыми разными углами, так что некоторая доля рассеянного от поверхности объекта излучения попадет в приемник датчика. Схема работы с рассеянным отражением не столь эффективна, поскольку только малая часть света, от излучателя попадает в приемник. К тому же подобные датчики подвержены ложным срабатываниям от блестящих поверхностей. Так же диапазон срабатывания от яркого белого объекта будет значительно больше, чем от черного.

Многие модели датчиков используют линзы, что бы сделать пучок света от излучателя более узким и интенсивным и тем самым поднять долю света, которая в результате приходит на приемник. Одновременно с тем, что использование линз увеличивает рабочее расстояние датчика, одновременно с этим уменьшается критический угол распространения бликов от блестящих поверхностей. Это происходит по той причине, что отражения от блестящих поверхностей более направленные и напоминают отражения от зеркальных поверхностей.

Каждый тип фотоэлектрического датчика в зависимости от условий применения и ситуации имеет свои недостатки и достоинства, обусловленные принципом работы сенсоров.

10.Датчики температуры.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет от -50 С до +150 С. Внутри этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность. Возможность производства в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но так же и схем усиления и обработки сигнала, обеспечивает датчику хорошую точность и линейность внутри температурного диапазона. Встроенная в такой датчик энергонезависимая память позволит индивидуально откалибровать каждый прибор. Большим плюсом можно назвать большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход, позволяющий подключить такой датчик к сети передачи данных. Из слабых мест кремниевых датчиков температуры можно отметить узкий температурный диапазон и относительно большие размерами по сравнению с аналогичными датчиками других типов, особенно термопарами. Кремниевые датчики температуры применяются в основном для измерения температуры поверхности, температуры воздуха, особенно внутри различных электронных приборов. Например можно назвать температурные регистраторы компании Dallas semiconductor выпускаемые под маркой THERMOCHRON. Регистраторы имеют кремниевый датчик температуры, микросхему обработки сигнала и память для сохранения результатов.

Биметаллический датчик температуры, как следует из названия, сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собою. Различные металлы имеют различный коэффициент расширения при той или иной температуре. Например, константан практически не расширяется при температуре, железо, напротив испытывает заметное расширение. Если полоски из этих металлов скрепить между собой и нагреть (или охладить), то они изогнутся. В биметаллических датчиках пластинки замыкают или размыкают контакты реле, или двигают стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков от -40 С до +550 С. Биметаллические датчики используют для измерения поверхности твердых тел, реже для измерения температуры жидкости. Основным преимуществом датчиков является простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость. Вместе с тем, биметаллические датчики температуры имеют большой разброс характеристик, а так же большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах. Основные области применения биметаллических температурных датчиков – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Жидкостные и газовые термометры наиболее старые типы датчиков температуры. Первая шкала температуры была предложена Фаренгейтом в начале 18-го века именно для жидкостного термометра. Жидкостные термометры используют эффект расширения жидкостей при повышении температуры. В качестве жидкостей используется спирт или ртуть в диапазоне комнатных температур. Для измерений низких температур, например в криогенной технике, может быть использован жидкий неон, а для измерения высоких температур обычно используют галлий, который находится в жидком состоянии уже от 20 С. В газовых термометрах используется эффект расширения, при переходе вещества из жидкого в газообразное состояние. Газ давит через мембрану и замыкает электрические контакты. Диапазон измерений для жидкостных и газовых термометров от -200 С до +500 С. Термометры этого класса обычно применяются для визуального контроля температуры, либо в качестве термостатов в различных нагревателях и холодильной технике.

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Такое изменение цвета может быть как обратимым, так и необратимым. В диапазоне комнатных температур используются термоиндикаторы на основе жидких кристаллов. Они плавно изменяют свой цвет при изменении температуры. Изменения эти, как правило, обратимые. Производятся они в виде пленки, часто с клейкой подложкой, и служат для оперативного визуального контроля температуры. Для низких и высоких температур производятся в основном необратимые термоиндикаторы. То есть, если температура хотя бы один раз превысила допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет. Такие термоиндикаторы используют, например, для контроля за замороженными продуктами. Если в процессе хранения или транспортировки температура хоть раз была выше допустимой, то изменившаяся окраска термоиндикатора сообщит об этом. Основное достоинство термоиндикаторов низкая стоимость. Их можно использовать как одноразовые датчики температуры.

Термисторы. В этом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления материала под воздействием температуры. Обычно в качестве термисторов используют полупроводниковые материалы, как правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики с высокой чувствительностью. Однако большая нелинейность позволяет использовать термисторы лишь в узком диапазоне температур. Термисторы имеют невысокую стоимость и могут изготавливаться в миниатюрных корпусах, позволяя увеличить тем самым быстродействие. Существует два типа термисторов, использующих положительный температурный коэффициент – когда электрическое сопротивление растет с повышением температуры и использующих отрицательный температурный коэффициент – здесь электрическое сопротивление падает при повышении температуры. Термисторы не имеют определенной температурной характеристики. Она зависит от конкретной модели прибора и области его применения. Основными достоинствами термисторов является их высокая чувствительность, малые размеры и вес, позволяющие создавать датчики с малым временем отклика, что важно, например, для измерения температуры воздуха. Безусловно, невысокая стоимость так же является их достоинством, позволяя встраивать датчики температуры в различные приборы. К недостаткам можно отнести высокую нелинейность термисторов, позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так же ограничено в диапазоне низких температур. Большое количество моделей с различными характеристиками и отсутствие единого стандарта, заставляет производителей оборудования использовать термисторы только одной конкретной модели без возможности замены.

Инфракрасные датчики температуры или пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию. При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками от -45 С до +3000 С. Причем в диапазоне высоких температур инфракрасным датчикам нет конкуренции. Для измерения в различных диапазонах температур используются различные участки инфракрасного спектра. Так при низких температурах это обычно диапазон длин волн электромагнитного излучения 7 – 14 микрон. В диапазоне средних температур это может быть 3 – 5 микрон. При высоких температурах используется участок о районе 1 микрон. Однако и здесь есть свои особенности, связанные с решением конкретной задачи. Так для измерения температуры тонких полимерных пленок используются датчики, работающих на длинах волн 3,43 или 7,9 микрометров, а для измерения температуры стекла используют датчики, работающие в диапазоне 5 микрон. Для правильного измерения температуры необходимо еще ряд факторов. Прежде всего это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой: E = 1 – R, где Е – излучательная способность, R – коэффициент отражения. У абсолютно черного теля излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные напротив имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательую способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 С металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 С. Корректировать излучательную способность можно определив ее для различных материалов по справочнику, либо измеряя температуру поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить необходимые поправки. Хорошие результаты при не очень высоких температурах дает окраска специальной термостойкой, черной краской измеряемой поверхности. Второй важной характеристикой инфракрасного датчика является оптическое отношение – это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области с которой эти измерения ведутся. Например оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры составляет 1 метр. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение достигающие 300:1. Основные достоинства инфракрасных датчиков температуры: малое время отклика. Это самые быстродействующие датчики температуры. Возможность измерения температуры движущихся объектов. Измерения температуры в труднодоступных и опасных местах. Измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают. К достоинствам можно отнести то, что отсутствует непосредственный контакт с объектом и соответственно не происходит его загрязнения. Это может быть важно в полупроводниковой промышленности или фармацевтике.

Термометры сопротивления это резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Это могут быть проволочные резисторы, либо металлический слой может быть напыленным на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за ее высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Медь используется в основном для измерения низких температур, а никель в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур. Для защиты от внешней среды платиновые термометры сопротивления помещают в защитные металлические чехлы и изолируют керамическими материалами, такими как оксид алюминия или оксид магния. Такая изоляция снижает так же воздействие вибрации и ударов на датчик. Однако вместе с дополнительной изоляцией растет и время отклика датчика на резкие температурные изменения. Платиновые термометры сопротивления одни из самых точных датчиков температуры. Кроме того, они стандартизированы, что значительно упрощает их использование. Стандартно производятся датчики сопротивлением 100 и 1000 Ом. Изменение сопротивления таких датчиков с температурой дается в любых тематических справочниках в виде таблиц или формул. Диапазон измерений платиновых термометров сопротивления составляет -180 С +600 С. Несмотря на изоляцию, стоит оберегать термометры сопротивления от сильных ударов и вибрации.

Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Термоэлектрический эффект открыл немецкий физик Зеебек в первой половине 19-го века. Он открыл, что если соединить два проводника из разнородных металлов таким образом, что бы они образовывали замкнутую цепь и поддерживать места контактов проводников при разной температуре, то в цепи потечет постоянный ток. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это например пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач. Термопары хромель-алюмель (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 С в окислительной или нейтральной атмосфере. Это один из самых распространенных типов термопар. Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 С. При высоких температурах до 1500 С используют термопары платина- платина/родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.

Заключение.

Будь то платиновый термометр сопротивления, термопара, инфракрасный датчик, кремниевый датчик или термистор, каждый из них обладает рядом уникальных свойств, позволяющих наилучшим образом решить задачу по измерению температуры. Высокая точность и стабильность отличают платиновые термометры сопротивления. Достоинством кремниевых датчиков так же является высокая точность, пусть и в узком температурном диапазоне. Термисторы обладают высокой чувствительностью и невысокой ценой, что позволяет встраивать их в различные электронные приборы. Инфракрасные датчики температуры позволяют измерить быстропротекающие температурные процессы и объекты с очень высокой температурой. К достоинствам термопар несомненно можно отнести точность и стабильность показаний в широком диапазоне температур, их устойчивость в неблагоприятным воздействиям внешней среды.

11.Тиристорные преобразователи. Назначение, виды, схема, принцип действия.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Дата добавления: 2015-10-29