Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники»
Контрольная работа № 1
по первичным измерительным преобразователям в системах безопасности
2008
Контрольная работа № 1
Вопросы:
1) Датчики давления. Конструкция, схема включения, применение.
2) Структура первичных преобразователей. Радиоволновые извещатели охраны периметров.
Введение:
Мир датчиков чрезвычайно разнообразен: большое число измеряемых физических величин или параметров исследуемого объекта; разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразователей; разнообразие современных объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно-космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника и т.д. ракетно-космическая техника. объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикамров исследуемого объекта; разнообр).
Стремление получить больше информации от датчика (повысить его точность выше целесообразных пределов) неизбежно ведет либо к его крайней уязвимости и в результате – неработоспособности, либо к такому местному росту энтропии, что будет нарушен сам исследуемый процесс. Поэтому при проектировании датчиков применительно к конкретной измерительной задаче либо при выборе датчика из числа существующих должно быть достигнуто оптимальное соотношение между метрологическими и надежностными характеристиками датчика для данных условий измерений.
Сигнал от датчиков попадает на устройства обработки информации, после которых приобретает удобную для оператора форму, по которой можно судить о том или ином параметре исследуемого объекта.
В последние 10-15 лет устройства обработки информации развиваются достаточно интенсивно. Прежде всего, это связано с огромными успехами микроэлектроники, радиотехники, ЭВМ.
1) Давление является одной из основных величин, связанных с описанием поведения жидких и газообразных сред. Одна лишь энергетика потребляет большую часть выпускаемых промышленностью датчиков давления. В гидравлических, тепловых, ядерных и других энергетических установках необходим непрерывный контроль за давлением для обеспечения нормального режима работы, устранения риска разрыва стенок сосудов и трубопроводов и возникновения аварийных ситуаций.
Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением сигналов. Назначение датчиков – реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами.
В системах контроля технологических процессов датчики давления дают информацию о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла и других жидкостей, обеспечивающих надлежащее функционирование машин, механизмов и систем и протекание контролируемых процессов.
Давление – это физическая величина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхности тела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку. Оценивать величину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и в относительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того, результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двух разных давлений. Измерение давления может проводиться в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.
Все материалы можно разделить на твердые и жидкие среды. Под термином жидкая среда понимается все, что способно течь. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях.
Избыточное давление – давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае речь идет о вакууме. Давление называют относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным – когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.
Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение.
Современные датчики давления основаны на различных методах электрического преобразования входных параметров. Выпускаются миниатюрные тензорезисторные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные с монокристаллическим упругим элементом, использующие эффект Холла и другие датчики давления. На мировом рынке получили широкое распространение электрические датчики с переменным магнитным сопротивлением, конденсаторные датчики с переменной емкостью, виброчастотные преобразователи фирмы Foxboro, тензометрические датчики с использованием тонкопленочных или напыленных металлических резисторов, тензометрические преобразователи с полупроводниковыми тензорезисторами.
Сейчас одним из самых распространенных направлений построения датчиков давления является разработка интегральных тензорезисторных преобразователей с максимальным использованием достижений физики полупроводников и микроэлектронной технологии. Высокая чувствительность полупроводниковых тензорезисторов, применение монокристаллических материалов в упругих элементах тензорезисторных преобразователей, высокая стабильность и надежность, технологическая совместимость с интегральными микросхемами обработки сигнала, миниатюрные размеры полупроводниковых чувствительных элементов, возможность применения групповой технологии изготовления являются их основными достоинствами. Поэтому полупроводниковые преобразователи привлекают к себе внимание приборостроителей во всем мире.
В системе СИ единицей измерения давления является паскаль:
1 Па=1Н/м2
. Это значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера,
обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении.
Для грубых оценок можно запомнить еще одно соотношение: 0.1 мм Н2
0 создает давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр
(это название дано в честь физика Торричел-ли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:
1атм = 160торр =
101.325Па .
В системе единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как рsi. Для перевода рsi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:
1р
si
=
6.89х103
Па=
0.0703 атм.
Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления.
/ои
U-образный датчик давления, заполненный ртутью,
применяемый для измерения давления газов.
Такой датчик обычно калибруется напрямую в торрах. К сожалению, простота является практически единственным его достоинством, потому что он обладает целым рядом существенных недостатков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохой помехозащищенностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнением газа ртутными парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и в качестве детектора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе при отсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строго горизонтальном его расположении.
Давление, приложенное к одному из концов трубки (например, левой), приводит к разбалансировке мостовой,
схемы и появлению на ее выходе ненулевого сигнала. Чем выше давление в левой части трубки, тем больше сопротивление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противоположного. Выходное напряжение пропорционально разности сопротивлений Δ
R
в двух плечах моста, незакороченных ртутью участков провода.
Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются механическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего напряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.
На рис. А показан сильфон, преобразующий давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.
Рис. А
Стальной сильфон, используемый
в датчиках давления.
Рис. Б
Металлическая гофрированная диафрагма, применяемая для преобразования давления в линейное перемещение.
На рис. Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линейное отклонение. Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мебранами, методами микротехнологий.
В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мембрана) и детектор, выходной сигнал которого пропорционален приложенной силе. Оба эти элемента могут быть изготовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе
необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.
Расположение пьезорезисторов на кремниевой диафрагме
Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное
,
дифференциальное
и
манометрическое
давление. Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной камере, которая может быть как встроенной (рис. 1А), так и внешней. Дифференциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расходомерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафрагмы. Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонного значения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления. Во всех трех типах датчиков используются одинаковые конструкции диафрагм и тензодатчиков, но все они имеют разные корпуса. Например, при изготовлении дифференциального или манометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, в которой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис. 1Б). Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внутренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует поверхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздействовать на диафрагму. Корпуса дифференциальных датчиков могут иметь разную форму (рис. 2). В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозионными жидкостями и т.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устройства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм и сильфонов. Для того чтобы не ухудшались частотные характеристики системы, воздушная полость датчика почти всегда заполняется силиконовой смазкой типа Dow
Corning
DS200.
Рис 1
. Устройство корпусов датчиков: А – абсолютного, Б – дифференциального давлений.
|
Рис 2.
|
Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меняет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих характеристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оцифровки результатов измерений. В то время как для диафрагм, используемых в пьезорезитивных датчиках, необходимо обеспечивать максимальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных датчиках существенным является перемещение их центральной части. Диафрагмы в емкостных датчиках могут быть защищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для дифференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за небольших перемещений такой способ защиты, к сожалению, работает недостаточно эффективно, поэтому для них определяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает максимальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразователей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это особенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески высокого давления.
Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, чтобы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда перемещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улучшения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовленных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и толщины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к существенному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 3).
давление(дюйм Н2
0)
Рис. 3.
Отклонение центральной части планарной и гофрированной диафрагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений.
При измерении низких давлений перемещение тонкой пластины или диафрагмы может быть небольшим. Фактически, оно может быть таким маленьким, что тензодатчик, прикрепленный к диафрагме или встроенный в нее, будет выдавать очень низкий выходной сигнал, недостаточный для последующей его обработки. Один из возможных способов решения этой проблемы — использование емкостного датчика, в котором отклонение диафрагмы измеряется по ее положению относительно опорной пластины, а не по напряжению внутри материала. Другим способом решения проблемы измерения очень низких давлений является применение магнитных датчиков. Датчики переменного магнитного сопротивления
(ПМС) измеряют изменение магнитного сопротивления дифференциального трансформатора, вызванного перемещением магнитной диафрагмы, возникающего вследствие воздействия на нее внешнего давления. Принцип действия таких датчиков очень напоминает принцип действия магнитных детекторов. На рис. 4А проиллюстрирована основная идея модуляции магнитного потока. Конструкция, состоящая из Е-образного сердечника и катушки формирует магнитный поток, силовые линии которого проходят через сердечник, воздушный зазор и диафрагму. Магнитная проницаемость материала сердечника по крайней мере в 1000 раз выше проницаемости воздушного зазора, поэтому его магнитное сопротивление всегда ниже сопротивления воздуха. В связи с этим величина индуктивности всей этой конструкции определяется шириной зазора. При отклонении диафрагмы величина воздушного зазора либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от направления перемещения, что вызывает модуляцию индуктивности.
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 1/2w
.
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 кондукти
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 охранныйобъемный радиоволновый
ИО 407-3А "Волна М"
ТУ - ТУ 25-7728.0001-88
Код ОКП - 43 7215 3003
Назначение:
Извещатель "Волна М" предназначен для защиты объемов охраняемых помещений. При проникновении нарушителя в зону действия изве - щателя он воспринимает изменение излучаемой СВЧ энергии, формирует сигнал "Тревога" путем размыкания контактов исполнительного реле и выдает его на пульт централизованного наблюдения или приемно-контрольный прибор. В комплект извещателя входит блок питания "Электроника Д2-27".
Извещатель имеет встроенный оптический индикатор режимов "Норма", "Неисправность".
Технические характеристики
Максимальная дальность действия, м, не менее 12
Контролируемая площадь, м кв., не менее 90
Отношение "длина-ширина" о диаграмме излучателе:
не менее1.6
не более 2.4
в норме 2.0
| Напряжение питания постоянного тока, В | 12 |
| Амплитуда пульсации напряжении питания, мВ, не более | 10 |
| Мощность излучения, мВт, не более | 50 |
| Потребляемый ток (в "дежурном" режиме), мА | 200 |
| Потребляемая мощность (в "дежурном" режиме), Вт | 2.4 |
Угол поворота корпуса извещателя, град., не более в горизонтальной плоскости в вертикальной плоскости |
180 50 |
| Длительность сигнала "Тревога" (размыкание контактов исполнительного реле), с | 2 |
Коммутируемые контактами исполнительного реле: ток, мА, не более напряжение, В, не более |
30 65 |
Условия эксплуатации: диапазон рабочих температур, град. С относительная влажность воздуха при 25 град. С, % |
от -20 до+
93 |
| Климатическое исполнение по ОСТ 251099-85 | 02 |
| Степень защиты оболочки по ГОСТ 14254780 | УР40 |
| Литеры извещателей (рабочие частоты) | 1;2 |
| Габаритные размеры, мм, не более | 200x115x63 |
| Масса, кг, не более | 0.75 |
| Средний срок службы, лет | 8 |
Завод-изготовитель
ПО "Волна" 277036, г. Кишинев
Код ОКПО - 0226593
Монтаж.
При монтаже извещателя в охраняемом помещении возможны три варианта его установки:
1 - зона обнаружения (по дальности и ширине) касается стен. Вариант рекомендуется для защиты помещений сравнительно небольших размеров и тех, в которых отсутствуют крупногабаритные предметы, создающие радиотень.
2 - зона обнаружения не касается стен.
Вариант рекомендуется для защиты одиночных или групп предметов, находящихся на ограниченной площади, а также для защиты наиболее возможных направлений проникновения нарушителя.
3 - одна сторона зоны обнаружения (по ширине) касается
стены, а другая сторона и максимум излучения направлены в защищаемое помещение.
Вариант рекомендуется для защиты элементов строительных конструкций (стен, полов, потолков и т.п.)
Для реализации указанных вариантов используется один из способов размещения извещателя: 1 - в углу помещения, с направлением максимума излучения по диагонали помещения (с учетом возможного угла поворота корпуса извещателя); 2 - на стене помещения, с направлением максимума излучения в направлении заданным углом установки извещателя.
Установку извещателя следует производить на жестких, устойчивых к вибрации опорах (капитальных стенах, колоннах и т.п.). При установке извещателя следует предусмотреть, чтобы крупногабаритные предметы не попадали в зону действия извещателя, т.к. они могут создавать радиотень.
Наличие в защищаемом помещении крупных металлических поверхностей отражающих энергию СВЧ излучения может приводить к ложным срабатываниям прибора.
Наиболее полная защита помещения достигается при установке извещателя на высоте 2-3 м от уровня пола, в зависимости от размеров помещения и соответствующего ориентирования извещателя в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Не следует устанавливать извещатели с радиоволновым принципом действия на токопроводящие поверхности (металлические балки, сырую кирпичную кладку и т.п.), т.к. между извещателем и источником питания возникает двойной контур заземления, что может стать причиной ложных срабатываний.
Извещателъ охранный радиоволновый
"Волна 2"
Назначение
Извещателъ "Волна 2" предназначен для защиты объемов охраняемых отапливаемых и неотапливаемых помещений. При проникновении нарушителя в зону действия извещателя он воспринимает изменение излучаемой СВЧ энергии, формирует сигнал "Тревога" путем размыкания контактов исполнительного реле и (или) изменения потенциала на коллекторе транзистора и выдаст его на пульт централизованного наблюдения или приемно-контрольный прибор.
Извещателъ формирует эллипсовидную форму зоны обнаружения.
Прибор имеет визуальную индикацию "Тревоги" и "Превышения уровня помехи", а также ручную регулировку изменения размера зоны обнаружения.
Дополнительными достоинствами являются:
■ повышенная устойчивость к воздействию помех от сети питания;
■ возможность работы при высоком уровне пульсации в сети питания;
■ сохранение работоспособности при увеличенной длительности прерывания напряжения электропитания;
■ устойчивость к воздействию электростатических разрядов;
■ устойчивость к воздействию внешних электромагнитных помех.
Прибор может использоваться как с аналогичными, так и с другими, по принципу действия, извещателями.
По тактико-техническим данным извещатель удовлетворяет требованиям международного стандарта МЭК 839-2-5-90.
Технические характеристики
Дальность действия (при отношении сигнал/шум равным 5), м 9
Чувствительность к движению (при скорости от 0.3 до 3 м/с), м
Помехоустойчивость к кратковременному движению, м 0.25
Напряжение питания постоянного тока, В или от 12
Блока питания
"ЭлектроникаД2-27" Потребляемый ток, мА, не более 25
Завод-изготовитель
ПО "Красное знамя" г. Рязань
Извещатель радиоволновый линейный ИО 207-1 "Радий I" ТУ-ТУ25-06.2533-84 Код ОКП-43 7214 1001
Назначение
Извещатель "Радий 1" предназначен для защиты территории вдоль
периметрального ограждения охраняемых объектов. При проникновении нарушителя на защищаемый участок или его пересечении извещатель воспринимает амплитудно-временные изменения излучаемых СВЧ колебаний, формирует сигнал "Тревога" путем размыкания контактов исполнительного реле и выдает его на пульт централизованного наблюдения или приемно-контрольный прибор.
Извещатель формирует также сигнал "Тревога" при:
■ одновременном пропадании напряжения сети переменного тока и резервного источника питания постоянного тока;
■ снижении напряжения резервного источника питания ниже 18 В, в случае питания извещателя только от этого источника;
■ вскрытии блоков передатчика и приемника;
■ выходе из строя блоков передатчика и приемника. Извещатель состоит из двух идентичных по внешнему виду блоков:
блока передатчика и блока приемника.
Размер защищаемой зоны, м:
Длина: 50-150
при длине 50м 3.5
при длине150 м 4.5 высота:
при длине 50 м 1.0
при длине150 м 2.0
| Длина не рабочей ("мертвой") зоны от точки установки приемника | 5 |
| и передатчика, м | |
| Напряжение питания, В | |
| переменного тока | 220 |
| Постоянного тока (резервный источник) | 24 |
| Мощность, потребляемая от сети переменного тока, ВА, не более | 30 |
| Мощность, потребляемая от резервного источника питания, Вт, не более | 5 |
| Ток, потребляемый от резервного источника питания, А, не более | 0.7 |
| Коммутируемые контактами исполнительного реле: | |
| постоянный и переменный ток, мА, не более | 30 |
| напряжение, В, не более | 60 |
| Угол поворота корпуса извещателя, град.: | |
| В горизонтальной плоскости | ±30 |
| В вертикальной плоскости | ±10 |
| количество частот модуляции | 3 |
| Степень защиты по ГОСТ 14255-69 | №55 |
| Условия эксплуатации: | |
| диапазон рабочих температур, град. С | от-40 до+50 |
| относительная влажность воздуха при 25 град. С, %
|
100 |
| Габаритные размеры каждого блока, с устройством установки, мм, не более | 570x380x185 |
| Масса каждого блока, кг, не более | 8 |
| Масса устройства установки, кг, не более | 2.5 |
Завод-изготовитель
ПО "Волна" 277036, г. Кишинев. Код ОКПО-0226 593
Монтаж
Блоки приемника и передатчика имеют устройства крепления, предназначенные для установки извещателя на горизонтальной и вертикальной плоскости. При использовании извещателя для защиты протяженного периметрального ограждения рекомендуется использовать извещатели с различными частотами модуляции.
Блок передатчика и блок приемника должны быть установлены в зоне прямой видимости.
Извещатель охранный объемный радиоволновый ИО 407-4"Фон 1"ТУ-
ДВ 2.008.008 ТУ
Код ОКП-43 7214 4010
Назначение.
Извещатель "Фон 1" предназначен для защиты материальных ценностей, находящихся на открытых огражденных площадках или в неотапливаемых помещениях объемом до 1000 м куб. При проникновении нарушителя в зону действия извещателя, он воспринимает изменение параметров СВЧ излучения, формирует сигнал "Тревога" путем размыкания контактов исполнительного реле и выдает его на приемно-контрольное устройство или пульт централизованного наблюдения.
Технические характеристики:
Размер защищаемой зоны: дальность (регулируемая), м площадь, м кв., не более объем, м. куб., не более |
15-30 300 2500 |
| Отношение длина/ширина в диаграме излучения | 2 |
| Потребляемая мощность, ВА, не более | 40 |
| Мощность излучения, мВт, не более | 100 |
Напряжение питания, В: переменного тока постоянного тока (резервный источник) |
220 24 |
| Ток, потребляемый от резервного источника, А, не более | 1.1 |
| Длительность сигнала "Тревога" (размыкание контактов индикатора), с, не менее | 2 |
| Частотные литеры | 1;2 |
Количество видов извещений |
3 (Тревога, Норма, Неисправность) |
Коммутируемые контактами исполнительного реле: напряжение, В, не более ток, мА, не более |
55 30 ±45 |
| Угол поворота корпуса в горизонтальной и вертикальной плоскости, град. | 01 |
Исполнение по ОСТ 251099-83 |
ВЗ |
| по ОСТ 25 1099-83 | |
Условия эксплуатации: диапазон рабочих температур, град. С относительная влажность при 30 град. С, % |
от-45 до+50 100 |
| Габаритные размеры, мм, не более: | |
| извещателя | 300x360x160 |
| устройства установки | 160x120x180 |
| Масса, кг, не более | 15 |
| Средний срок службы, лет | 8 |
Извещатель не выдает сигнал "Тревога" (помехоустойчив) при:
■импульсной помехе с амплитудой до 600 В, длительностью 1 мкс, в сети питания переменного тока;
■провале напряжения питающей сети до 50% амплитуды длительностью не более 100 мс;
■полном пропадании напряжения питания переменного тока на время не более 50 мс;
■воздействии на пего электромагнитного поля с напряженностью до 1 В/м в диапазоне частот 0.1-30 МГц;
■воздействии на него излучения УКВ радиостанции мощностью не более 8 Вт на расстоянии не менее 7 м от извещателя;
■переходе на резервный источник питания и обратно. Извещатель автоматически выдает сигнал "Неисправность" при:
■снижении напряжения питания ниже 160 В и отсутствии при этом напряжения резервного питания;
■снижении напряжения резервного питания ниже 18 В и отсутствии при этомнапряжения переменного тока;
■отказе СВЧ генератора, СВЧ вентиля, СВЧ смесителей, электронных ключей и синтезатора частот.
В "дежурном" режиме или при отсутствия напряжения питания контакты реле "Контроль работоспособности"разомкнуты.
Завод-изготовитель
Организация арендаторов завода электроизмерительных приборов
113191, г. Москва
Монтаж
При необходимости защиты объекта с большой протяженностью можно использовать два и более извещателей, разнесенных на расстояние превышающие максимальную дальность обнаружения и ориентации их параллельно друг другу. При невозможности такой установки следует использовать извещатели с разными частотными литерами.
Ограждение открытой площадки, защищаемой извещателем "Фон 1", должно иметь высоту не менее 1 м, при использовании сетки "рябица", размер ячеек не должен быть более 0.6 см.
Не допускается наличие кустов, деревьев, травы высотой более 0.15 м но периметру ограждения.
Допускается наличие на охраняемой площадке вибрирующих предметов с амплитудой колебания не более 1 мм, наличие деревьев и кустов на расстоянии не менее 5 м от ограждения охраняемой площади.
Охраняемая площадь должна располагаться на расстоянии не менее 300 м от железнодорожной станции и не менее 1 км от аэропорта и мощных радиостанций.
Рекомендуемая высота установки извещателя - 3-7 м от уровня земли.
Проводка сетевого питания осуществляется кабелем КРПГ с диаметром сечения жил 1.5 мм в металлорукаве или трубах. Внешний диаметр кабеля не должен превышать 12 мм, металлорукава -16 мм.
Использованная литература:
1. Типовые компоненты и датчики контрольно-диагностических средств/ М – во образования Респ. Беларусь, Учреждение образования «Полоц. гос. ун – т». – Новополоцк: ПГУ, 2004. – 382.
2. Фрайден Д. Современные датчики/ Дж. Фрайден. – Москва: Техносфера, 2005. – 588 с. – (Мир электроники)
3. Бейлина, Р.А. Микроэлектронные датчики/ Р.А. Бейлина, Ю.Г. Грозберг, Д.А. Довгяло. – Новополоцк: ПГУ, 2001. – 307 с.
4. Синилов В.Г. Системы охранной, пожарной и охранно – пожарной сигнализации: Учебник для нач. проф. образования./ Вячеслав Григорьевич Синилов. – М.: ИРПО: Образовательно – издательский центр «Академия», 2003. – 352 с.