Датчики производственных параметров на основе эффекта Холла.

Эффект Холла применяется для измерения напряженности маг­нитного поля (рис. 18).

Рис. 18. Сущность эффекта Холла.

Датчики, использующие эффект Холла, относятся к генераторным. Они сами вырабатывают электрическое напряже­ние, однозначно определяющее характеристики измеряемого маг­нитного поля.

 

Эффект Холла имеет место у всех материалов, хотя и в разной степени. Практически же промышленные датчики та­кого рода реализуют на базе полупроводников.

Рис. 18. Эффект Холла.

Если пластина полупроводника единичной толщины помеща­ется в магнитное поле с напряженностью H, а вдоль нее течет ток величиной I и при этом вектор напряженности электрического поля составляет прямой угол с вектором напряженности магнит­ного поля, то на боковых гранях этой пластины возникает раз­ность потенциалов U₀, определяемая выражением:

U ₀ =К_Н× I × H,

где К_Н — постоянная Холла, которая зависит от концентрации свободных носителей зарядов (электронов и ионов) в материале пластины;

Н – напряжённость магнитного поля;

I - ток.

Для того чтобы эффект Холла проявлялся в наибольшей степе­ни, толщина пластины преобразователя должна быть наимень­шей. В качестве полупроводниковых материалов для пластин дат­чиков, использующих эффект Холла, применяются обычно арсенид индия и фосфид-арсенид индия. Фосфид-арсенид индия ис­пользуется при высоких температурах.

Наиболее широко преобразователи, использующие эффект Холла, применяются для измерения параметров магнитных по­лей, а также для определения характеристик ферромагнитных ма­териалов. С помощью преобра­зователей, использующих эффект Холла, можно измерять угло­вые и линейные перемещения, электрические токи и др.

Тема 3.З. Датчики силового воздействия.

Жидкостный манометр.

Любые перемещения в пространстве происходят только под силовым воздействием на них других тел или полей. Для выявления или измерения силовых воздействий, применяют силовые датчики. Их можно условно разделить на следующие группы:

- датчики давления (непосредственно воспринимающие давление газов и жидкостей),

- датчики деформации твердых тел,

- датчики колебаний.

Давление Р есть сила F, приходящаяся на единицу площади δS:

Р= F / δS.

Жидкостные манометры (рис.19) применяют для измерения малых давлений – до 0.2 МПа (2 кгс/см²). Жидкостные манометры просты в изготовлении и обладают достаточно высокой точностью показаний.

Они бывают U –образные, чашечные, с наклонной трубкой, поплавковые колокольные.

Чтобы прибор измерил силу давления должно произойти перемещение рабочего органа прибора (δh) от воздействия этой силы.

где ρ – удельный вес жидкости Н/м², Ра - атмосферное давление (Па),

Р – давление рабочей силы (Па).

U – образные жидкостные манометры состоят из стеклянной трубки (рис.19), заполненной рабочей жидкостью и снабжённые шкалой которой отсчитывают разность высот уровней жидкости в сообщающихся коленах. На U – образных манометрах ведут отсчёт в миллиметрах ртутного столба. Для правильного отсчёта показаний манометра необходимо, чтобы он был установлен строго по вертикали.

Р а

Р а

δh

Рис.19. Жидкостный манометр.

Жидкость, заполняющую манометр подкрашивают. Нулевая точка шкалы перед отсчётом и вершины менисков в обоих коленах должны лежать на одной прямой. Если измеряемое давление ниже атмосферного, то жидкость будет перемещаться из правого колена в левое.

Разность высот уровней жидкостей в этом случае характеризует величину разрежения. Таким образом, U – образный манометр может служить вакууметром.

Если манометр служит для измерения разности двух давлений Р₁ и Р₂, то его называют дифференциальным манометром, т.е. эго показателем является δР=Р₁-Р₂.

 

 

Пределы измерения манометра не зависят от площади сечения трубки, но чтобы не было заметного искажения уровня за счёт капиллярного сцепления жидкости со стеклом, диаметр трубки должен быть не менее 4 – 6 мм.

Пружинные манометры.

К пружинным манометрам относят трубчатые, пружинные и мембранные манометры (рис. 20). Эти приборы получили широкое распрост­ранение благодаря большому диапазону измеряемых давлений, простоте ухода и надежности работы в эксплуатационных условиях.

Пружины изго­товляют из латуни и других медных сплавов, а для высоких давлений - из хромоникелевых сталей.

Пружинные манометры изготавливают показывающими, самопи­шущими, электроконтактными, с пневмо- и электропередачей на расстояние.

Величина перемещения - угол:

α =(Ра–Рп)× k,  где Ра – атмосферное давление, Рп - сила сопротивления пружины (рис. 20а).

Рис. 20. Чувствительные элементы деформационных манометров:

а - одновитковая пружина; б - многовитковая пружина;

в - упругая мембрана; г - мягкая мембрана (пружинно-мембранный элемент); д - одинарная мембранная коробка;

е - двойная мембранная коробка;

ж - сильфон; э - пружинно-сильфонный элемент.

 

Пружинные манометры подразделяют на четыре группы:

А - одновитковая пружина;

Б - многовитковая геликоидальная пружина;

В - плоская гофрированная мембрана;

Г – сильфон.  

 

Величина перемещения свободного конца сильфона δh пропорциональна разнице между рабочим давлением и атмосферным

δ h = (Ра – Рп)× k (рис. 20ж – з).  

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной (трубкой Бурдона) широко применяют для измерения давления (см.рис.21).

Под действием избыточного давления трубка разгибается и свобод­ный конец ее через поводок 2 поворачивает зубчатый сектор 3 и вместе с ним стрелку 4. Спиральная пружина 5 служит для устра­нения люфта в зубчатом зацеплении.

Рис. 21. Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной. 1 – трубка Бурдона, 2 – поводок, 3 –зубчатый сектор,  4 – стрелка, 5 – спиральная пружина.

 Одновитковые пружинные манометры изготовляют с электрической и пневматической передачей показаний на расстояние (дис­танционные манометры).

 

Для сигнализации при достижении заданных значений давления применяют манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис.22), имею­щие контактное устройство - электроконтактные манометры ЭКМ. При достижении заданного давления электрическая цепь замыкается за счет контактирования стрелки прибора и двух передвижных указателей. Подвижные указатели (контакты) на лю­бые два значения в пределах всей шкалы устанавливают ключом.

При переходе стрелки прибора за большее или меньшее из установ­ленных значений давления соответствующий контакт замыкается и остается замкнутым, а указывающая стрелка может перемещаться дальше.

Рис 22. Электроконтактный манометр ЭКМ.

 

Пружинные манометры изготовляют трех типов: технические, контрольные и образцовые.

Технические манометры выпускают на большой интервал давлений, в корпусах, имеющих диаметр от 40 до 400 мм.

Контрольные манометры являются переносными и служат для периодических более точных замеров давлений, а также для поверки технических манометров непосредственно на месте их установки. Они имеют две независимые измерительные системы.

Образцовые манометры применяют для поверки технических и контрольных манометров, а также для измерения давления в лабораториях, когда необходимы особо точные показания. Шкала образцового манометра разделена на 100 или 300 равных делений.

У манометров с электрическим индуктивным выходом давление, измеряемое упругим чувствительным элементом, преобразуется в электрический сигнал, передаваемый индуктивным преобразо­вателем на вторичный прибор.

Наиболее распространенным манометром этого типа является электрический дистанционный манометр МЭД (рис 23).

 В корпусе диаметром 160 мм помещены держатель с трубчатой одновитковой пружиной, передаточный механизм и индукционная катушка.

Рис. 23. Схема индуктив­ного  мано­метра МЭД.

Давление Р контролируемой системы (рис.23) подводится к труб­чатой пружине 1 через радиальный штуцер и, вызывая ее дефор­мацию, перемещает магнитопровод 3 индукционной катушки. Каждому значению измеряемого давления соответствует опреде­ленное положение магнитопровода в катушке. Катушка 2 мано­метра и катушка вторичного прибора 4 включены по дифферен­циально-трансформаторной схеме. Выходной параметр прибора - взаимная индуктивность между первичными и вторичными цепями трансформатора. Чем больше погружён магнитопровод, тем боль­шее напряжение подводится к вторичному прибору.

Индукционные манометры работают в комплекте со вторичными взаимозаменяемыми приборами и системами централизованного контроля и регулирования. Манометры МЭД выпускают с верхним пределом показаний 160 МПа и классами точности 1 и 1,5.