Czujniki


Wprowadzenie

Do przekształcenia pewnej mierzonej wielkości nieelektrycznej na dogodny do pomiaru sygnał elektryczny służy czujnik (zwany także przetwornikiem wejściowym).

Czujniki pomiarowe dzielimy na czujniki parametryczne (bierne) i czujniki generatorowe (czynne).
Czujniki parametryczne - pod wpływem wielkości nieelektrycznej ulega zmianie parametr elektryczny taki jak: oporność, indukcyjność, pojemność.
Czujniki generacyjne - pod wpływem zjawisk fizycznych powstają siły elektromotoryczne, których wartość jest proporcjonalna do mierzonej wielkości.
Zestaw odpowiednio połączonych urządzeń pomiarowych umożliwiających pomiar określonego parametru lub wielości nazywamy układem pomiarowym. Często jednak trudno precyzyjnie określić różnicę pomiędzy układem a elementem, gdyż niektóre czujniki są również układami.

Czujnik przepływu [do góry]

Pomiary natężenia przepływu (cieczy lub gazu) opierają się na zasadzie spiętrzania i dławienia przepływu, polega to na wbudowaniu do rurociągu organów spiętrzających i dławiących, które wytwarzają pomiarowe spadki ciśnienia. Są to kryzy lub zwężki.
W wyniku zwężenia przekroju rury wytwarza się różnica ciśnień, przed i za zwężką. Pomiar różnicy tych ciśnień umożliwia więc określenie natężenia przepływu.

Przepływomierz z tarczą naporową

Zasada działania:
Wewnątrz przewodu znajduje się tarcza, wokół której przepływa ciecz lub gaz. Różnica ciśnień za i przed tarczą oraz przepływające cząsteczki wytwarzają siłę działającą na tarczę. Siłę tą można zmierzyć. Na schemacie dokonuje się tego metodą kompensacji pneumatycznej. Polega to na tym, że ciśnienie potrzebne do zrównoważenia (skompensowania) tej siły jest jednocześnie miarą natężenia przepływu.
Uwagi: Dokładność rzędu: 1%.

Termoprzepływomierz (termoanemometr)

Zasada działania:
Termorezystor RJ włączony w układ mostka, ogrzewany jest prądem elektrycznym przepływającym przez niego. Natomiast chłodzony jest przepływającym materiałem (gaz, ciecz). Przy braku natężenia przepływu temperatura termorezystora ma wartość powyżej temperatury otoczenia. Przepływający czynnik powoduje obniżenie temperatury termorezystora, co spowoduje zachwianie stabilności mostka.
Te zmiany możemy obserwować mierząc napięcie przy stałej wartości prądu lub przyrost prądu potrzebnego do stabilizacji temperatury termorezystora.

Przepływomierz kalorymetryczny

Zasada działania:
Grzejnik ogrzewa przepływający w przewodzie gaz lub ciecz. Dwa termoelementy - jeden przed grzejnikiem, drugi za - mierzą różnicę temperatur.
Różnica tych temperatur jest miarą natężenia przepływu. Warunkiem jest stała moc dostarczana do grzejnika.
Uwagi:
Termoelement - jest to spoina dwóch różnych metali lub półprzewodników wytwarzająca podczas jej ogrzewania stałą siłę elektromotoryczną, której wartość zależy od temperatury spoiny.

Przepływomierz ultradźwiękowy

Zasada działania:
Wykorzystuje się w nich zjawisko Dopplera. Drgania ultradźwiękowe odbierane są przez dwa odbiorniki umieszczone w tej samej odległości od nadajnika. Sygnały otrzymane z odbiorników są przesunięte w fazie. Wartość tego przesunięcia zależy prędkości rozchodzenia się dźwięku w danym ośrodku.
Przepływomierze te nie wprowadzają spadków ciśnienia w rurociągu.
Uwagi: Dokładność rzędu: 1%.
Zjawisko Dopplera - polega ono na tym, że odbierana częstotliwość drgań (w tym przypadku akustycznych) jest większa przy zbliżaniu się źródła drgań do obserwatora, a mniejsza przy oddalaniu. Następuje zmiana odczuwalnej wysokości dźwięku przy wzajemnym przemieszczaniu się źródła dźwięku i odbiorcy.

Przepływomierze wiatraczkowe

Zasada działania:
Ruch cieczy ewentualnie gazu powoduje obrót wiatraczka z prędkością proporcjonalną do prędkości przepływu. Pracują one w połączeniu z licznikami.
Zastosowanie: wodomierze.

Czujnik wilgotności [do góry]

Do wyznaczania wilgotności względnej powietrza używamy higrometrów i psychometrów.
Wilgotnością względną powietrza nazywamy masę pary wodnej w pewnej objętości powietrza do masy pary potrzebnej do nasycenia tej objętości w tej samej temperaturze. Natomiast wilgotnością bezwzględną nazywamy masę pary wodnej zawartej w 1m3 powietrza.

Higrometr włosowy

Zasada działania:
Wykorzystywane jest tu zjawisko wydłużania się włosów ludzkich (lub nici syntetycznych) ewentualnie także kurczeniu się pasemek bawełnianych pod wpływem wzrostu wilgotności. Ta zmiana wywołuje przesunięcie wskazówki. Z podziałki odczytujemy wilgotność względną.
Uwagi:
Podstawową zaletą tego czujnika jest prostota obsługi. Dokładność pomiaru wynosi od 3% do 5%. Temperatura pracy: do 0oC (włos ludzki).

Higrometr Daniella

Opis budowy:
Urządzenie to składa się z rurki szklanej (1) na końcach której znajdują się dwie kule (2,3). Jeden termometr (6) umieszczony jest wewnątrz jednej z kul, która pokryta jest paskiem polerowanego złota. Natomiast drugi (5) umocowany jest na stojaku. Kula (2) obwinięta jest tkanina higroskopijną (pochłaniającą wodę). W kuli (3) znajduje się płynny eter, jego opary wypełniają rurkę (1).
Zasada działania:
Po zwilżeniu eterem tkaniny higroskopijnej, nastąpi ochładzanie się par eteru wewnątrz kuli (2). Wzrośnie parowanie eteru wewnątrz kuli (3). Obniży się temperatura płynnego eteru. Na pasku złota pojawią się kropelki rosy. W tym momencie odczytujemy wskazania obu termometrów. Wilgotność powietrza obliczamy ze wzoru:

wilgotność=P2/P1

gdzie P2 ciśnienie nasycenia pary w temperaturze t2, a P1 ciśnienie nasycenia pary w temperaturze t1.Obie wartości odczytujemy z tablic.
Uwagi:
Pomiary przy pomocy higrometru Daniella są bardzo dokładne, ale są dosyć uciążliwe. Stosuje się je raczej w laboratoriach.

Higrometry absorpcyjne

Budowa:
Składa się z zestawu naczyń przez które przepuszczane jest powietrze. W zestawie pierwszym (składającym się z dwóch naczyń) znajduje się substancja pochłaniająca parę wodną. Ilość pochłoniętej pary określa się przez dokładne zważenie naczyń. Znając ilość badanego powietrza można określić wilgotność bezwzględną. W kolejnym drugim zestawie (cztery naczynia) powietrze jest ponownie nawilżane do określonej wartości. W ostatnim trzecim zestawie (dwa naczynia) ponownie pochłaniana jest para wodna.
Stosunek pary pochłoniętej w pierwszym zestawie do pary pochłoniętej w trzecim zestawie jest wilgotnością względną badanego powietrza.
Uwagi:
Z powodu bardzo uciążliwej obsługi stosuje się je do sprawdzania pomiarów laboratoryjnych.

Psychometr Augusta

Opis budowy:
Czujnik ten składa się z dwóch identycznych termometrów (mają te same zakresy pomiarowe, dokładności wskazań, budowę, itp.). Jeden z nich zwilżany jest wodą destylowaną (nazywany jest mokrym).
Zasada działania:
Ciecz odparowując z powierzchni termometru powoduje jego oziębienie. Im mniejsza jest wilgotność względna tym szybsze parowanie wody i tym większa różnica wskazań termometrów. Korzystając z tablic psychometrycznych odczytujemy wynik.
Uwagi:
Trudność sprawia tu określenie prędkości przepływu gazu wokół termometrów, co powoduje duże błędy pomiaru (ok.15%). Dokładniejszy pomiar wilgotności można uzyskać stosując psychometry z wymuszonym obiegiem powietrza tzw.: psychometry aspiracyjne. Termometry znajdują się w specjalnych rurkach. Wentylator zapewnia stałą określoną prędkość przepływu powietrza.

Czujniki poziomu [do góry]

Do pomiaru poziomu stosuje się oprócz mechanicznych czujników również elektryczne metody pomiarowe.

Pneumatyczny czujnik poziomu

Opis budowy:
W zbiorniku (1) znajduje się ciecz (2), w której zanurzona jest rurka (3). Do zbiornika podłączony jest miernik ciśnienia (4).
Zasada działania:
Powietrze pod ciśnieniem pzas jest doprowadzane do rurki i przechodząc w postaci pęcherzyków przez warstwę cieczy wydostaje się do atmosfery. W zależności od poziomu cieczy występuje większy lub mniejszy spadek ciśnienia. Miernik ciśnienia wskazuje różnicę ciśnień odpowiadającą poziomowi cieczy w zbiorniku.
Uwagi:
Jako miernik ciśnienia stosuje się wagi pierścieniowe.

Pomiar poziomu cieczy czujnikiem rezystorowym

Zasada działania:
Pływak P przesuwa styk ślizgowy czujnika, którego rezystory R1,R2 są przyłączone do logometru. Rezystory R1d i R2d służą do dostosowania podziałki miernika do rozmiarów zbiornika, aby na podziałce można było odczytywać wynik pomiaru w litrach.
Uwagi:
Błąd pomiaru 5-10%. Stosuje się takie układy czujników np.: w zbiornikach paliwa w samolocie.

Pojemnościowy pomiar poziomu

Zasada działania:
W zbiorniku umieszczona jest jedna elektroda, drugą elektrodą jest zazwyczaj ścianka zbiornika. Zmiana poziomu substancji w zbiorniku powoduje zmianę pojemności tak utworzonego kondensatora.
Uwagi:
Czujnik ten używany jest do pomiaru poziomu ciał sypkich. Ma niewielką dokładność.

Czujnik indukcyjny

Zasada działania:
Wykorzystuje się tu zjawisko indukowania prądów wirowych. Ze zmianą poziomu cieczy, zmienia swe położenie pływak, a więc i umieszczony na rdzeniu czujnika pierścień metalowy niemagnetyczny P . Zmienia się wtedy wartość indukowanych prądów wirowych w pierścieniu i rezystancja cewki. Powoduje to zachwianie stabilności mostka i przepływu przez galwanometr prądu zależnego od poziomu cieczy.
Uwagi:
Prądy wirowe - prądy wzbudzane wewnątrz ciał ferromagnetycznych (o dużej przenikalności magnetycznej) o dużej masie, które przewodzą zmienny strumień magnetyczny.
Galwanometr - przyrząd pomiarowy umożliwiający pomiar bardzo słabych prądów elektrycznych.

Czujnik poziomu z zastosowaniem izotopów promieniotwórczych

Opis budowy:
1 - zbiornik z cieczą lub ciałem sypkim; 2 - źródło promieniowania; 3 - odbiornik promieniowania; 4 - wzmacniacz z przełącznikiem; 5 - silnik.
Zasada działania:
Promieniowanie wysyłane przez źródło jest częściowo pochłaniane przez substancję. Jeśli jej poziom zwiększy się lub zmniejszy to nastąpi zmiana promieniowania docierającego do odbiornika. Za pośrednictwem wzmacniacza i przełącznika następuje włączenie silnika, który przesuwa źródło i odbiornik wzdłuż prowadnic, aż do osiągnięcia poprzedniego stopnia promieniowania.