Первичные измерительные преобразователи в системах безопасности

(Б)

Рис.  4.  Датчик измерения давления по переменному магнитному сопротивлению: А — основной принцип действия, Б — экви­валентная схема.

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 1/2 w.

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 кондуктивной теплопередачи через окружающие твер­дые предметы подвешена на очень тонких со­единительных элементах. Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, для того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем сим­метричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитные теплопотери. Пластины нагрева­ются при помощи электри­ческих нагревателей. В рас­сматриваемом датчике на­гревательным элементом является термистор с отри­цательным температурным коэффициентом (ОТК). Сопротивления термисторов равны и имеют сравнительно низкий но­минал, поэтому в них воз­можно протекание процес­са саморазогрева Джоуля.

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 охранный объемный 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 менее                                                                                          1.6

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+50

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