Раздел 1 Классификация датчиков и их характеристики Тема 1. Классификация датчиков и передаточные функции
Любой датчик является преобразователем энергии.
Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов.
Назначение датчиков
– реакция на определенное внешнее
физическое воздействие и преобразование
его в электрический сигнал, совместимый
с измерительными схемами. Другими
словами, можно сказать, что датчик —
это преобразователь физической величины
(часто неэлектрической) в электрический
сигнал. Под термином электрический
сигнал понимается
сигнал, который может быть преобразован
при помощи электронных устройств,
например, усилен или передан по линии
передач. Выходными сигналами датчиков
могут быть напряжение, ток или заряд,
которые описываются следующими
характеристиками: амплитудой, частотой,
фазой или цифровым кодом. Этот набор
характеристик называется форматом
выходного сигнала.
Таким
образом, каждый датчик характеризуется
набором входных параметров (любой
физической природы) и набором выходных
электрических параметров.
Вне зависимости
от типа измеряемой величины всегда
происходит передача энергии от
исследуемого объекта к датчику. Работа
датчика — это особый случай передачи
информации, а любая передача информации
связана с передачей энергии. Очевидным
является тот факт, что передача энергии
может проходить в двух направлениях,
т.е. она может быть как положительной,
так и отрицательной, например, энергия
может передаваться от объекта к датчику,
и, наоборот, от датчика к объекту. Особым
случаем является ситуация, при которой
энергия равна нулю, но и в этом случае
происходит передача информации о
существовании именно такой особой
ситуации. Например, инфракрасный датчик
температуры вырабатывает положительное
напряжение, когда объект теплее датчика
(инфракрасное излучение направлено в
сторону датчика), или отрицательное
напряжение, когда объект холоднее
датчика (инфракрасное излучение
направлено от датчика на объект).
Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобразователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером преобразователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустических волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Интересно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить ко входу усилителя, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции
Примером
привода является электрический мотор,
преобразующий электрическую энергию
в механическую.Рис. 1. Датчик может состоять из нескольких преобразователей, е , е2,…- различные виды энергии. Отметим, что последний элемент данной схемы является датчиком прямого действия
Преобразователи
могут быть частью составных датчиков
(рис.1.). Например, в состав химического
датчика могут входить два преобразователя,
один из которых конвертирует энергию
химических реакций в тепло, а другой,
термоэлемент, преобразовывает полученное
тепло в электрический сигнал. Комбинация
этих двух преобразователей представляет
собой химический датчик — устройство,
вырабатывающее электрический сигнал
в ответ на химическую реакцию. Отметим,
что в рассмотренном примере химический
датчик является составным датчиком,
состоящим из преобразователя и еще
одного датчика – датчика температуры.
В структуру составных датчиков, как
правило, входит хотя бы один датчик
прямого действия и несколько
преобразователей.
Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соответствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобразований энергии.
На практике датчики
не работают сами по себе. Как правило,
они входят в состав измерительных
систем, часто довольно больших,
объединяющих много разных детекторов,
преобразователей сигналов, сигнальных
процессоров, запоминающих устройств и
приводов.
Датчики в таких системах могут
быть как наружными, так и встроенными.
Системы классификации датчиков могут быть очень разными, от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации.
Все датчики можно
разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный
датчик не нуждается в дополнительной
энергии и в ответ на изменение внешнего
воздействия на его выходе всегда
появляется электрический сигнал. Это
означает, что такой датчик преобразует
энергию внешнего сигнала в выходной
сигнал. Примерами пассивных датчиков
являются термопары, фотодиоды и
пьезоэлектрические чувствительные
элементы. Большинство пассивных датчиков
являются устройствами прямого действия.
В отличие от пассивного собрата активный
датчик для своей работы требует внешней
энергии, называемой сигналом
возбуждения. При
формировании выходного сигнала активный
датчик тем или иным способом воздействует
на сигнал возбуждения.
Поскольку такие
датчики меняют свои характеристики в
ответ на изменение внешних сигналов,
их иногда называются параметрическими. Другим примером активных датчиков
является резистивный тензодатчик, чье
электрическое сопротивление зависит
от величины его деформации. Для определения
сопротивления датчика через него также
необходимо пропустить электрический
ток от внешнего источника питания.
В зависимости от
выбора точки отсчета датчики можно
разделить на абсолютные и относительные. Абсолютный датчик
определяет внешний сигнал в абсолютных
физических единицах, не зависящих от
условий проведения измерений, тогда
как выходной сигнал относительного датчика в
каждом конкретном случае может
трактоваться по-разному. Примером
абсолютного датчика является термистор.
Его электрическое сопротивление напрямую
зависит от абсолютной температуры по
шкале Кельвина. Другой же популярный
датчик температуры — термопара —
является относительным устройством,
поскольку напряжение на его выходе
является функцией градиента температуры
на проволочках термопары.
Другой подход к классификации датчиков заключается в рассмотрении их характеристик. Для того чтобы отнести датчик к той или иной группе необходимо знать, какие величины он может измерять, его характеристики, на каком физическом принципе он реализован, какой механизм преобразований он применяет, из какого материала он изготовлен, какая область его применения.
|
По типу воздействия на электрические характеристики
чувственного элемента датчики прямого действия делятся на:
кондуктометрические (переменный параметр — сопротивление или импеданс
чувственного элемента), амперометри-ческие (переменный параметр — ток ,
протекающий через чувствительный элемент) и потенциометрические (переменный
параметр — напряжение на паре электродов). При помощи соответствующих
электронных схем переменные параметры легко преобразуются из одной формы в
другую. Металл-оксидные химические датчики Металл-оксидные газовые датчики на основе диоксида олова (Sn02) появились в конце 1960-хгодов [2]. Они являются простыми и прочными устройствами, довольно легко согласуемыми с любыми электрическими схемами. Такие детекторы основаны на свойстве некоторых оксидов металлов в присутствии определенных газов (таких, как Ch4SH и С2Н5ОН) менять свои электрические характеристики. При нагреве в воздухе кристаллов оксида металла, к примеру, Sn02, до заданной достаточно высокой температуры поверхность кристалла начинает адсорбировать атомы кислорода, в результате чего она становится заряженной, что уменьшает ток электронов. При воздействии на поверхность детектора определенных газов происходит снижение ее потенциала, что значительно повышает проводимость кристалла. Для нахождения соотношения между электрическим сопротивлением пленки и измеряемой концентрацией газов можно воспользоваться следующим эмпирическим выражением: где Rs — электрическое сопротивление детектора, А — константа, определенная для данного химического состава, С — концентрация исследуемых газов, а а — наклон характеристической кривой сопротивления, построенной для данного оксида металла и конкретного газа. 
Поскольку в таких детекторах меняется удельное сопротивление
кристалла, они не могут работать самостоятельно, а должны быть включены в
состав дополнительной электронной схемы. В роли такой схемы, как правило,
используется мост Уитстона, в одно из плечей того встраивается детектор. Изменение сопротивления детектора приводит к разбалансу моста (рис. 17.4А). Для
температурной балансировки мостовой схемы применяется термистор с отрицательным
температурным коэффициентом (см. главу 16) с параллельным линеаризующим
резистором.
Рис. 17.4. Металл-оксидный химический детектор, включенный в
схему моста Уитстона (А) и его передаточные характеристики, построенные для
разных газов (Б)
Поскольку датчик ведет себя как сопротивление, величина
того меняется в зависимости от типа газа и его концентрации, падение
напряжения на нем будет пропорционально этому сопротивлению, поэтому можно
построить график зависимости падения напряжения от концентрации газов. Химические полевые транзисторы Такие датчики реализуются на основе полевых транзисторов, на затворы которых наносятся один или несколько слоев специальных покрытий, способных реагировать на определенные химические вещества (рис.  17.5). Эти
химические реагенты, воздействуя на затвор транзистора, меняют его проводимость
между стоком и истоком. Величина этих изменений определяется типом химического
вещества. В зависимости от типа исследуемых реагентов меняется и тип покрытий. Существующие химические полевые транзисторы позволяют детектировать водород в
воздухе, кислород в крови, некоторые нервно-паралитические газы, Nh4, С02 и
некоторые взрывоопасные вещества [5].
Рис. 17.5. Конструкция жидкостного химического полевого
транзистора и электрическая схема его включения
Для изготовления химических полевых транзисторов (ХПТ), также как и обычных ПТ, применяются тонкопленочные технологии. ХПТ, как правило, реализуются на подложке из кремния р-типа, на той методом диффузии сформированы две области «-типа (сток и исток). Полученная конструкция покрывается изоляционным слоем диоксида кремния, и над зоной между стоком и истоком формируется металлический электрод (затвор ПТ), на который наносится многослойное химическое покрытие.  Во время работы на транзистор подается
напряжение. Электроны, собирающиеся возле поверхности полупроводника за счет
поляризации специальных покрытий, нанесенных на затвор, формируют канал
проводимости между «-зонами стока и истока [6]. Фактически, ХПТ работает как
химически
управляемый резистор. ХПТ подключен ко входам
дифференциального усилителя, выходное напряжение того пропорционально
проводимости транзистора. Также проводимость ХПТ можно определить при помощи
преобразователя ток-напряжение с эталонным резистором R.
Затвор ХПТ, детектирующего водород, выполняется в виде Pb/Ni
пленки [7]. В усовершенствованных ХПТ, обладающих более высокой стабильностью,
к примеру, в ХПТ, используемых для детектирования жидкостных реагентов, между
затвором из диоксида кремния и мембраной, отделяющей затвор от анализируемого
состава, формируется слой гидрогеля Ag/AgCl (рис. 17.5). Селективная мембрана
обычно изготавливается из поливинилхлорида, полиуретана, силиконовой резины или
полиэфира.
В ХПТ, детектирующих ионы, затвор, покрывается слоем
электролита, химически активного по отношению к ионам определенных веществ, или
заменяется на другой полупроводниковый материал. Если ион-селективный материал
пропускает ионы, то ХПТ называется MEMFET, а если его мембрана является
непроницаемой для них, он называется SURFET. В присутствии определенных
химических веществ на затворе таких транзисторов появляется потенциал,
открывающий его канал проводимости, т.е. через него начинает течь ток, величина
того пропорциональна концентрации искомого компонента. Такие детекторы
имеют небольшие размеры и низкое потребление энергии. Если в ХПТ используются
энзимные мембраны, он называется ENFET, если ион-селективные — ISFET. Ион-селективные мембраны применяются для построения химических сенсоров, а
энзимные — биохимических. Энзимные мембраны, изготавливаются из полианилина
(PANIE).
Электрохимические датчики Электрохимические детекторы являются самыми универсальными среди всех химических сенсоров.  В зависимости от принципа действия они делятся
на детекторы, измеряющие напряжение (потенциометрические) и измеряющие
проводимость или сопротивление (кондуктометрические). В конструкции любого
электрохимического датчика присутствуют, как минимум, два специальных
электрода, между которыми протекает химическая реакция или происходит
перемещение зарядов, образующихся в процессе этой реакции. При проведении
измерений электрическая цепь детектора должна быть замкнута.
Электроды изготавливаются из каталитических металлов, таких
как платина или палладий, или из металлов с угольным покрытием. Площадь
электродов делается по возможности максимально большой, чтобы, как можно,
большее количество анализируемого раствора вступило в реакцию, поскольку от
этого зависит величина выходного сигнала. Для повышения срока службы и
увеличения реакционной способности поверхность электродов иногда обрабатывается
особым образом . На рис. 17.6 отображена схема электрохимического датчика. Электрод WE, участвующий в химической реакции, называется рабочим электродом. Электрический сигнал измеряется относительно вспомогательного электрода АЕ,
который не обязательно должен быть электролитическим. Третий электрод — эталонный
(RE) используется для корректировки погрешности, вносимой поляризацией
рабочего электрода. В современных электрохимических датчиках
толстопленочные электроды изготавливаются методом трафаретной печати, что
повышает их надежность и упрощает процесс производства.
Электролит — это среда, в той носителями зарядов
являются не электроны, а ионы. Это условие является первым критерием отбора
анализируемых химических реакций. Детектор, состоящий из электродов и
электролита, называется электрохимической ячейкой. В зависимости от того, за
какими электрическими параметрами ведется наблюдение (за сопротивлением,
напряжением, током, емкостью и т.д.), меняется и вид электрохимической ячейки. Далее в этой главе будут рассмотрены различные методы вольтамперометрии,
основанные на применении электрохимических детекторов.
Самая простая электрохимическая ячейка состоит из двух
электродов, помещенных в раствор электролита. Анализируемый газ, к примеру, СО
вступает в реакцию с рабочим электродом, в результате той вырабатываются
молекулы С02 и свободные электроны. Заряженные частицы притягиваются вторым
электродом, и если в среде есть кислород, происходит образование воды. Таким
образом, в электрохимической ячейке происходит преобразование СО в С02. Если
электроды соединить последовательно с резистором, и измерять падение напряжения
на нем, оно будет пропорционально протекающему току, а, значит, и концентрации
исследуемого газа.
Потенциометрические датчики Эти датчики основаны на влиянии концентрации реагентов на равновесие окислительно-восстановительных реакций, происходящих в электрохимической ячейке на границе электрод-электролит. В потенциометрических датчиках одновременно протекают реакции на двух электродах.  Однако анализируемые реагенты участвуют только в
одной из них.
Измерение потенциала ячейки потенциометрического датчика
выполняется при практически нулевом токе, т.е в квазиравновесном состоянии, для
чего требуется применение измерительного устройства, обладающего очень высоким
входным импедансом, называемого электрометром. С точки зрения переноса заряда
переходная область электрод-электролит может быть либо неполяризованной либо
поляризованной (емкостной). Некоторые металлы (к примеру, Hg, Au, Pt) при
контакте с растворами из инертных электролитов формируют переходную зону с
идеальной поляризацией. Тем не менее, даже здесь существует конечное
сопротивление переносу заряда, и процесс рассасывания избыточного заряда
происходит с постоянной времени, определяемой произведением емкости двуслойной
системы и сопротивления переносу заряда: т = R,Cdl.
Ион-селективные мембраны являются ключевыми компонентами
всех потенциометрических ионных сенсоров. Они определяют эффективность
детектирования ионов определенных веществ в присутствии ионов других
компонентов. Ион-селективные мембраны формируют с раствором неполяризованную
переходную зону. Хорошие мембраны, обладающие селективностью, стабильностью,
воспроизводимостью, устойчивостью к адсорбции и смешиванию, имеют также высокую
плотность обменного тока.
Кондуктометрические датчики Электрохимические датчики проводимости измеряют изменение проводимости электролита в электрохимической ячейке. Импеданс электрохимических сенсоров может быть емкостным, что связано с поляризацией электродов и переносом зарядов. В гомогенных электролитических растворах проводимость электролита G (Ом1) обратно пропорциональна расстоянию L между электродами вдоль электрического поля и прямо пропорциональна продольному сечению электрохимической ячейки А, перпендикулярному электрическому. Способы измерения проводимости электролитов при помощи кондуктомет-рических сенсоров остаются практически неизменными в течение многих лет.  Обычно электрохимическая ячейка включается в одно из резистивных плечей
моста Уитстона (аналогично схеме на рис. 17.4). Однако в отличие от измерения
проводимости твердых веществ, при определении проводимости электролитов
возникают проблемы, связанные с поляризацией электродов. В дополнение к этому
на поверхностях электродов происходят процессы переноса зарядов. Поэтому
желательно, чтобы кондуктометрические датчики работали при напряжениях, при
которых эти процессы не происходят. рекомендуется отметить, что при подаче напряжения
на ячейку, рядом с каждым электродом формируется двойной слой, что необходимо
учитывать при измерении проводимости. Влияние всех этих эффектов снижается при
использовании электрохимических ячеек с высоким значением отношения L/A, т.е. сопротивление ячеек должно лежать в интервале 1…50 кОм. Для выполнения этого
условия электроды должны обладать небольшой площадью поверхности, а расстояние
между ними рекомендуется делать, наоборот, крупным. Однако это приводит к снижению
чувствительности моста Уитстона. Для разрешения этого противоречия применяют
многоэлектродную структуру ячейки. Влияние двойного слоя и поляризации также
значительно снижается при использовании переменного тока высокой частоты и небольшой
амплитуды. Существует еще один хороший способ балансировки емкости и
сопротивления рабочей ячейки — подключение конденсатора переменной емкости
параллельно резистору, стоящему в соседнем плече моста.
Амперометрические датчики Датчик Кларка для детектирования кислорода, разработанный в 1956 году, является примером амперометрических химических сенсоров [10, 11]. Принцип действия элемента Кларка основан на перемещении молекул кислорода, проходящих сквозь мембрану, к металлическому катоду через раствор электролита. В результате протекания двухступенчатой окислительно-восстановительной реакции происходит увеличение тока через катод. рекомендуется отметить, что величина тока не зависит от толщины слоя электролита и его диффузионных свойств.  Мембраны, способные пропускать
кислород, как правило, изготавливаются из тефлона. Чувствительность датчика
определяется отношением тока к парциальному давлению кислорода:
к примеру, при толщине мембраны 25 мкм и площади катода 2•
106см2 чувствительность элемента Кларка составляет 10 12 А/мм.рт.ст.
Рис. 17.7. Схема элемента Кларка (А) и одномерная модель
первого порядка распределения давления кислорода внутри системы (Б) [11]
На основе двух элементов Кларка можно построить датчик, измеряющий относительный дефицит кислорода, вызванный протеканием энзиматической реакции. На рис. 17.8 отображена схема, поясняющая принцип действия такого детектора, состоящего из двух идентичных электродов Кларка, один из которых (А) покрыт слоем активного окислителя, а второй (В) — пассивным ферментом. датчики такого типа применяются для детектирования глюкозы. Запуск энзиматической реакции происходит за счет либо нагрева, либо облучения.  Конструкция датчика из двух
платиновых катодов и одного серебряного анода монтируется в пластиковом
держателе, расположенном внутри стеклянной коаксиальной трубки. При отсутствии
энзиматической реакции токи через оба электрода практически равны друг другу,
вследствие того, что до них доходит приблизительно одинаковое количество моле—
Рис. 17.8. Упрощенная схема амперометричес-кого датчика
Кларка, используемого для детектирования глюкозы
кул кислорода. Когда в исследуемом растворе присутствует
глюкоза, запускается ферментная реакция, что вызывает снижение количества
атомов кислорода, дошедших до поверхности активного электрода, а, значит, в
выходной цепи наблюдается разбаланс токов.
Каталитические детекторы газов Такие детекторы реализуются на основе простых электрохимических ячеек, встраиваемых в довольно сложные измерительные системы [12]. Электрохимические ячейки, изготовленные из металлокерамических пленок, позволяют проводить потенциометрические и амперометрические измерения по количественному определению концентраций широкого спектра газов.  Каталитические
датчики можно разделить на электрокаталитические и фотокаталитические
детекторы.
На рис. 17.9 отображен электрокаталитический датчик,
реализованный на основе толстопленочной электрохимической ячейки электролитного
типа. Такая ячейка изготавливается методами печатного монтажа и отжига и
представляет собой многослойную структуру из металлокерамических материалов,
нанесенных на подложку из оксида алюминия толщиной 625 мкм. Нижний электрод
толщиной 15 мкм, состоящий из платины, нанесенной на слой оксида никеля,
является эталонным. Верхний чувствительный электрод толщиной 5 мкм изготовлен
из платины, спеченной с пористым материалом. Два электрода отделены друг от
друга слоем толщиной 25…30 мкм из твердого электролита на основе циркония,
стабилизированного иттрием (YSZ). Таким образом, конечная структура датчика состоит
из последовательности слоев: Al203\Pt\Ni-NiO\YSZ\Pt. Электрический потенциал,
формируемый в таком детекторе, пропорционален натуральному логарифму отношения
парциальных давлений газов, действующих на противоположные поверхности датчика. Поскольку химические реакции зависят от температуры, для поддержания заданного
уровня температуры в детектор встраивается нагреватель и датчик температуры.
На рис. 17.10 отображен фотокаталитический детектор,
реализованный на основе пленки из оксида титана. Когда пленка из Ti02
подвергается воздействию УФ излучения с длиной волны менее 320 нм,
электрохимические процессы, протекающие в детекторе в присутствии определенных
химических реагентов усиливаются, что вызывает изменение ее сопротивления [14]. Его можно описать уравнением Нернста (уравнение (17.3)). На основе таких
детекторов строятся автомобильные кислородные датчики.
Рис. 17.9. Электрокаталитический газовый микродатчик,
изготовленный на керамической подложке с нагревательным элементом и
резистив-ным детектором температуры с одной стороны и толстой пленкой из
твердого электролита с другой стороны
Рис. 17.10. Фотокаталитический газовый микродатчик
При подаче на электроды внешнего напряжения инициируются
химические реакции. В результате изменения напряжения газы на поверхности
электродов либо восстанавливаются, либо окисляются, отдавая или забирая при
этом свободные электроны (см. уравнение (17.2)). Протекающие реакции влияют на
величину тока /, проходящего через пленку. Этот ток, измеряемый при помощи
амперметра, зависит от приложенного напряжения и типа исследуемых газов. На его
величину также оказывает влияние скорость изменения напряжения и реактивная
составляющая тока, возникающего вследствие электролитического процесса .
[13]. Управляя формой сигнала напряжения, можно разделить
эти две составляющие, что позволяет улучшить характеристики детектора. Такие датчики могут работать как с одним источником излучений, так и с
несколькими, настроенными на разную длину волны, что позволяет при
соответствующем легировании пленок из Ti02 расширять диапазон детектируемых
газов.
Настройка детекторов на конкретный химический газ
выполняется как регулированием приложенного напряжения, так и изменением длины
волны излучения. В электрокаталитических датчиках газы на поверхностях электродов
вступают в химические реакции только при определенных, только для них
характерных напряжениях диссоциации, в результате чего на регистрирующей
аппаратуре будут фиксироваться всплески или падения тока, протекающего через
детектор. Поскольку такие датчики могут работать только будучи встроенными в
измерительные системы, они занимают промежуточное положение между простыми
детекторами и составными устройствами.
Эластомерные химические резисторы Эластомерные химические резисторы или полимерные проводящие композиты (часто называемые полимерными проводниками (ПП)) являются полимерными пленками, увеличивающимися в своих величиных при поглощении определенных химических веществ. Это приводит к повышению их сопротивления, что и является признаком присутствия искомых газов. Хотя в таких датчиках и не протекают никакие химические реакции, их все же относят к классу химических сенсоров.  Селективность химических резисторов определяется способом обработки полимеров. ПП широко применяются в качестве чувствительных элементов в составе более
сложных измерительных устройств [15]. Для обнаружения простых углеродсодержащих
компонентов,
таких как изопропиловый спирт, датчикам на основе ПП
требуется пара секунд, а при детектировании более сложных масел это время
возрастает до 10…15 секунд. Химические резисторы могут работать в течение
нескольких месяцев, при условии что не подвергаются действию коррозионных
реагентов. Часто из ПП, по разному обработанных, формируют матрицы для
детектирования подгруппы химических веществ. Химические резисторы могут отличить,
к примеру, уксусную кислоту от ацетона, но их не применяют для количественного
определения концентрации реагентов. Серийно выпускаемые эластомерные детекторы
часто используются для обнаружения таких газов как 02, С12, Н2 и N0, т.е. газов, которые также могут детектироваться при помощи металл-оксидных сенсоров. Но в отличие от металл-оксидных детекторов химические резисторы обладают
меньшим потреблением энергии, и для работы им не требуются высокие температуры.
Для обнаружения жидкостных компонентов датчик должен
реагировать на определенную концентрацию конкретного реагента. Это значит, что
детектор должен обладать чувствительностью к физическим и/или химическим
свойствам исследуемой жидкости. Примером такого датчика может служить резистивный
детектор обнаружения утечек углеводородного топлива (первоначально такой
детектор, разработанный в Bell Communication Research, применялся в системах
защиты углубленных телефонных кабелей). Такой детектор изготавливается на
основе кремния и композита на основе черного угля. Полимерная матрица выполняет
роль чувственного элемента, а проводящая прокладка используется для
получения сравнительно низкого значения удельного сопротивления (порядка 10 Ом
• см) в исходном состоянии. Такая структура является чувствительной к
растворителям с высоким коэффициентом взаимодействия между растворителем и
полимером [16]. Поскольку датчик не реагирует на полярные жидкости, такие как
вода и спирт, его можно использовать в условиях работы под землей. Резистивный детектор
изготавливается в виде тонкой пленки с высоким отношением площади поверхности к
толщине. Когда искомый реагент вступает в контакт с пленочным чувствительным
элементом, полимерный материал расширяется, что приводит к увеличению
расстояния между проводящими частицами. Это означает, что композитная пленка из
проводника превращается в диэлектрик с удельным сопротивлением 109 Ом • см и
даже выше. Время реакции таких детекторов обычно меньше 1 с. Когда
углеводородное топливо перестает воздействовать на пленку, она возвращается в
свое исходное состояние.
. Список тем Назад Вперед
Информация исключительно в
ознакомительных целях. При использовании
материалов этого сайта ссылка
обязательна. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
Правообладатели статей являются их
правообладателями.Режиссура и реверс
от редакции
Воздух для открытия/закрытия клапанов и направление управляющего действия
Регулирующие клапаны бывают двух видов: воздух для открытия; и воздух, чтобы закрыть.
Клапаны «воздух для открытия» обычно удерживаются в закрытом состоянии пружиной, и для их открытия требуется давление воздуха (управляющий сигнал) – они открываются постепенно по мере увеличения давления воздуха.
Клапаны с воздухом для закрытия представляют собой клапаны, которые удерживаются в открытом состоянии пружиной клапана и требуют давления воздуха для перемещения их в закрытое положение.
Клапаны двух типов предназначены для обеспечения отказоустойчивой работы. В случае отказа КИПиА важно, чтобы все регулирующие клапаны вышли из строя в безопасном положении (например, клапаны подачи экзотермического реактора (или, возможно, только один из клапанов) должны быть закрыты (воздух открывается), а его теплоноситель клапаны системы не открываются (воздух закрывается)).
Тип используемого клапана, очевидно, влияет на то, что должен делать контроллер – изменение типа клапана будет означать, что контроллеру потребуется переместить манипуляцию в противоположном направлении.
Для упрощения этого курса мы будем предполагать, что мы всегда используем воздух для открытия клапанов – увеличение управляющего воздействия вызовет открытие клапана и увеличение потока через него.
Другая важная вещь, которую вам нужно понять, это направление управляющего действия. Рассмотрим систему, показанную на схеме.
Рассмотрим два случая:
1) Контроллер уровня LC, управляющий выпускным регулирующим клапаном.
В этом процессе я подключил регулятор уровня к нижнему клапану. Для этой конфигурации контроллеру необходимо увеличить свой сигнал (и, следовательно, расход), когда уровень в резервуаре увеличивается.
2) Контроллер уровня LC, управляющий впускным регулирующим клапаном.В этом случае контроллеру необходимо уменьшить расход при увеличении уровня в баке.
Обе конфигурации одинаково способны управлять уровнем, но требуют от контроллера совершенно противоположных действий. Вот что включает в себя направление управляющего действия.
Контроллер прямого действия имеет тенденцию увеличиваться по мере увеличения сигнала измерения.
Контроллер обратного действия — это контроллер, выходной сигнал которого имеет тенденцию к уменьшению по мере увеличения измеряемого сигнала.
Все системы управления являются программируемыми (обычно обозначаются DIR/REV), что позволяет переключать контроллер с прямого действия на обратное или наоборот.
Важно получить правильное направление управляющего воздействия. Если все настроено правильно, система управления с обратной связью будет испытывать отрицательную обратную связь, а это означает, что система будет действовать, чтобы уменьшить количество ошибок в своем выходе.
Если вы неверно направите управляющее действие, система получит положительную обратную связь и усилит ошибки вывода, что, скорее всего, приведет к нестабильности системы. Если у вас возникли проблемы с настройкой стабильного контроллера, первое, что нужно проверить, это то, что вы установили правильное направление действия управления!
Различные комбинации действия регулирующих клапанов и контроллеров 1. Регулирующий клапан при отказе открытия / контроллер прямого действия Если регулирующий клапан с аварийным открытием работает в паре с контроллером прямого действия, мы получаем следующую производительность процесса: При повышении уровня процесса выходной сигнал контроллера повышается, что приводит к закрытию клапана.
Если уровень процесса ниже уставки, контроллер будет полностью открыт.
Поведение аналогично регулятору прямого действия, только реакция клапана/контроллера медленнее.
2. Неисправный регулирующий клапан / контроллер обратного действияВ этом случае, когда уровень процесса повышается, выход контроллера уменьшается, что приводит к открытию клапана.
Если уровень процесса ниже уставки, клапан закрывается.
Примером такого применения является рециркуляционный клапан компрессора.
3. Клапан управления закрытием при отказе / контроллер прямого действияТо же, что клапан открытия при отказе / контроллер обратного действия. Увеличение уровня процесса означает увеличение выходного сигнала контроллера, что означает, что клапан открыт.
Если уровень процесса ниже уставки, клапан закрывается. Типичным применением является контроль противодавления. (В этом случае контроллер клапана действует аналогично PSV.
)
Повышение уровня процесса означает снижение выходного сигнала контроллера, что означает, что клапан закрыт.
Если уровень процесса ниже уставки, клапан открыт.
Обычно используется для контроля давления.
Читайте также: Анимация работы регулятора воздушного фильтра
Будьте первым, кто получит эксклюзивный контент прямо на вашу электронную почту.
Обещаем не спамить. Вы можете отписаться в любое время.
Неверный адрес электронной почты
Категории Системы управления, регулирующие клапаны2023 © Воспроизведение без явного разрешения запрещено. – Курсы PLC SCADA – Сообщество инженеров
Датчик давления газа Go Direct®
Датчик давления газа Go Direct используется для контроля давления газа в различных экспериментах. Он записывает точные показания абсолютного давления относительно точки отсчета идеального вакуума внутри датчика, что позволяет снизить давление ниже атмосферного или до 400 9 .
0115 кПа . Легко измените отображаемые единицы измерения на любой из семи вариантов ( кПа , мм рт.ст., дюйм рт.ст., мбар, фунтов на кв. дюйм , атм , торр). Включает шприц, трубку и пробки для облегчения установки для экспериментов, таких как закон Бойля.
Датчик давления газа Go Direct можно использовать в различных экспериментах:
- Исследование закона Бойля и закона Шарля.
- Изучите силу хвата и мышечную усталость (с помощью газовой лампочки, не входит в комплект).
- Измерьте производство газообразного кислорода, образующегося при разрушении перекиси водорода ферментом каталазой.
- Мониторинг транспирации растений.
Аккумуляторная батарея — готово, когда вы
Надежная перезаряжаемая батарея обеспечивает длительный срок службы и постоянную готовность к работе при беспроводном использовании датчика.
Контролируйте срок службы батареи непосредственно из нашего отмеченного наградами приложения Vernier Graphical Analysis™ Pro, а также с помощью LabQuest ® 3. Если батарея разрядится, просто подключите датчик к зарядному кабелю и продолжайте сбор данных — никаких перерывов или неудобств для вас. или ваши ученики.
Беспроводная или проводная связь — гибкость выбора
Наши датчики Go Direct подключаются непосредственно к вашему мобильному устройству, Chromebook ™ или компьютеру с помощью нашего приложения Vernier Graphical Analysis ™ Pro — дополнительное оборудование или программное обеспечение не требуется. Датчики Go Direct можно использовать с проводным подключением через USB или беспроводным способом через беспроводную технологию Bluetooth ® , что позволяет выбрать решение, наиболее подходящее для вашего класса или лаборатории.
Закон Бойля Использование Go Direct ® Давление газа (7:16) Узнайте силу своего хвата с помощью Go Direct® Gas Pressure (4:34)
Дополнительные видео
Изучение химии с помощью практических экспериментов (1:01:20) Газовые законы в Jiffy (1:03:04) Измерение растворимости газов с помощью газировки (60:52) Советы по расширению курса обучения закону Бойля (59:27)
Эксперименты
Начальная школа (10 экспериментов)| Эксперимент | Лабораторная книга |
|---|---|
| Обучение работе с датчиком давления | Исследование давления газа |
| Под давлением | Исследование давления газа |
| Держись! | Исследование давления газа |
| Пузыри в хлебе | Исследование давления газа |
| Воздушный шар! | Исследование движения |
| Обучение работе с датчиком давления | Элементарная наука с нониусом |
| Возьмитесь за руки! | Элементарная наука с нониусом |
| Под давлением | Элементарная наука с нониусом |
| Пузыри в вашем хлебе 90 176 | Элементарная наука с нониусом |
| Воздушный шар! | Элементарная наука с нониусом |
| Эксперимент | Лабораторная книга |
|---|---|
| Введение в данные Коллекция | Изучение наук о жизни |
| Взять себя в руки | Изучение жизни Наука |
| Дрожжевые звери в действии | Изучение наук о жизни |
| Развлечение под давлением | Изучение физических наук |
| Держись! | Наука для средней школы с нониусом |
| Развлечение с давлением | Наука для средней школы с нониусом |
| Дрожжевые звери в действии 9 0176 | Наука для средней школы с нониусом |
| Давление и объем газа | Физические науки с нониусом |
| Температура и давление газа | Физические науки с нониусом |
| Развлечение с давлением | Физические науки с нониусом |
| Эксперимент | Лабораторная книга |
|---|---|
| Влияние кислотного дождя на структуру мрамора | Химические исследования с использованием AP* Химия |
| Исследование чистоты смеси | Химия с нониусом Исследования для использования с AP* Химия |
| Транспирация | Сельскохозяйственные науки с нониусом |
| Сельскохозяйственные науки с нониусом | |
| Действие лактазы | Сельскохозяйственные науки с нониусом |
| Осмос | Сельскохозяйственные науки с нониусом |
| Осмос | Усовершенствованная биология с Вернье |
| Действие фермента: Тестирование каталазной активности nier | |
| Клеточное дыхание (давление) | Расширенная биология с нониером |
| Транспирация | Углубленная биология с нониусом |
| Ферментация с дрожжами | Изучение биологии посредством исследования |
| Транспирация растений | Изучение биологии путем исследования |
| Исследование осмоса | Исследование Изучение биологии посредством исследований |
| Тестирование активности каталазы (давление газа) | Изучение биологии посредством исследований |
| Транспирация | Биология с нониусом |
| Дыхание клеток (давление) | Биология с нониусом |
| Ферментация сахара | Биология с нониусом |
| Влияние температуры на ферментацию 90 176 | Биология с нониусом |
| Осмос | Биология с нониусом |
| Действие лактазы | Биология с нониусом |
| Действие фермента: Тестирование активности каталазы | Биология с нониусом |
| Разложение перекиси водорода | Высшая химия с нониусом |
| Изучение свойств газов | Передовая химия с нониусом |
| Давление пара и теплота парообразования | Высшая химия с нониусом |
| Молярная масса летучей жидкости | Высшая химия с нониусом |
| Молярный объем газа | Высшая химия с нониусом |
| Исследования давления паров и теплоты испарения | 901 78 Изучение химии через исследования |
| Повторные исследования пищевой соды и уксуса | Исследование химии посредством исследования |
| Скорость реакции | Исследование химии посредством исследования |
| Ферментативная активность | Изучение химии путем исследования |
| Ферментация сахара дрожжами | |
| Давление паров жидкостей | Химия с нониусом |
| Закон Бойля: Зависимость давления от объема в газах | Химия с нониусом |
| Зависимость давления от температуры в газах | Химия с нониусом |
| Приготовление под давлением | Эксперименты по пищевой химии |
| Давление и объем газа 901 76 | Физические науки с нониусом |
| Температура и давление газа | Физические науки с нониусом |
| Развлечение с давлением | Физические науки с нониусом |
| Эксперимент | Лабораторный журнал |
|---|---|
| Транспирация | Сельскохозяйственная наука с нониусом 9 0179 |
| Действие фермента: тестирование активности каталазы | Сельскохозяйственные науки с нониусом |
| Действие лактазы | Сельскохозяйственные науки с нониусом |
| Осмос | Сельскохозяйственные науки с нониусом |
| Осмос | Усовершенствованная биология с Вернье |
| Действие фермента: Тестирование каталазной активности nier | |
| Клеточное дыхание (давление) | Расширенная биология с нониером |
| Транспирация | Углубленная биология с нониусом |
| Ферментация с дрожжами | Изучение биологии посредством исследования |
| Транспирация растений | Изучение биологии путем исследования |
| Исследование осмоса | Исследование Изучение биологии посредством исследований |
| Тестирование активности каталазы (давление газа) | Изучение биологии посредством исследований |
| Транспирация | Биология с нониусом |
| Дыхание клеток (давление) | Биология с нониусом |
| Ферментация сахара | Биология с нониусом |
| Влияние температуры на ферментацию 90 176 | Биология с нониусом |
| Осмос | Биология с нониусом |
| Действие лактазы | Биология с нониусом |
| Действие фермента: Тестирование активности каталазы | Биология с нониусом |
| Разложение перекиси водорода | Высшая химия с нониусом |
| Изучение свойств газов | Передовая химия с нониусом |
| Давление пара и теплота парообразования | Высшая химия с нониусом |
| Молярная масса летучей жидкости | Высшая химия с нониусом |
| Молярный объем газа | Высшая химия с нониусом |
| Исследования давления паров и теплоты испарения | 901 78 Изучение химии через исследования |
| Повторные исследования пищевой соды и уксуса | Исследование химии посредством исследования |
| Скорость реакции | Исследование химии посредством исследования |
| Ферментативная активность | Изучение химии путем исследования |
| Ферментация сахара дрожжами Химия питания через исследования | |
| Приготовление пищи под давлением | Эксперименты по пищевой химии |
Требования
Выберите платформу ниже, чтобы просмотреть ее требования совместимости.
| Интерфейс | Приложение LabQuest |
|---|---|
| LabQuest 3 | Полная поддержка |
| LabQuest 2 (отсутствует ued) | Полная поддержка 1 |
| LabQuest (снято с производства) | Несовместимо |
Примечания по совместимости
- Для беспроводного подключения этого датчика к LabQuest 2 требуется адаптер Bluetooth Go Direct при использовании с некоторыми старыми моделями LabQuest 2.
| Программное обеспечение | |
|---|---|
| Интерфейс | Приложение графического анализа для компьютеров |
| Полная поддержка 1 | |
| LabQuest 3 | Полная поддержка 2 |
| LabQuest 2 (снято с производства) | Полная поддержка 2 3 |
Примечания о совместимости
- Для подключения Bluetooth ® поддерживаются только компьютеры под управлением Windows 10 или Mac OS X 10.
10 или более поздней версии. Компьютер также должен иметь совместимое радио Bluetooth 4.0 + . - Подключите этот датчик напрямую к компьютеру или Chromebook через USB или беспроводное соединение Bluetooth ® для достижения наилучших результатов. Кроме того, этот датчик полностью поддерживается при использовании с LabQuest 2 или LabQuest 3, когда LabQuest подключен к компьютеру или Chromebook через Wireless Data Sharing.
- Для беспроводного подключения этого датчика к LabQuest 2 требуется адаптер Bluetooth Go Direct при использовании с некоторыми старыми моделями LabQuest 2.
10 или более поздней версии. Компьютер также должен иметь совместимое радио Bluetooth 4.0 + .| Программное обеспечение | |
|---|---|
| Интерфейс | Приложение графического анализа для Chrome |
| Полная поддержка | |
| LabQuest 3 | Полная поддержка 1 |
| Лабораторный квест 2 (снято с производства) | Полная поддержка 1 2 |
Примечания по совместимости
- Подключите этот датчик напрямую к компьютеру или Chromebook через USB или беспроводную связь Bluetooth 9013 9 ® соединение для достижения наилучших результатов. Кроме того, этот датчик полностью поддерживается при использовании с LabQuest 2 или LabQuest 3, когда LabQuest подключен к компьютеру или Chromebook через Wireless Data Sharing.
- Для беспроводного подключения этого датчика к LabQuest 2 требуется адаптер Bluetooth Go Direct при использовании с некоторыми старыми моделями LabQuest 2.
Кроме того, этот датчик полностью поддерживается при использовании с LabQuest 2 или LabQuest 3, когда LabQuest подключен к компьютеру или Chromebook через Wireless Data Sharing.| Программное обеспечение | ||
|---|---|---|
| Интерфейс | Приложение графического анализа для iOS | Графический анализ GW для iOS |
| Интерфейс не требуется | Полная поддержка | Полная поддержка |
| LabQuest 3 | Полная поддержка 1 2 | Полная поддержка 1 2 |
| LabQuest 2 (снято с производства) | Полная поддержка 1 2 3 | Полная поддержка 1 2 3 |
Примечания по совместимости
- Подключите этот датчик напрямую к поддерживаемому мобильному устройству через беспроводную связь Bluetooth ® соединение для достижения наилучших результатов.
- Устройства iOS и Android ™ могут подключаться к LabQuest 2 или LabQuest 3 только через Wireless Data Sharing.
- Для беспроводного подключения этого датчика к LabQuest 2 требуется адаптер Bluetooth Go Direct при использовании с некоторыми старыми моделями LabQuest 2.
| Программное обеспечение | |||
|---|---|---|---|
| Интерфейс | Приложение для графического анализа для Android | Графический анализ GW для Android | Google Science Journal 9 0168 |
| Интерфейс не требуется | Полная поддержка | Несовместимость | Полная поддержка 1 |
| LabQuest 3 | Полная поддержка 2 3 | Полная поддержка 2 | Несовместимый |
| LabQuest 2 (снято с производства) | Полная поддержка 2 3 4 | Полная поддержка 2 4 | Несовместимость |
Примечания о совместимости
- В дополнение к установлено приложение «Научный журнал» и включено разрешение «Местоположение», вы также должны установить «Графический анализ 4» на свое устройство Android, чтобы использовать этот датчик.
- iOS и Android 9Устройства 0139™ могут подключаться к LabQuest 2 или LabQuest 3 только через Wireless Data Sharing.
- Для достижения наилучших результатов подключите этот датчик напрямую к поддерживаемому мобильному устройству через беспроводное соединение Bluetooth ® .
- Для беспроводного подключения этого датчика к LabQuest 2 требуется адаптер Bluetooth Go Direct при использовании с некоторыми старыми моделями LabQuest 2.
| Программное обеспечение | |
|---|---|
| Интерфейс | Javascript |
| Интерфейс не требуется | Полная поддержка 1 |
Примечания по совместимости
- Беспроводная связь Bluetooth Соединение ® можно установить с датчиками Go Direct на любой платформе, на которой запущен браузер с поддержкой WebBluetooth. Однако было протестировано лишь несколько операционных систем, и тестирование было ограничено.
