Материал: 00368
С каждым последующим шагом возможности выбора будут сокращаться, так как будет сужаться область поиска. Общим объединительным мотивом на всех этапах выбора необходимого датчика является непротиворечивое выполнение требований данного измерения.
2. Проводится обоснование выбора мест измерений параметра на объекте. Здесь может быть несколько важных соображений — экстремальность параметра в данном месте; представительность данного места для описания общей картины процессов на объекте; корреляция данного параметра в данном месте с другими параметрами, измерение которых намечается, и т.д. Немаловажное значение имеет доступность данного места для размещения датчика. На этом шаге целесообразно рассмотрение альтернативных реализаций измерения требуемого параметра в данном месте. Например, пусть необходимо измерить температуру потока криогенной жидкости в магистрали малого диаметра при высоком давлении. Анализ может привести к нежелательности нарушения целостности магистрали и приварки к ней штуцера для размещения датчика. Кроме того, может оказаться нежелательным создание гидравлических потерь на погружаемой в поток части датчика. Значит, может рассматриваться альтернативное измерение температуры на внешней стенке магистрали, и задача измерения температуры жидкости модифицируется в задачу идентификации температуры жидкости по измеряемой температуре внешней стенки магистрали.
Однако будем исходить далее из того, что место выбрано и прямое измерение возможно.
3. Из числа известных датчиков для измерений данного параметра выбираются датчики, размещение которых по геометрическим присоединительным размерам возможно. При этом выбираются датчики, имеющие нужную глубину погружения чувствительного элемента, а также, исходя из соображений локальности или осредненности измеряемого параметра, выбирают датчики с чувствительными элементами с сосредоточенными в нужной области параметрами.
4. Из выбранных датчиков, отбираются работоспособные в эксплуатационных условиях (механическая надежность). При этом необходимо учитывать как общие климатические (температура окружающей среды, давление, влажность и т.д.), механические (вибрации, удары, линейные и угловые ускорения и т.д.), так и всю совокупность специальных требований (агрессивность среды, скорость набегающего потока, температура и давление среды, цикличность и многоразовость воздействий, проникающая радиация и т.д.).
Необходимо понимать, что совокупное воздействие всех факторов на датчик существенно жестче, чем раздельное воздействие каждого
фактора. Датчик должен обладать, по крайней мере, 25 % запасом прочности по отношению ко всей совокупности воздействий в течение всего времени эксплуатации.
Для квазистатических измеряемых параметров отбираются датчики, обеспечивающие необходимую точность (стабильность функции преобразования в допустимых пределах) в условиях эксплуатации (метрологическая надежность)*. На этой стадии отбираются датчики, принцип преобразования в которых обеспечивает необходимое метрологическое качество. При этом могут оказаться конкурентоспособными несколько принципов преобразования. Но может оказаться, что, ни один из принципов преобразования не подходит по точности. В этом случае может быть предпринята попытка использования наилучших вариантов с последующей необходимостью коррекции результатов измерений. Для этого требуется знание функций влияния и необходима информация о поведении дестабилизирующих факторов в процессе измерений.
6. Для динамических измерений параметров отбираются датчики по динамическим характеристикам на соответствие динамике измеряемого параметра. Динамическая погрешность отобранных датчиков должна соответствовать допустимым значениям. В случае несоответствия должна быть рассмотрена возможность введения корректирующих поправок в результат измерений. Процедура введения поправок предполагает априорные знания о динамике процесса и динамических характеристиках выбранного датчика. Иногда лимитирующим фактором является кратковременность исследуемого процесса.
Вместе с тем точность и динамичность датчика находится в постоянном противоречии с его механической и метрологической надежностью. В борьбе за выживаемость датчика нередко приходится жертвовать его быстродействием и точностью.
7. Отбор датчиков по принципу системной совместимости. Если в результате отбора по предыдущим пунктам остаются еще альтернативные варианты датчиков, то последним соображением для выбора является принцип системной совместимости. В современной технике измерения, как правило, проводятся, как многопараметрические, коллективные, тогда отдельные измерительные средства (датчики, коммутаторы, усилители, устройства мультиплексирования, регистрирующие устройства и так далее) комплектуются в информационно-измерительные системы (ИИС). Однако применительно к выбору датчиков крайне желательным является единство принципа преобразования в используемых датчиках (по крайней мере, минимальное число принципов преобразования).
3.Принципы преобразования в датчиках
3.1. Резистивные преобразователи
Данный принцип преобразования объединяет преобразователи, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в изменение активного сопротивления чувствительного элемента датчика. Особая привлекательность такого принципа преобразования состоит в том, что активное сопротивление относится к числу электрических параметров, измеряемых с высокой точностью, а сами операции преобразования при измерении активного сопротивления просты, немногочисленны и надежны. Рассмотрим наиболее важные виды резистивного преобразования, нашедшие массовое применение в датчиках.
3.1.1. Терморезистивные преобразователи
Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающей высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к разнообразным дестабилизирующим факторам.
Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом сопротивления — ТКС. Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рис. 2.1 (W=R/R0). Как легко видеть, металлы 1 обладают положительным, но малым ТКС, полупроводниковые материалы (термисторы) 2 — отрицательным ТКС примерно на порядок больше, чем у металлов, а полупроводниковые сегнетоэлектрические керамики (позисторы) 3 — положительным ТКС и тоже значительным.
Рис. 2.1. Зависимость ТКС от температуры для металлических и полупроводниковых материалов.
3.1.2. Металлические терморезистивные преобразователи
В ряду металлических материалов, используемых в термометрии, несомненно, первое место принадлежит платине — Pt, которая широко используется и в рабочих, и в образцовых, и в эталонных термометрах. Диапазон использования платины -269...+1100 °С. Термометрическая платина для рабочих термометров характеризуется ТКС
Для воспроизведения международной практической термометрической шкалы используется особо чистая платина в виде отожженной свободной от напряжения проволоки, имеющей ТКС
Зависимость сопротивления платинового термометра от температуры экстраполируется следующими выражениями:
W=l+At+Bt2 в диапазоне температуры 0...850 °С; W=l+At+B2+C(t-100)t2 в диапазоне температуры -200...0 °С, где А = 3,968×10-3 К-1; В = -5,8×10-7 К-2; С = -4,1×10-12 К-4
С целью обеспечения взаимозаменяемости рабочие термометры при изготовлении разбиваются на группы. В пределах группы термометры имеют общую функцию преобразования. Допуска на группу устанавливаются сообразно требуемой точность измерения.
Второе место по распространенности применения в качестве термометрического материала в рабочих термометрах занимает медь. Поскольку медь относится к числу легко окисляемых металлов, диапазон ее применения ограничивается областью ±200 °С (при защитных покрытиях до 300 °С).
В диапазоне -50...+200 °С медь имеет почти линейную температурную зависимость, которая с достаточной степенью точности описывается соотношением
W = l + αt.
К числу недостатков меди относится ее малое удельное сопротивление ρ = 0,017 Ом×мм/м, что сказывается на размерах чувствительного элемента.
Значительно реже платины и меди в термометрии используется никель. К его достоинствам относятся высокие ТКС (W100=l,64) и высокое удельное сопротивление ρ=0,072 Ом×мм/м. Однако никель имеет значительно меньшую воспроизводимость. В диапазоне 0...200 °С никель имеет термометрическую зависимость вида:
W=1+At+B2, где А = 5,43×10-3 К-1; В = 7,85×l0-6 К-2.
Проволочные чувствительные элементы являются превалирующими в практической термометрии. Однако в настоящее время с ними успешно конкурируют термометры в металлопленочном исполнении [17-19]. Такие термометры изготавливаются на различных подложках — из ситалла, сапфира, поликора методом вакуумного напыления. Такие термометры имеют особую перспективу при массовом производстве. Большая часть операций по их изготовлению и подгонке номинала сопротивления практически полностью автоматизирована.
В металлопленочном исполнении чувствительные элементы характеризуются несколько меньшим ТКС по сравнению с проволочными (до 10%). В металлопленочном исполнении возможно эффективное применение материалов, нетрадиционных для термометрии. Так для области температур 4,2...25 К известно использование марганцевого пленочного термометра [20], имеющего линейную функцию преобразования в этой области и высокую воспроизводимость (не хуже 0,01 К).