Омические датчики

Омические датчики

Омические датчики – это устройства, которые можно будет рассматривать, как датчик перемещения.

Таким датчиком также может считаться реостат. Многие специалисты сообщают о том, что, если перемещать ползунок реостата, тогда в этом случае его сопротивление может изменяться. Здесь перемещение ползунка можно считать входной величиной, а величина включенного в сеть омического реостата будет выходной величиной. В конструкции датчика реостатного типа также должна присутствовать определенная однозначная зависимость.

Тензорезисторы – конструкция, принцип действия

Функционирование электрического тензодатчика базируется на изменении внутреннего сопротивления при физической деформации чувствительного элемента (тензорезистора). Посредством измерения колебаний напряжения, приложенного к датчику, можно оценивать напряжения в материале (если датчик контактирует с деформируемой поверхностью). Подобная методика измерений, как и сами датчики, находит широкое применение в промышленности и научно-исследовательских работах.

Помимо этих областей, тензодатчики выступают как составная часть многих приборов (для контроля давления, ускорения, перемещения, биений, крутящего момента и пр.). Таким образом, тензодатчики могут являться составляющей (в т.ч. в качестве элементов обратной связи) сложной автоматизированной цепи.

Принцип работы тензорезистора

Почему при деформации чувствительного элемента датчика меняется его омическое сопротивление? Физический принцип довольно прост: тензоэлемент представляет собой тонкую металлическую проволочку или полоску фольги (из медно-никелевого или хромо-никелевого сплава), сложенную в спиральную «гармошку» и наклеенную на изолирующую подложку. При её деформации происходит удлинение материала относительно исходного размера. Следовательно, изменяется омическое сопротивление проводника (как известно, оно пропорционально длине проводящей части).

В процессе градуировки для каждого тензорезистора вычисляется коэффициент чувствительности (отношение базового электрического сопротивления к сопротивлению в деформированном состоянии). Для корректного функционирования элемента при его калибровке нужно тщательно соблюдать условия крепления на испытуемом материале (вплоть до применения специального, стандартизированного клея) и температурный диапазон.

В современной промышленности вместо металлической фольги чувствительные элементы тензодатчика могут представлять собой тонкие полупроводниковые плёнки, наносимые методом напыления. Их чувствительность к деформации намного выше.

Способ измерения деформаций

При деформации чувствительного элемента изменение сопротивления очень незначительно. Для его надёжного определения внешнее напряжение подключают к тензорезистору через мостовую схему.

При этом, тензодатчик (точнее его чувствительный элемент – тензорезистор) устанавливается вместо одного из плеча моста. Как известно, мостовая схема очень чувствительна и позволяет определять даже малейшие изменения проводимости каждого резистора. Выходной сигнал с мостовой схемы можно усилить: для непосредственной записи (аналоговой) или преобразования в цифровую форму с последующей индикацией.

Полупроводниковые тензорезисторы

Как было сказано выше, «аналоговые» тензорезисторы характеризуются изменением внутреннего сопротивления при их деформации. Подобный эффект также характерен для некоторых полупроводников (кремния, германия, а также соединений – арсенида галлия и др.). Изготовленные из этих веществ тензорезисторы иногда называют кремнисторами.

К существенным достоинством полупроводниковых чувствительных элементов относятся:

• меньшие размеры;
• значительно большая чувствительность (на один-два порядка!);
• меньшая подверженность температурным помехам;
• возможность эффективно работать без приклеивания к материалу (это позволяет использовать полупроводниковые тензодатчики как удобные мобильные элементы);
• стабильный, сильный выходной сигнал.

Кроме того, кремнисторы возможно изготавливать с заранее заданными свойствами, что невозможно достичь для проволочных тензорезисторов.

Как выбирать тензорезисторы?

Выбор того или иного типа тензорезистора должен осуществляться исходя из особенностей объекта и окружающих условий при проведении измерений. В общем случае, тензорезисторы можно разделить по следующим областям применения:

• для общего измерения напряжений;
• тензометры для композиционных материалов, пластика, каучука, а также печатных электронных плат;
• элементы для измерения ультра-малых деформаций (в основном применяются полупроводниковые кремнисторы);
• высокотемпературные/низкотемпературные тензометры (т.е. элементы для экстремальных условий);
• магниторезистивные (для работы в условиях сильных э/м помех).

Помимо типа тензорезистора на успех измерений во многом влияет кабельная аппаратура и преобразователи выходного сигнала. Следовательно, тип кабеля для подключения датчиков также должен соответствовать условиям измерений (к примеру, выдерживать высокие/низкие температуры или быть экранированным от электромагнитных помех).

Где находится?

Для производства каких-либо операций с датчиком температуры охлаждающей жидкости необходимо четко представлять себе место его установки. Следует отметить, что точка установки будет отличаться в зависимости от модели автомобиля. Поэтому для поиска лучше обратиться к инструкции производителя, где указана позиция соприкосновения с охлаждающей жидкостью.

Рис. 3. Место установки датчика температуры охлаждающей жидкости

Наиболее распространенным местом установки является:

1. головка блока цилиндров или выпускной патрубок;
2. верхний шланг радиатора;
3. корпус термостата;
4. в некоторых ситуациях может устанавливаться два датчика температуры– на входе и на выходе.

Место установки предусматривает обеспечение контакта чувствительного элемента с охлаждающей жидкостью. Но, в случае утечки антифриза из системы, контакт может нарушиться и контроль температуры прекратиться. В результате этого вы получите некорректные показания, что может повлечь сбой в работе системы.

Abstract 2009 year, author — Shevchenko A. A. Gureev V. V. Pylskiy V. A. Lvov A. A.

научной работы на тему «МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТОКОВОЙ ПЕТЛЕ». Научная статья по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

А. А. Шевченко, В.В. Гуреев, В. А. Пыльский, А. А. Львов

МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТОКОВОЙ ПЕТЛЕ

Описан метод компенсации ошибки измерения сопротивления резистивных датчиков температуры, включенных в токовую петлю, в условиях изменения коэффициента усиления измерительной схемы.

Мост Уитстона, токовая петля, датчик, аналого-цифровой преобразователь

A.A. Shevchenko, V.V. Gureev, V.A. Pylskiy, A.A. L’vov

THE METHOD FOR COMPENSATION OF MEASURING UNCERTANITIES OF TEMPERATURE RESISTIVE SENSORS INCLUDED IN A CURRENT LOOP

The method for compensation of measuring uncertainties of the temperature resistive sensors included in a current loop the gain of measuring circuit being non-stable is described.

The Wheatstone bridge, current loop, sensor, analog-to-digital converter

Топология петли постоянного тока разработана в последнее десятилетие прошлого века К. Андерсоном [1, 2]. Целью данной петли было устранение измерительных ошибок, возникающих из-за влияния длинных проводников, связывающих датчики с измерительным оборудованием [1-3]. В русскоязычной литературе термин «петля Андерсона» практически не упоминается, однако принципы токовой петли и отдельные ее элементы лежат в основе работы многих современных измерительных систем. Как оказалось, во многих приложениях токовая петля значительно превосходит классические схемные решения в виде моста Уитстона. С развитием цифровых технологий и полупроводниковой техники в целом токовая петля стала доминирующим техническим решением для обеспечения высокоточных измерений импеданса датчиков измерительных систем.

Как мост Уитстона, так и токовая петля Андерсона предназначены для измерения малых отклонений сопротивления AR или импеданса AZ от их абсолютных значений R и Z. Несмотря на то, что мост Уитстона многие годы оставался традиционным схемным решением для измерения сопротивлений тензометрических датчиков и резистивных датчиков температуры, ему присущи некоторые недостатки, которые можно устранить с помощью токовой петли с постоянным током. Проблема возникает уже тогда, когда речь идет об измерении сопротивления датчика, расположенного вдали от измерительного прибора (вторичного преобразователя), что, по сути, является стандартной ситуацией для большинства измерительных систем. Существенным недостатком мостовой измерительной схемы является влияние соединяющих проводников на результат измерения сопротивления датчика. Более того, значения сопротивлений данных проводников трудно контролировать из-за внешних условий, важнейшим из которых является температура окружающей среды. В некоторых приложениях необходимо соблюдение идентичности соединяющих проводников с точностью 0,2 мОм, что является трудновыполнимой задачей.

Для преодоления обозначенных трудностей применяется схема не с двухпроводным, а с четырехпроходным подключением измерительного прибора так, как показано на рис. 1. При такой схеме подключения образуется токовая петля, в которую включен как сам датчик, сопротивление которого R, так и эталонный резистор, сопротивление которого Rref. Измерительные

устройства подключаются непосредственно к самим резисторам. Если измерительные устройства обладают высоким входным сопротивлением, то через датчик и эталонный резистор протекает один и тот же электрический ток I. Предполагая, что R = Rref. разность показаний двух измерительных устройств определяется выражением: Vout = Vm — Vref = IAR. Достоинством данной

схемы является независимость показаний всего устройства от сопротивления соединяющих проводников. Тем не менее результат измерения сопротивления R оказывается зависимым не только от значения сопротивления Rref эталонного резистора, но и от значения тока возбуждения петли

I. Этот факт накладывает серьезные ограничения на стабильность тока возбуждения, который в силу различных причин (дрейфа температуры окружающей среды, старения электронных компонент и т.п.) может изменяться.

Рис. 1. Конфигурация токовой петли с использованием многоканального АЦП

Зависимость показаний измерительного устройства, подключенного к токовой петле, от тока возбуждения данной петли является следствием сравнения двух напряжений Vm и Vref путем нахождения их отношения Vm / Vref, что позволяет исключить влияние тока возбуждения на результат измерения сопротивления датчика. Такое сравнение возможно при использовании аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Конфигурация токовой петли с использованием АЦП представлена на рис. 1. В данной конфигурации используется несколько входных каналов АЦП (в зависимости от числа подключаемых датчиков).

Отношение напряжений на датчике и эталонном резисторе Vm / Vref будет зависеть

только от сопротивления датчика и сопротивления эталонного резистора, если параметры измерительных каналов не меняются во время одного измерения.

Рассмотрим наиболее распространенный случай прецизионных измерений сопротивления с помощью токовой петли — измерение сопротивления эталонного термометра сопротивления. Предположим, что один отсчет (код) АЦП можно представить как

N, = N(ti ) + £, i = 0. m, (1)

где ^ — аддитивный гауссовский шум, ti — момент времени, в который происходит выборка.

Для уменьшения влияния случайного воздействия E,i на результат измерений после каждой

коммутации сигналов считывается несколько значений Ni для последующего сглаживания. В случае одного термометра и одного эталонного резистора получается два набора отсчетов: (Nm )i = Ni, i = 0,k, (Nm )i = N. i = l. l + k.

Период одного измерения составляет tl + k, а между моментами времени tk и tl (tk t0 — t — tk ;

Плюсы и минусы

Для использования в промышленном оборудовании, бытовой технике и различных автоматизированных системах датчики должны соответствовать следующим требованиям:

1. Точная зависимость выходного значения от входного показателя – приборы обеспечивают высокую точность реагирования и не допускают ложного срабатывания.
2. Постоянство временных характеристик – устройство должно работать безотказно при длительном использовании.
3. Максимально высокая чувствительность – чем она выше, тем точнее реагирование на изменения контролируемого параметра.
4. Отсутствие какого-либо воздействия на рабочие процессы в контролируемой системе и ее параметры – установка датчиков в норме не оказывает влияния на работоспособность.

Дополнительными плюсами являются небольшие размеры и возможность использования в различных условиях. Современные датчики удобны для монтажа, их применение дает возможность контролировать рабочие параметры с автоматическим срабатыванием исполнительных механизмов при изменении показателей. У каждого типа устройств есть и свои минусы, поэтому нужно подобрать подходящий первичный преобразователь для решения определенной задачи.

Высококачественные измерительные датчики Omron по привлекательным ценам всегда можно подобрать в нашем интернет-магазине — самостоятельно, или обратившись к нашим специалистам.

• Роботизация производственных линий
• Роботехническая лаборатория
• Системы технического зрения
• Обязательная маркировка товаров
• Автоматизация производства
• Модернизация производства
• Комплексная поставка оборудования
• Программирование промышленных контроллеров
• Сборка электрощитов управления
• Диагностика и ремонт оборудования

• Пищевая промышленность
• Упаковка и маркировка
• Обрабатывающая промышленность

• Техническая консультация специалистов
• Предпроектный анализ объекта управления
• Составление технического задания
• Разработка проекта
• Заказ и поставка оборудования
• Тестирование оборудования
• Разработка проектной документации
• Монтаж и пусконаладка АСУ на объекте
• Обучение персонала заказчика
• Гарантийное и послегарантийное обслуживание
• Ремонт вышедшего из строя оборудования
• Срочный ремонт и замена оборудования

• Пищевая промышленность
• Упаковка и маркировка
• Обрабатывающая промышленность

• OMRON
• Schneider Electric
• SICK
• EATON
• YASKAWA
• Delta
• SIEMENS
• ABB

• Обучение
• Статьи

• Новости

• О нас
• Наши клиенты
• Отзывы
• Сертификаты
• Контакты

1. Любая информация, переданная Сторонами друг другу при пользовании ресурсами Сайта (http://www.techtrends.ru), является конфиденциальной информацией.
2. Пользователь дает разрешение Администрации Сайта на сбор, обработку и хранение своих личных персональных данных, а также на рассылку текстовой и графической информации рекламного характера.
3. Стороны обязуются соблюдать данное соглашение, регламентирующее правоотношения связанные с установлением, изменением и прекращением режима конфиденциальности в отношении личной информации Сторон и не разглашать конфиденциальную информацию третьим лицам.
4. Администрация Сайта собирает два вида информации о Пользователе:

— персональную информацию, которую Пользователь сознательно раскрыл Администрации Сайта в целях пользования ресурсами Сайта;
— техническую информацию, автоматически собираемую программным обеспечением Сайта во время его посещения.

Примеры и применения

По мере того как МЭМС становятся более эффективными и дешевыми в производстве, они, как ожидается, будут играть решающую роль в IoT (интернет вещей) и домашней автоматизации. Распространенными коммерческими приложениями МЭМС являются:

Акселерометр в смартфоне

• Акселерометры в транспортных средствах для различных целей, таких как электронный контроль устойчивости и срабатывание подушки безопасности
• Сенсорные системы охлаждения и отопления для систем управления зданием
• Оптический переключатель, используемый для переключения технологий и выравнивания для передачи данных
• Одноразовые датчики кровяного давления и датчики давления автомобиля из силикона
• Электростатические, электромагнитные и пьезоэлектрические микроуборочные комбайны (используются для сбора энергии)
• Маленькие микрофоны, барометры и гироскопы для поддержки приложений для смартфонов

Принцип измерения температуры

Техника получения фактических значений температуры теплоносителя основывается на изменениях омического сопротивления металлов от повышения или понижения температуры. В качестве датчика используется платиновый термопреобразователь сопротивления.

Измеритель температуры на плате тепловычислителя пропускает высокостабильный ток через датчик.
Падение напряжения на чувствительном элементе снимается по двум проводам и поступает на дифференциальный вход АЦП измерителя.
Получаемые коды напряжений, прямо пропорциональные омическому сопротивлению, преобразуются в фактические значения температуры в соответствии с номинальной статической характеристикой термопреобразователя сопротивления по ГОСТ 6651-94.
Значения температур определяются полиномиальной аппроксимацией в центральном процессоре платы тепловычислителя.
Период обновления значений температуры в каждом канале измерения составляет не более 5 секунд при всех при всех включенных четырех каналах измерения.

Кондуктометрические уровнемеры

Кондуктометрические (омические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 2, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 2, б) их требуется уже по два.

Рис. 2. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней; 1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 – источник питания

В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.

Прозвонка (проверка) датчиков температуры сопротивления:

Для прозвонки датчиков температуры требуется обычный тестер показывающий сопротивление, для датчиков с сопротивлением при нуле градусов до 100 ом включительно потимальный диапазон измерения тестера до 200 Ом.

Прозвонку можно производить при комнатной температуре, либо при другой заранее известной температуре входящей в рабочую зону датчика (например поместив датчик в сосуд с водо-ледяной смесью 0 градусов или кипящий чайник примерно, с поправкой на давление, 100 градусов).

При прозвонке определяется, какие провода соединены между собой накоротко возле датчика, сопротивление между такими проводами как правило существенно меньше чем сопротивление датчика (это сопротивление между выводами 1,3 и 2,4). Сопротивление между такими выводами для стандартных датчиков составляет от 0 до 5 Ом, в зависимости от сечения и длинны соединительных проводов. Найдя провода с таким значением сопротивления мы однозначно можем определить какие выводы куда подключать. При трехпроводной схеме выводы 1 и 3 равнозначны т.е. если их подключить наоборот на измерение это никак не повлияет. При четырехпроводной схеме пары проводов 1,3 и 2,4 между собой равнозначны, и внутри пары между собой провода тоже равнозначны, т.е. первый с третим можно переставлять между собой, и второй с четвертым можно переставлять, и целиком пару 1,3 можно переставить с парой 2,4 на результаты измерений это не повлияет.

Кроме этого проверяется, что датчик рабочий, т.е. выдает то сопротивление которое должен при данной температуре (измерение между выводами 1 и 2).

Таблицу значений сопротивлений для основных типов датчиков при разных температурах можно посмотреть тут.

Кроме этого нужно убедиться, что датчик не замыкает на корпус термопреобразователя, прозвонив на мегаомном диапазоне (20. 200 МОм) сопротивление между проводами и корпусом датчика, при этом руками касаться контактов корпуса, проводов и щупов нельзя. Если на мегаомах тестер показывает не бесконечное сопротивление, то скорее всего в корпус датчика попал жир или влага, такой датчик может работать некоторое время, но точность показаний будет снижаться, показания могут плавать.

Каким образом можно подключить датчик температуры сопротивления если его схема подключения не совпадает со схемой на приборе?

Рассмотрим различные варианты:

1. в наличии есть двухпроводный датчик температуры

Соответственно если подключить требуется к прибору с трехпроводной или четырехпроводной схемой, то можно установить соответственно одну или две перемычки на контактах прибора, в местах, где подключаются короткозамкнутые провода. На рисунках 4 и 5 это обозначено перемычками на контактах 1,3 и 2,4.

Несомненно такое подключение приведет к погрешности измерения, и если прибор не позволяет её скомпенсировать, то можно в требуемом диапазоне измерения определить погрешность показаний используя образцовый термометр и рассчитать корректировку, которую нужно прибавлять к показаниям. Это позволит временно решить проблему и не останавливать технологический процесс.

2. в наличии есть трехпроводный датчик температуры

Если подключать такой датчик по двухпроводной схеме рекомендуется соединить два короткозамкнутых у датчика провода вместе, для уменьшения споротивления соединительных проводов (так же можно один из короткозамкнутых проводов заизолировать и не подключать или откусить кусачками). Датчик будет работать в двухпроводной схеме не внося никакой дополнительной погрешности.

Тел: +7(495)960-92-41
Факс: +7(495)960-92-41