Электрические датчики

Фотоэлектрические датчики 
Фотореле состоит из осветителя, создающего световой поток, и приемника излучения (фотоэлемента, фоторезистора, фотодиода или фототранзистора). Приемник излучения включен в цепь обмотки электромеханического реле (непосредственно или чаще через усилитель). При попадании светового потока на приемник скачком изменяется фототок и срабатывает реле, осуществляя необходимые переключения в схеме управления каким-либо устройством. Такие фотореле используются в турникетах, пропускающих пассажиров в метро, фиксируют достижение различными механизмами определенных положений, очень широко применяются в автоматических устройствах защиты обслуживающего персонала от производственных травм. Когда рука рабочего случайно пересекает световой барьер, ограждающий опасную зону, подается предупреждающий сигнал или механизм вообще останавливается. С помощью фотодатчиков осуществляется считывание дискретной информации с перфоленты. Информация на такой ленте записана с помощью отверстий, пробиваемых в определенных местах. Наличие отверстия означает цифру 1, а отсутствие отверстия — цифру 0 в двоичном коде. Каждому разряду в двоичной форме счисления соответствует место расположения отверстий на перфоленте. Перфолента прокручивается между осветительной лампой и несколькими фотодатчиками, количество которых соответствует числу считываемых разрядов. Для таких целей могут использоваться специальные полупроводниковые приборы, объединяющие в одной конструкции несколько фотодатчиков. Эти фотодатчики располагаются в одну линию друг за другом, образуя так называемую линейку фотодиодов. Имеются и фотодиодные матрицы, где фотодатчики расположены, как клетки в таблице. 
Электрохимические датчики 
С помощью электрохимических датчиков может быть получена информация о качественном и количественном составе различных газов и жидкостей. Важность такой информации резко возросла в последнее время в связи с необходимостью защиты окружающей среды, среды обитания человека от вредного воздействия техногенных факторов. Выхлопные газы миллионов автомобилей, дым из труб многочисленных теплоэлектростанций и промышленных предприятий, отработанные и сточные воды, промышленные и бытовые отходы во все возрастающем количестве поступают в атмосферу, воду рек и морей, почву. Поэтому экологические проблемы стали сейчас на одно из первых мест в числе задач, которые должно решить человечество. Разработаны нормы на предельно допустимые концентрации сотен различных химических веществ и соединений. Для точного определения качественного и количественного состава газов, жидкостей, материалов проводится их лабораторный анализ. Но он занимает много времени, а для оперативного контроля экологических параметров служат электрические датчики, с помощью которых только и может быть организован экологический мониторинг. Сюда же следует добавить и необходимость постоянного контроля за радиационной безопасностью, вредными для человека и природы излучениями разного вида. Для получения подобной информации используются датчики различного типа, основанные на разных принципах действия, в том числе и такие, которые описаны в предыдущих главах данного раздела. Например, с помощью терморезисторов и термопар можно определить состав газовой смеси, поскольку разные газы отличаются друг от друга теплопроводностью. Следовательно, по температуре можно косвенно судить и о содержании газов в смеси. 
Электролитические датчики 
В этих датчиках используются электролитические ячейки. Электролитическая ячейка представляет собой сосуд с двумя электродами, заполненный испытуемым раствором электролита. Сопротивление ячейки определяется с помощью мостовой схемы, в одно из плеч которой включается электролитическая ячейка. По величине электрического сопротивления ячейки можно судить о концентрации электролита. При этом определяется не действительная концентрация электролита, а пропорциональная ей величина, учитывающая также так называемую «активность» электролита (наличие электростатических сил притяжения ионов электролита). Это обстоятельство считается достоинством электрического метода измерения, поскольку «активность» более точно характеризует химические технологические процессы. На практике для градуировки пользуются экспериментальными данными электропроводности для различных концентраций разных электролитов. Эти данные получены при непосредственных лабораторных исследованиях. Величина к определяется числом грамм-эквивалентов вещества, растворенного в одном литре раствора. Как видно из рисунка, кривые не являются однозначными: одно и то же значение электропроводности может быть и при низкой и при высокой концентрации. Поэтому измерение концентрации можно производить либо на восходящей, либо на нисходящей ветви кривой. Электролитическая ячейка используется и при полярографическом методе качественного и количественного анализа. В этом случае используют так называемые ртутные электроды: одним Электродом является слой ртути на дне ячейки, другим — капля ртути, образующаяся на конце капиллярной трубки. Под тяжестью капля ртути падает на дно сосуда, затем образуется следующая капля и т. д. Электролитическая ячейка подключается к источнику постоянного тока Е через потенциометрический делитель напряжения R таким образом, что плюс подается к слою ртути на дне, а минус к ртути в капиллярной трубке. Измеряется ток в ячейке при изменении напряжения U, т. е. снимается вольтамперная характеристика. При отсутствии тока в цепи каждый из электродов имеет одинаковый потенциал, определяемый химическими свойствами растворенного вещества и концентрацией раствора. При прохождении тока через ячейку на капле ртути происходит процесс восстановления положительных ионов из раствора, поскольку плотность тока на капле велика. На самой капле возникает амальгама — тонкий слой сплава ртути с восстановленным веществом. Величина потенциала амальгамы определяется свойствами вещества, по этой величине можно определить, какое именно вещество находилось в растворе. Потенциал слоя ртути не изменяется в зависимости от тока, поскольку площадь слоя велика, а плотность тока незначительна. Таким образом, при прохождении тока через ячейку возникает ЭДС поляризации, направленная навстречу приложенному напряжению и равная разности потенциалов электродов. Следовательно, по виду вольтамперной характеристики можно судить о наличии в растворе разных веществ. Рассмотрим в качестве примера вольтамперную характеристику ячейки, заполненной раствором, в котором содержатся ионы свинца (РЬ++), кадмия (Cd++), цинка (Zn++) и калия (К+). Эта вольтамперная характеристика имеет ступенчатый вид.  
Датчики водородного показателя 
В технологических процессах химической, пищевой, горнообогатительной и других отраслей промышленности необходимо определять концентрацию водородных ионов в жидкостях. Для этого используется метод электрических потенциалов. Количественной характеристикой концентрации водородных ионов [Н+] является так называемый водородный показатель рН, равный отрицательному логарифму концентрации: рН = -lg [H+] . Чистая дистиллированная вода — практически диэлетрик с очень высокой диэлектрической проницаемостью (е = 81). Вследствие этого электростатические внутримолекулярные силы в водных растворах ослаблены и растворяемые в них вещества хорошо распадаются на ионы (диссоциируют). Водородный показатель чистой воды рН = 7, а растворы с таким водородным показателем называются нейтральными. Если в воде растворить кислоту, то концентрация [Н+] увеличивается, водородный показатель рН 7. При больших концентрациях щелочей рН = 12—14. Произведение концентраций положительных и отрицательных ионов в воде остается при этом неизменным [Н+] [ОН~] = Ю-14. При внесении в растьор электрода на границе электрод—раствор возникает пограничный электрический потенциал, величина которого связана с активной концентрацией водородных ионов. Измеряя разность потенциалов (иначе говоря ЭДС) между электродом, опущенным в исследуемый раствор, и образцовым электродом с совершенно определенным потенциалом, можно судить о величине рН. Используются в рН-метрии водородный, хингидронный, сурьмяный и стеклянный электроды. В качестве примера на рис. 15.4 показана характеристика £=ДрН) для сурьмяного электрода. Как видно, это близкая к линейной характеристика, но она сильно зависит от температуры. Большая точность обеспечивается при рН от 2 до 7 (абсолютная погрешность 0,1 рН ), меньшая — при измерении значений рН от 7 до 12 (абсолютная погрешность до 0,5 рН). 
Ионизационные датчики 
Рассмотрим принцип действия ионизационных датчиков-преобразователей. В ионизационных датчиках используется зависимость тока ионизированной газовой среды от ее состава и ряда других факторов. Все газы в обычных условиях являются хорошими изоляторами, однако в ограниченном пространстве газы (и воздух в том числе) можно сделать проводниками. Для этого нужно ионизировать молекулы газа, создав тем самым подвижные носители электрических зарядов. Ионизация происходит под действием различных излучений или при нагреве до высокой температуры. Наряду с ионизацией всегда протекает и обратный процесс — рекомбинация ионов, т.е. образование нейтральных молекул из ионов газа. Чем интенсивнее ионизатор, т. е. чем больше он создает ионов за единицу времени, тем больше в газовой смеси подвижных носителей зарядов. При ионизации от молекулы газа отрывается один из валентных электронов (образуется положительный ион). Часть таких электронов присоединяется к нейтральным молекулам газа (образуются отрицательные ионы), а часть остается в свободном состоянии. Таким образом, в ионизированном газе существуют подвижные носители зарядов в виде свободных электронов и ионов (как положительных, так и отрицательных). Поэтому ионизационный ток в газовой среде обусловлен как ионной, так и электронной проводимостью (в отличие от тока в электролите, обусловленного только ионной проводимостью). Свойства ионизационных датчиков-преобразователей сильно зависят от способа ионизации. Различают ос-ионизационные, р-ионизационные, у-ионизационные и рентгено-ионизационные датчики. Последние в промышленных системах автоматики применяются очень редко, поскольку для создания рентгеновских лучей требуется громоздкая аппаратура. А вот источниками а, р и у-излучений могут быть радиоактивные вещества, в качестве которых применяют радиоактивные изотопы. Наиболее часто в измерительной технике применяют кобальт 60, цезий 134, тантал 182, селен 75 (у-излучение), таллий 206, стронций 89 (Р-излучение). Ионизационная способность а-лучей значительно больше, чем р-лучей, но в твердых телах ос-частицы (ядра атома гелия, несущие положительный заряд) поглощаются уже в тонких слоях толщиной в сотые доли миллиметра. Поэтому при использовании а-излучателя его надо помещать внутри ионизационной камеры, а р-излучатель можно помещать вне ионизационной камеры, р-излучение — это поток быстрых электронов (отрицательно заряженных частиц), у-излучение — это электромагнитные колебания очень малой длины волны (от 1010 до 10"13 м ). Электромагнитная энергия излучается не непрерывно, а квантами. Квант коротковолнового излучения называется фотоном. Фотоны у-излучения электрически нейтральны, следовательно они не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем. Приборы для анализа газовых смесей с использованием ионизационных камер называются масс-спектрометрами. Они обычно используются в лабораторных исследованиях. В промышленной автоматике ионизационные датчики-преобразователи используются для автоматического измерения вакуума, линейных размеров при высоких температурах, в дефектоскопии. В качестве газоанализаторов большее распространение получили датчики с терморезисторами или термопарами, использующие эффект теплопроводности (для разных газов коэффициент теплопроводности различен). 
Применение электрохимических датчиков 
Датчики, принципы действия которых рассмотрены в предыдущем параграфе, используются в различных приборах для измерения концентрации жидких и газообразных сред. В широко распространенных паросиловых установках, вырабатывающих электроэнергию и тепло для многочисленных промышленных и бытовых потребителей, многократно используется вода для питания котлов. Она нагревается, превращается в пар, затем охлаждается до получения конденсата и используется повторно. Горячая вода поступает в батареи отопления, а пар — в паровые турбины, вращающие электрогенераторы. Постепенно вода насыщается солями, которые вредно влияют на все трубопроводы. Для измерения концентрации солей используют соленомеры, основанные на зависимости электропроводности от концентрации. На подобном принципе основана работа приборов для измерения сильно загрязненных растворов щелочей и кислот, используемых в текстильной, кожевенной промышленности, в других отраслях с химической обработкой материалов. В приборе, называемом рН-метр, измеряющем водородный показатель компенсационным методом, измеряется разность потенциалов между двумя полуэлементами. Один из них — измерительный, потенциал которого зависит от концентрации водородных ионов. Другой полуэлемент — сравнительный, его потенциал должен оставаться постоянным. Два таких элемента, соединенные электрически между собой, образуют гальванический элемент, ЭДС которого и необходимо измерить. Схема рН-метра с водородным электродом в качестве одного из полуэлементов. Водородный электрод представляет собой стеклянную трубку, открытую снизу и погруженную в испытуемый электролит. Платиновая пластинка соединена с проволочкой (тоже из платины), которая впаяна в трубку. Водород подается в эту трубку сверху и выходит через отверстие внизу на уровне половины длины платиновой пластины. Измерительный водородный электрод соединен с электродом сравнения через электролитический ключ: трубку, закрытую при входе в электрод полупроницаемой пробкой. Трубка заполнена насыщенным раствором соли (например, хлористого калия). В качестве электрода сравнения использован так называемый каломельный электрод. Металлом его является ртуть, поверх нее — труднорастворимая каломель (хлористая ртуть) и электролит хлористого калия строго определенной концентрации, которая и определяет постоянный потенциал электрода сравнения. Довольно часто используют каломельный электрод очень малых размеров — микроэлектрод, заполненный хлорной кислотой. Для измерения уровня, расхода, давления в закрытых резервуарах и трубопроводах применяются приборы с ионизационными датчиками, использующие радиоактивные изотопы. В приборах для измерения концентраций по поглощению или рассеянию света используются фотоэлектрические датчики. Ряд химических реакций связан с изменением цвета. Практически для всех ионов найдены реактивы, позволяющие выявить их наличие по окраске. Приборы, в которых использован метод сравнения интенсивности окрасок растворов разных концентраций, называются колориметрами. Приборы, в которых определяется концентрация взвешенных частиц в жидкостях и газах, называются нефелометрами. Для обнаружения и определения концентраций различных газов используют газовые датчики. В присутствии определенных газов (например, угарного, углекислого, метана, водорода, кислорода и др.) такие датчики вырабатывают электрические сигналы, которые более или менее различаются для разных веществ. В газовых датчиках используются физические и химические эффекты, описанные в предыдущем параграфе, а также и в других главах данного раздела. Для обнаружения Н2, С02, S02, а также горючих и взрывоопасных газов применяются датчики с так называемой термокондукто-метрической ячейкой. В этих датчиках используется собственный нагрев терморезисторов и разница в коэффициенте теплопроводности разных газов. Исследуемая газовая смесь подается в измерительную камеру, в которой имеется платиновая или никелевая спираль, нагретая до температуры примерно на 40° выше окружающей. Такая же камера, но заполненная воздухом, выполняет роль сравнительной, в ней также имеется такая же спираль. Обе эти спирали являются терморезисторами, они включены в мостовую измерительную схему, показания которой позволяют определить наличие того или иного газа. Такой прибор не является универсальным — для каждого газа требуется своя градуировка. Поскольку одинаковый тепловой эффект может быть обусловлен смешением разных газов, но в соответственно разных количествах, применение таких датчиков ограничено анализом смесей только двух заранее известных газов. Очень часто возникает необходимость в измерении содержания угарного газа (СО) в окружающем воздухе и особенно в выхлопных газах автомобилей. Для этого применяется термохимическая ячейка (ее также называют каталитической). Она имеет две измерительные платиновые спирали, включенные в измерительную мостовую схему, два других плеча которой составляют постоянные сопротивления. Если одну из спиралей покрыть слоем активного катализатора, то находящийся в газовой смеси угарный газ (монооксид углерода) будет реагировать с кислородом воздуха на активном катализаторе, образуя углекислый газ (диоксид углерода С02). Выделяющаяся при этой реакции тепловая энергия повышает температуру сопротивления активной спирали, что приводит к изменению показаний мостовой измерительной схемы. С помощью такого датчика можно обнаруживать весьма незначительные концентрации СО: порядка 10_4%. В атмосфере помещения минимальная допустимая концентрация СО составляет 10_2%. С помощью таких датчиков можно контролировать гаражи, уличные тоннели, стенды для испытаний автомобилей и двигателей, рабочие помещения и т.п. При взятии пробы в выхлопную трубу вводят металлический измерительный зонд длиной около 30 см (во избежание подсоса постороннего воздуха из атмосферы). Анализируемый газ направляется затем по шлангу в осушитель (отделитель конденсата), чтобы в датчик не попадала влага. Затем анализируемый газ для удаления случайных частиц пыли пропускается через фильтр. Только после этого анализируемый газ поступает в ячейку датчика. Предварительная обработка газа занимает не менее полминуты, после чего и снимаются показания прибора. Необходима регулировка прибора на эталонном газе с помощью подстроечных потенциометров. Питание всей установки для измерения содержания СО осуществляется от автомобильного аккумулятора. В массовых, а следовательно и наиболее дешевых, газовых датчиках используется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа, т. е. его поглощения поверхностным слоем материала. Термисторный датчик состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 500 °С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем, то электрическое сопротивление последнего изменяется. С помощью мостовой схемы изменение сопротивления преобразуется в изменение напряжения, по величине которого можно судить о концентрации исследуемого газа. Большое распространение в качестве материала такого терморезистора получил диоксид олова Sn02. Подбором легирующей добавки к этому материалу можно достигнуть определенной избирательности, т. е. использовать такой датчик для анализа разных газов. Такие датчики применяют для определения содержания сероводорода, природного газа (используемого в обычных газовых плитах на кухне), для выявления следов алкоголя. Последняя задача является очень актуальной. После употребления алкоголя часть его обнаруживается и в выдыхаемом воздухе. Чем выше содержание алкоголя в крови, тем больше доля его паров в выдыхаемом воздухе. Если терморезисторный датчик обдувается воздухом с некоторым содержанием алкоголя, то в зависимости от его концентрации изменится сопротивление датчика.