Вопрос 18. Датчики расхода

Расходомеры и счетчики жидкостей, газа и материалов. Вода пар, газ, жидкое топливо, всевозможные растворы и смеси, а также теплота и электроэнергия — вот далеко не полный перечень материалов, используемых при производстве, переработке и хранении сельскохозяйственной продукции, расход и количество которых необходимо контролировать, регулировать и учитывать с целью оптимизации ТП.

Расход вещества — это объем или его масса, проходящие через поперечное сечение транспортного канала в единицу времени. Расход измеряется датчиками расхода, которые часто называют расходомерами. Единица измерения объемного расхода Q₀ кубический метр в секунду, а массового Q_M — килограмм в секунду.

Количество вещества — это объем или его масса, проходящие через поперечное сечение транспортного канала за определен­ный промежуток времени. Его измеряют счетчиками и измерите­лями веса. Единица измерения объема кубический метр, массы—килограмм. Объем и массу вещества можно найти из формул по определению соответственно объемного или массового расхода: ; . Счетчики вещества представляют собой конструктивно объемный или массовый расходомер и ин­тегратор. Выходной сигнал интегратора может быть использован в системах автоматического управления. По принципу действия ПИП различают расходомеры с сужающим устройством, ротаметрические, тахометрические, электромагнитные и ультразву­ковые (рис. 2.30).

Расходомеры с сужающим устройством. Их выходным сигна­лом у ₁является изменение перепада давления. Сужающим устройством могут быть диафрагма, сопло, труба Вентури. Разность давления преобразуется дифманометром и ВИП, которым обычно служит устройство с токовым или пневматическим выходным сигналом. Основы измерения расхода жидкостей, газа и пара методом переменного перепада давления и общие технические требования к основным элементам используемых при этом расходомерных устройств регламентированы.

Наиболее простой в изготовлении и чаще всего применяемый ПИП в расходомерах переменного перепада давления — диафрагма, представляющая собой пластину с калиброванным отвер­стием диаметром d₀ (рис. 2.31), которую устанавливают в поперечном сечении транспортного канала трубопровода диаметром D = 50...1000 мм.

Размеры диафрагмы определяются диаметром поперечного сечения трубопровода D. Объемный Q₀ и массовый Q_M расходы рассчитывают по формулам

Рис. 2.30. ПИП датчиков расхода и их выходные сигналы:

у ₁ — перепад давления на диафрагме; у₂ — перемещение поплавка в измеряемом потоке; у₃ — число оборотов шестерен; у ₄ — изменение ЭДС; у ₅ — величина, пропорциональная разности времени прохождения ультразвука по и против потока жидкости; диафрагма расходомера переменного пе­репада давления

(2.14)

где a— коэффициент неравномерности распределения скоростей потока по сечению трубопровода; F— площадь поперечного сечения калибро­ванного отверстия диафрагмы; F=nD²/4; p₁ и р₂ — давление среды соответственно до и после диафрагмы; r — плотность жидкости.

Линеаризация нелинейных зависимостей расхода от перепада давления (2.14) может происходить в дифманометрах или вторичных преобразователях. Тогда эти приборы называют дифманометрами-расходомерами и ВИП-расходомерами.

В диафрагмовых расходомерах ДМ-ЭР применяют электросиловые квадратичные преобразователи П-ЭР1, в преобразователях разности давлений расходомера «Сапфир-22-ДД» — блок извлечения квадратного корня БИК-1.

Для получения требуемого количества вещества, проходящего через по­перечное сечение трубопровода, рас­ходомеры оснащают интеграторами ПИК-1с пневматическим выходным сигналом или С-1М с токовым выход­ным сигналом.

Ротаметрические расходомеры по­стоянного перепада давления состоят из ротаметрической пары: вертикальной конической (коноидальной) трубки 1 (рис. 2.32) и находящегося в ней свободно перемещающегося поплавка 2. По направляющей оси 3 при движении потока вещества снизу вверх поплавок под действием гидродинамического напора, преодолевая силу тяжести, поднимается вверх, пока действующие на него силы не будут уравновешены.

Рис. 2.32. Ротаметрическая пара расходомера постоянного перепада давления:

1 — трубка; 2— поплавок; 3— направляющая ось

Площадь поперечного сечения щели F между стенками вертикальной трубки и поплавком изменяется в зависимости от расхода и может быть рассчитана по формуле

где D т — диаметр поперечного сечения трубки; dп— наибольший диаметр по­плавка.

Преимущества ротаметров: отсутствие трущихся поверхнос­тей, простота в изготовлении, легко сопрягаются с интеграторами и вторичными приборами, широкий диапазон измерений, ма­лые местные потери давления. К недостаткам ротаметров следует отнести необходимость только вертикальной установки и зависимость их градуировочных характеристик от вязкости и плотности измеряемой среды.

В качестве датчиков расхода и количества жидкости, газа и пара применяют ротаметры типа РЭ с электрическим выходным сигналом и РП с пневматическим выходным сигналом. Для пре­образования расхода в электрический сигнал используют диффе­ренциально-трансформаторные преобразователи, а для преобра­зования расхода в пневматический сигнал — преобразователи типа сопло — заслонка.

Тахометрические расходомеры. Принцип действия их основан на зависимости числа оборотов подвижного элемента (им могут быть крыльчатки, шарики, турбинки, шестерни) от расхода или объема жидкости или газа.

Для учета количества воды применяют крыльчатые счетчики типа ВСКМ и турбинные — типа СТВ, СТВГ. На базе счетчиков воды типа СТВ разработаны счетчики с электрическим выходным сигналом и счетчики тепловой энергии — теплосчетчики ТЭМ-1.

Расход и количество газа определяют с помощью турбинного расходомера счетчика газа типа «Тургас», оборудованного элект­ронными блоками: БИР-1 с выходным сигналом 0...5мА постоянного тока, пропорционального расходу, или БИР-2 с интегрируюшим устройством и шестиразрядным счетчиком для измере­ния суммарного количества газа.

Рис. 2.33. Счетчик с овальными шестернями 1 — полость, заполняемая жидкостью; 2 — шестерни; М— вращающий момент на шестернях

Расход и количество высоковязких жидкостей учитывают рас­ходомерами и счетчиками типов ШЖУ и ШЖО, в качестве ПИП которых используется пара овальных шестерен. За один полный оборот шестерен, вращающихся под действием разности давлений D р=р₁ — p₂, измерительные полости 1 дважды заполняются и опорожняются, отсчитывая четыре порции жидкости (рис. 2.33). В положении I создается вращающий момент, действующий на левую шестерню, в положении II — на обе, в положении III— на правую шестерню. Вращение шестерен передается через магнит­ную муфту ВИП расходомера счетчику или соответствующему регулятору.

Электромагнитные расходомеры. Принцип действия электро­магнитных расходомеров основан на измерении ЭДС, наводи­мой в перемещающейся электропроводной жидкости (воде, растворах, пульпах) и пересекающей магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны оси трубопровода. Питание их электромагнита 1 (рис. 2.34) осуществляется переменным напряжением U _nиm. ЭДС Е, наводимая на электродах Э1, Э2, установленных в изоляционной вставке трубопровода 2 и расположенных перпендикулярно силовым линиям электромагнита 1, пропорционально скорости движения жидкости:

(2.15)

где Q₀ — объемный расход; В — электромагнитная индукция; D — диаметр трубопровода; f — частота переменного тока; t — время.

Значение ЭДС увеличивается усилителем 3 и при необходимости передается на интегратор 4 типа С-1М. Нормированный выходной сигнал усилителя пропорционален расходу, а вы­ходной сигнал интегратора -объему жидкости, протекающей через поперечное сечение трубопровода.

Рис. 2.34. Блок-схема электромагнитного расходомера-счетчика:

1 — электромагнит; 2 —трубопровод; 3 - усилитель; 4 — интегратор

Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расходы любых жидких сред с помощью ультразвуковых колебаний на частотах более 20 кГц. Они характеризуются высоким быстродействи­ем, устойчивостью к помехам, возможностью бесконтактных измерений и достаточно высокой точностью.

ПИП этих расходомеров состоит из двух приемопередатчиков ультразвуковых сигналов, которые, попеременно включаясь, фиксируют прохождение ультразвука вдоль потока и навстречу ему. Расход определяют по формуле

Q = kvF, (2.16)

где k— коэффициент, зависящий от выбранного метода измерения и параметров основных элементов преобразователя; v — скорость движения жидкости; F —площадь поперечного сечения трубопровода.

Для определения объемного расхода сыпучих материалов используют дозаторы, состоящие из бункера и питателя, который частями отбирает сыпучий материал из бункера. Питателем может быть лента транспортера, крыльчатки, вибропитатели и другие устройства.

Массовый расход и массы сыпучих материалов определяют с помощью весов с электромеханическими (чаще тензорезисторными) преобразователями силы в электрический сигнал.

Вопрос 19. Электромагнитные датчики

Принцип действия электромагнитных преобразователей основан на изменении индуктивности L магнитной системы под воздействием входной величины (перемещения, деформации, уровня, давления и т. п.). По виду преобразования электромагнитные устройства делятся на четыре группы: индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие и индукционные.

Индуктивные датчики преобразуют изменения регулируемой величины в изменение индуктивного сопротивления обмотки. Они работают на переменном токе и состоят из сердечника 2, катушки индуктивности 1 и якоря 3 (рис. 1 а).

Рис.7.8.

При перемещении якоря изменяется воздушный зазор d, индуктивность катушки и ее полное сопротивление переменному току .

Чувствительность индуктивного преобразователя т. е. обратно пропорциональна начальному зазору. Поэтому индуктивные устройства особенно чувствительны при малых значениях входной величины и реагируют на ее изменения при 0,1...0,5 мкм. Статическая характеристика индуктивного преобразователя I = f(d) (рис.7.8 б) имеет изгибы в точках А и Б, поэтому величину первоначального зазора d _о следует выбирать в середине прямолинейного участка. Для устройства (рис. 7.8 а) входное перемещение допускается от 0,01 до 5 мм, а для соленоидного преобразователя (рис. 7.8 в,д) от 3 до 100 мм.

Реверсивная схема (рис.7.8 д,г) включения (дифференциальный преобразователь) является совокупностью двух нереверсивных схем при небольших отклонениях якоря. Выходной сигнал (ток, напряжение на нагрузке) в этом случае изменяется практически линейно, т. е. I = kd.

При переходе якоря через нулевое положение фаза выходного напряжения меняется на 180°.

Трансформаторные датчики являются разновидностью индуктивных. Принцип их действия основан на изменении взаимной индуктивности обмоток при перемещении относительно друг друга или при перемещении якоря датчика.

Трансформаторные датчики являются генераторными и подразделяются на две основные группы в зависимости от способа изменения взаимной индуктивности: а) с перемещающимся или поворотным якорем (рис. 7.9 а,б,в); б) с поворотной (обмотка укреплена на поворотной рамке) или перемещающейся обмоткой (обмотка находится на якоре). Датчики этого типа позволяют получить любое напряжение на выходе нагрузки независимо от величины напряжения источника питания. Во вторичной обмотке W₂ (рис. 7.9а) датчика индуцируется ЭДС Е₂, величина которой находится в определенной зависимости от величины зазора d. При I=const E₂ = w×W₂×Ф=f(d), где w - угловая частота, Ф — магнитный поток.

Рис.7.9.

На рис. 7.9 б приведена схема трехстержневого датчика с поворотным якорем. Первичная обмотка 1 питается от сети переменного тока. Вторичные обмотки 2 и 3 соединены последовательно и встречно. При нейтральном положении якоря магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ равны, и напряжение на выходе равно нулю. Отклонение якоря в ту или другую сторону приводит к изменению магнитного сопротивления цепей потоков Ф₂ и Ф₁ и на выходе появляется напряжение, которое пропорционально отклонению якоря

U _вых = ka

Для трансформаторного датчика соленоидного типа (рис. 2.9 в)

,

где х_вх = (0,1-0,2) l

Чувствительность трансформаторных преобразователей составляет 0,5...3 мВ/мк на 1В первичного напряжения.

Для измерения угловых перемещений трансформаторные датчики выполняются часто в виде электрических машин (вращающиеся трансформаторы, сельсины), у которых первичная обмотка располагается на статоре, а вторичная — на роторе. Вращающиеся трансформаторы имеют по две перпендикулярные обмотки на статоре и роторе и приспособлены для работы в режиме синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) и режима линейного вращающегося трансформатора (ЛВТ).

Разновидностью вращающихся трансформаторов являются сельсины — специальные индуктивные миниатюрные машины. Контактные и бесконтактные сельсины подразде­ляют на сельсины-датчики (СД), сельсины-приемники (СП), дифференциальные сельсины и сельсины-трансформаторы. В пазах ротора обычного сельсина уложена одна обмотка возбуждения, а в пазах статора — три обмотки синхронизации, магнитные оси которых сдвинуты на 120° одна относительно другой. У бесконтактных сельсинов обмотка возбуждения и обмотка синхронизации располагаются на статоре. Индуктивная связь между обмотками осуществляется с помощью вращающегося ротора. Сельсины используются в основном в двух режимах: индикаторном (рис.7.9 г) и трансформаторном (рис.7.9 д).

Трансформаторный режим работы применяется при использовании сельсинов в качестве датчиков угла рассогласования следящих систем. В этом режиме выходное напряжение снимается с однофазной обмотки сельсина-приемника и при малых углах рассогласования U _вых = k _вх= k (a_д—a_п).

Из этого выражения видно, что сельсины могут быть использованы в трансформаторном режиме как устройства, измеряющие разность угловых перемещений.

В индикаторном режиме работы при повороте ротора сельсина-датчика под влиянием возникающего момента будет поворачиваться и ротор сельсина-приемника. Так как этот момент весьма мал, то индикаторный режим в системах автоматического управления не применяется. При повороте сельсином-приемником указателя какого-либо прибора (с малым моментом нагрузки) ошибка сельсинной передачи угла колеблется от 0,5 до 5°.

В тех случаях, когда необходимо, чтобы угол поворота одного вала равнялся сумме углов поворота нескольких валов, используются дифференциальные сельсины. В роторе и статоре дифференциального сельсина уложено по три обмотки, магнитные оси которых сдвинуты на 120°.

Магнитоупругие датчики (рис. 7.10) конструктивно представляют собой магнитные сердечники той или иной конфигурации с расположенными на них одной или несколькими обмотками. Действие магнитоупругих датчиков основано на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных тел, испытывающих воздействие сил или температуры (магнитоупругий эффект). На этом принципе строятся датчики для измерения усилий или температуры. Под действием нагрузки происходит одновременное изменение магнитной проницаемости и линейных размеров сердечника.

Рис.7.10.

Подобно тензорезисторам для этих датчиков определяют магнитоупругую чувствительность

где Dm/m - относительное изменение магнитной проницаемости;

D l/l - относительная деформация.

Для железоникелевых сплавов типа пермаллой k» 200...300, несколько ниже эти значения для мягких и кремнистых сталей. Нелинейность характеристики m =f(F) ограничивает рабочий диапазон магнитоупругих преобразователей в пределах 15...20% от предела упругости материала. На рис. 7.10 г представлен магнитоупругий датчик для измерения деформации с помощью пермаллоевого провода 3, помещенного внутри соленоида 2 и связанный с деталью 1. Деформация пермаллоевого провода приводит к изменению индуктивности соленоида.

Недостатком магнитоупругих преобразователей является зависимость магнитной проницаемости от температуры (погрешность составляет несколько процентов), величины тока в катушке, наличие в характеристике управления гистерезиса (погрешность около 1%) и остаточных деформаций в железоникелевых сплавах.

На рис. 7.10 б,в,д показаны схемы включения магнитоупругих датчиков. Последовательная схема (рис. 7.10 д) состоит из последовательно включенных постоянного резистора R и датчика D _p. Недостатком этой схемы является наличие большого начального напряжения, что сужает разрешающую способность измерителя. Для компенсации начального напряжения применяется дифференциальная схема включения (рис. 7.10 в), состоящая из двух цепей, в которые включены измерительный дроссель D _p и компенсационный D _pk.

Индукционные датчики (рис. 7.11) относятся к типу генераторных. Принцип их действия основывается на явлении электромагнитной индукции — наведения ЭДС в электрическом контуре, в котором меняется магнитный поток. ЭДС Е наводится независимо от причины изменения магнитного потока Ф (перемещается ли магнит в неподвижной обмотке или обмотка в постоянном магнитном поле)

.

Индукционные преобразователи подразделяются на два типа: с катушкой, имеющей линейное или угловое перемещение относительно постоянного магнита (рис.7.11 а), т. е. Е=kФdх/dt, и с ферромагнитной деталью, перемещающейся относительно неподвижных магнита и катушки. Для большинства индукционных преобразователей статическая характеристика Е=f(х; j) является линейной, погрешности составляют 0,5…1,5%.

Рис.7.11.

К индукционным датчикам относятся также тахогенераторы постоянного (рис.7.11 б,в) и переменного тока (рис.7.11 г), которые представляют собой миниатюрную электрическую машину с независимым возбуждением от магнитов или обмотки возбуждения. Для тахогенератора постоянного тока поток возбуждения Ф остаётся неизменным, следовательно, высокое напряжение U _вых, снимаемое со щеток тахогенератора, пропорционально скорости вращения вала. Поэтому тахогенераторы используются для определения угловых скоростей и ускорения.

Вопрос 10. Фотоэлектрические датчики

Широкое применение при автоматизации различных производственных процессов находят фотоэлектрические устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. В настоящее время выпускают три вида таких преобразователей: с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные, рис. 7.15 а); с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления, рис. 7.15 б) и вентильные (полупроводниковые, рис. 7.15 в).

Основными характеристиками фотоэлементов являются:

световая - зависимость фототока от освещенности I _ф= f (Ф) (рис. 7.15);

спектральная - зависимость чувствительности S _l от длины волны l падающих лучей S _l =f( l );

вольт-амперная - зависимость фототока от величины напряжения, поступающего на фотоэлемент I _ф =f(U);

частотная - зависимость чувствительности от частоты изменения светового потока.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 7.15 а) представляют собой вакуумную или газонаполненную лампу, на внутреннюю стенку которой нанесен фоточувствительный слой, являющийся катодом. Под действием светового потока в катоде возникают свободные электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду, создавая внутри фотоэлемента ток (фототок).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (рис. 7.15 б) представляют собой фотосопротивления (фоторезисторы), принцип действия которых состоит в том, что свободные электроны, образующиеся под действием светового потока в слое светочувствительного проводника 2, остаются (перераспределяются) в веществе, резко изменяя его сопротивление. Светочувствительный материал наносится на изоляционную подложку 3 и сверху покрыт защитной тонкой прозрачной лаковой пленкой 1. Наиболее часто применяются сернисто-кадмиевые (ФС-К), сернисто-свинцовые (ФС-А), сернисто-висмутовые (ФС-Б) и селенисто-кадмиевые (ФС-Д) фоторезисторы.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом (рис. 7.15 в) работают на использовании явления, происходящего в переходе р—п под воздействием светового потока. Они состоят из металлического основания 5, выполняющего роль нижнего электрода, слоя полупроводника 4, запирающего слоя 3, полупрозрачного слоя металла 2 и контактного кольца 1.

Рис. 7.15

На рис. 7.15 д показан фотоэлектрический преобразователь бровки нескошенного хлеба, применяемый в системах автовождения комбайнов. При движении комбайна бровка находится между источником инфракрасного излучения и приемником 2. Электрический сигнал на выходе приемника 2 пропорционален толщине слоя растений между излучателем и приемником. Выходной сигнал приемника 8, расположенного выше растений, не зависит от смещения бровки и используется для компенсации влияния общей освещенности в поле на сигнал приемника 2. В качестве приемников 2 и 3 используют фоторезисторы. Недостатком преобразователя является то, что при изменении плотности хлебостоя или его высоты формируются ложные сигналы.

На рис. 7.15 е показано трехпозиционное оптическое устройство обнаружения бровки нескошенного хлеба для автоматического направления самоходного зернового комбайна. Оно содержит источник света 3 и два фоторезистора 1 и 2, которые при движении комбайна расположены по обе стороны бровки.

В устройстве обнаружения рядка растений системы автовождения пропашного агрегата (рис. 7.15 ж) при отклонении агрегата в сторону поворачиваются жестко связанные с ним и между собой источники света 1, 2 и фотосопротивления 3, 4. При этом луч света между соответствующим источником и приемником перекрывается растениями рядка и на выходе усилителя 5 или 6 изменяется сигнал, вызывающий срабатывание исполнительного механизма 7 или 8. Такое устройство может быть использовано, когда растения обладают достаточной высотой, чтобы перекрывать луч между источником и приемником, расположенными над почвой.

Датчики состава и свойств веществ. Для оценки качества продукции перерабатывающей промышленности используют различные датчики состава и свойств веществ.

Датчики относительной влажности твердых и сыпучих материалов. Относительная влажность материалов — это отношение массы влаги в материале к его общей массе. Для ее измерения широко применяют датчики с ПИП, принцип действия которых основан на использовании зависимости электрических свойств материалов от содержания в них влаги. Их преимущество — простота конструкции и обслуживания.

Различают кондуктометрические и диэлькометрические датчики влажности.

Кондуктометрические датчики основаны на зависимости электрического сопротивления материала от его влажности (в пределе 7...25%). Если в сухом зерне удельное сопротивление достигает 10¹⁵ Ом • см, то во влажном зерне оно снижается до 10^-2 Ом см. Причина столь резкого снижения сопротивления заключается в том, что вода, взаимодействуя с сухим веществом, образует электролиты с большой электропроводностью. Это справедливо и для других растительных материалов.

Преимущества датчиков: простата схемы и конструкции измерительного прибора

Недостатками кондуктометрических датчиков — является значительная зависимость их измерительного сигнала от распределения влаги по материалу, особенно по его поверхности, влияние на показания температуры, состава вещества, узкий диапазон измерения.

Диэлькометрические датчики основаны на зависимости диэлектрических свойств материалов от влажности. ПИП таких датчиков представляет собой конденсатор, между электродами которого размещают исследуемый материал. К диэлектрическим характеристикам материалов относят диэлектрическую проницаемость e и тангенс угла диэлектрических потерь tgd. Величины e и tgd измеряют при переменном токе в частотном диапазоне 0,3...90 МГц. Датчики влажности, измеряющие диэлектрические свойства влажных материалов на частоте более 30 МГц, называют сверхвысокочастотными (СВЧ).

Диэлькометрический метод измерения можно использовать только в том случае, когда влага в материале находится в жидком состоянии. Тогда в указанном диапазоне частот проницаемость чистой воды e = 81, а сухого вещества tg = 3...5.

Диэлектрические датчики влажности имеют некоторые принципиальные преимущества перед кондуктометрическими: они менее чувствительны к неравномерности распределения влаги в материале и по его поверхности, а также к ошибкам, связанным с порчей материала (плесень, скисание); с их помощью можно измерять влажность в очень большом диапазоне.

Особенность диэлькометрического метода измерения состоя­ния состоит в том, что измерительный сигнал зависит не только от влажности, но и от ряда других параметров материала, основные из которых — температура и объемная плотность. В современных диэлектрических датчиках влажности температурная поправка вводится автоматически.

Степень влияния плотности на выходной сигнал ПИП, характеризующий влажность, определяется главным образом его конструкцией, которая зависит от способа создания плотности материалов в ПИП.

Диэлькометрические датчики влажности зерна и кормов используют для автоматизации технологических процессов производства и переработки зерна и кормов. Так, для измерения влажности бобовых и злаковых трав, а также их смесей в диапазоне 6...18 % с погрешностью не более 2,5 % предназначен поточный датчик влажности стебельчатых кормов ВП-1 (рис. 2.37). Его ПИП состоит из двух кольцевых электродов, разделенных диэлектриком с нормированной диэлектрической проницаемостью. Датчик размещают в технологической линии приготовления кормов с использованием искусственной сушки под шлюзовым затвором циклонного устройства, отделяющего высушенную резку трав от сушильного агента. ПИП крепят к кожуху шнека по ходу движения кормов. Материал, подаваемый шнеком в камеру 8 датчика, уплотняется за счет торможения уплотнителем 5.

Рис. 2.37. Схема установки датчика влажности кормов на сушильном агрегате:

1 — циклон сушильного агрегата; 2— шлюзовой затвор; 3 и 6— кольцевые электроды; 4- диэлектрик; 5— уплотнитель; 7—терморезистор; 8 и 9— измерительная и загрузочная камеры датчика; 10 — вторичный преобразователь; 11 —шнек

В качестве вторичного прибора используют микроамперметр, градуированный в единицах влажности. К нему подключают устройства, формирующие электрический сигнал в случае превышения допустимых пределов влажности.

Датчики плотности жидких продуктов создают в основном с использованием ПИП поплавкового или гидростатического типа. Принцип действия ПИП поплавкового типа основан на том, что выталкивающая сила, действующая на поплавок, пропорциональна плотности жидкости. Если поплавок плавающий, то глубина его погружения будет тем меньше, чем меньше плотность жидкости. Если удерживать поплавок на постоянной глубине погружения, то величиной, пропорциональной плотности жидкости, будет требуемое усилие удержания.

Принцип действия гидростатических ПИП основан на том, что давление воздуха при продувке его через трубку, вертикально помещенную в жидкость, зависит от плотности этой жидкости.

Датчики состава газов. Чаще всего применяют датчики с тер-мокондуктометрическими или термомагнитными ПИП.

Термокондуктометрические ПИП основаны на зависимости теплопроводности анализируемой смеси от концентрации определяемого компонента в контролируемом материале. Датчики с такими ПИП преобразуют изменения концентрации в газовых смесях водорода, метана и диоксида углерода. Чувствительными элементами термокондуктометрических ПИП газового состава служат платиновые терморезисторы.

Термомагнитные ПИП основаны на способности некоторых газов намагничиваться под действием внешнего магнитного поля.

По удельной магнитной восприимчивости газы обычно делят на пара- и диамагнитные. К парамагнитным относятся кислород и оксид азота, диамагнитным — остальные газы. Парамагнитные газы втягиваются в магнитное поле, а диамагнитные — выталкиваются из него. Удельная магнитная восприимчивость кислорода значительно зависит от температуры, с повышением которой она резко снижается. На этом свойстве кислорода и построены все ПИП термомагнитных датчиков газового состава. При этом в качестве чувствительных элементов также использованы платиновые терморезисторы.

Датчики концентрации растворов. В них используют кондук-тометрические ПИП, основанные на измерении электропроводности растворов. Растворение в воде электролитов (кислот, оснований, солей) характеризуется появлением ионов, что и обусловливает способность жидкостей проводить электрический ток. Зная зависимость электропроводности от концентрации и вида ионов, можно определить химический состав раствора.

Электропроводность раствора, измеряемая в процессе анализа, характеризуется удельной электропроводностью, единица измерения которой сименс (См) на сантиметр. Диапазон значений Удельной электропроводности различных растворов от 10^-9 до 1 См/см.

Датчики концентрации водородных ионов в водных растворах (рН-метры). Содержание ионов водорода в ряде случаев дает представление о качестве сельскохозяйственных продуктов и материалов. Концентрация водородных ионов характеризует кислотные свойства растворов и измеряется показателем рН. Для чистой воды и химически нейтральных растворов рН = 7. Значения рН > 7 указывают на щелочные свойства раствора или вещества, рН < 7 — на кислотные. Сок качественного силоса имеет рН=4...5.

Контроль и регулирование рН крайне важны для оптимизации ряда биологических процессов консервации и переработки сельскохозяйственных материалов. В частности, этот показатель необходимо регулировать при микробиологической переработке навоза.

Рис. 2.38. Электроды датчика рН:

а—измерительный; б—сравнительный; 1-шарик; 2—трубка; 3—перегородка; 4-ртуть; 5—каломельная пробка; 6—ватный тампон; 7—пробка

Значение рН определяют электрическим способом, заключающимся в измерении разности потенциалов между двумя электродами, один из которых погружен в контролируемый раствор, а другой — в раствор с известным показателем рН. В качестве измерительного электрода (рис. 2.38, а), применяют стеклянный электрод, представляющий собой толстостенную стеклянную трубку и тонкостенный шарик. Шарик заполнен раствором бромисто-водородной кислоты, в котором постоянно находится электрод, предназначенный для снятия потенциала с внутренней поверхности шарика. Изменение потенциала внутри шарика обусловлено ионным обменом между стеклом шарика и контролируемым веществом.

Потенциал сравнительного электрода постоянен. Разность потенциалов является показателем рН. Сравнительный электрод (рис. 2.38, б) состоит из наружной и внутренней трубок. Внутренняя трубка имеет перегородку, через которую проходит серебряная или платиновая проволочка, контактирующая с каплей химически чистой ртути. Ртуть расположена на пробке из каломели, удерживаемой ватным тампоном. В нижней части трубки, закрытой пробкой, находится раствор определенной концентрации ионов. Этот же раствор заполняет полость наружной трубки.

Показания рН-метров зависят, от температуры. Для повышения точности измерения рН применяют схемы с коррекцией температурной погрешности.