1. KLASYFIKACJA PRZETWORNIKÓW

Stosowane są różne kryteria podziału przetworników pomiarowych:

1. Kryterium: sposób przetwarzania sygnału pomiarowego:

• przetworniki rodzaju sygnału;

• przetworniki wartości sygnału;

2. Kryterium: złożoność procesu przetwarzania:

• przetworniki proste;

• przetworniki złożone.

3. Kryterium: struktura przetwarzanych wielkości fizycznych:

a) analogowe (A)

c) analogowo-cyfrowe (AC)

b) cyfrowe (C)

d) cyfrowo-analogowe (CA).

Wielkość analogowa - wielkość ciągła - może przyjmować nieskończenie różniących się od siebie o nieskończenie małe przyrosty. Wielkość przyjmuje tylko ściśle określone wartości różniące się miedzy sobą o skończone wartości przyrostu.

Najmniejszy możliwy przyrost - elementarny kwant (ziarno) wielkości

4. Kryterium: rodzaj wielkości fizycznej otrzymanej na wyjściu:

• przetworniki mechaniczne;

• przetworniki pneumatyczne;

• przetworniki optyczne;

• przetworniki elektryczne;

5. Kryterium: źródło energii zaangażowanej w procesie przetwarzania:

• generacyjne (czynne); Y = f (X)

• parametryczne (bierne). Y = f (X, e)

2. TERMOMETRY TERMOELEKTRYCZNE

Termometr termoelektryczny składa się z sensora (ogniwa) termoelektrycznego i mikrowoltomierza magnetoelektrycznego o dużej rezystancji wewnętrznej. Termoelement (termoogniwo) składa się z dwóch różnych przewodników lub półprzewodników spojonych ze sobą w jednym końcu.

W termoogniwie złożonym z dwóch metali A i B połączonych w punkcie M, pojawia się siła termoelektryczna E

Termoelementy wykonuje się z drutu o średnicy 1,5¸3 mm dla metali nieszlachetnych i około 0,5 mm dla szlachetnych. W praktyce pomiarowej najczęściej stosowane są następujące termoelementy: miedź - (+) konstantan (Cu-Ko) w zakresie -200 do +500°C, Żelazo - (+) konstantan (Fe-Ko) do +800°C, chrom-nikiel - (+) nikiel (CrNi-Ni) do +1100°C, platyna-rad - (+) platyna (PtRh-Pt) do +1600°C, wolfram - (+) grafit (W-C) do +2000°C.

3. TERMOMETRY REZYSTANCYJNE METALOWE

Funkcjonowanie ich oparte jest na wykorzystaniu zależności rezystancji metali i półprzewodników od temperatury, które przetwarzane zostają w odpowiednich elektrycznych układach pomiarowych na sygnał elektryczny.

Dodatni współczynnik temp. Rezystancji metali , np. platyny

Sensory niklowe i miedziane są na ogół mniej dokładne niż platynowe. Charakterystyka sensora niklowego jest nieco nieliniowe, zaś charakterystyki sensorów z miedzi i platyny są liniowe w szerokim zakresie, przy czym powtarzalność sensora platynowego jest lepsza niż miedzianego.

Stosowany jest do pomiaru temperatury obojętnych gazów i cieczy o izolacyjnych właściwościach; odznacza się małą stałą czasową, cechują się dobrą odpornością na wstrząsy i wibracje dzięki sprężystości obudowy.

4. TERMOMETRY REZYSTANCYJNE PÓŁPRZEWODNIKOWE

Funkcjonowanie ich oparte jest na wykorzystaniu zależności rezystancji metali i półprzewodników od temperatury, które przetwarzane zostają w odpowiednich elektrycznych układach pomiarowych na sygnał elektryczny.

Dodatni współczynnik temp. Rezystancji półprzewodników , np. krzemu tzn. rezyst. wzrasta ze wzrostem temp.

W charakterze złącza półprzewodnikowego wykorzystano diodę sygnałową krzemową. Złącza takie można stosować do pomiarów temperatury od ok. -50°C do ok. 150°C. zastosowanie jako termistory NTC, PTC, CTR

5. PIROMETRY

Bezstykowe przyrządy do pomiaru temperatury zwane pirometrami umożliwiają pomiar temperatury powierzchni ciał wykorzystując ich zdolność promieniowania, która jest zależna od temperatury. Termometry bezstykowe - odległościowe umożliwiają pomiar bez zakłóceń istniejącego pola temperatury.

Zakres długości fal promieniowania wykorzystywanego w bezstykowych pomiarach temperatury (pirometria) zawiera się w granicach od ok. 0,4 do 20 mm. Jest to zakres promieniowania widzialnego i podczerwonego. W zależności od wybranego do pomiaru zakresu długości fal z podanego wyżej przedziału rozróżnia się: termometry optyczne (pirometry) całkowitego promieniowania częściowego promieniowania i termometry optyczne do oznaczania temperatur wg barwy ciała.

Pirometr optyczny całkowitego promieniowania

Zasada działania pirometrów całkowitego promieniowania, zwanych radiacyjnymi, opiera się na pomiarze natężenia promieniowania całkowitego zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna. Ilość energii wymienianej przez promieniowanie między dwoma doskonale czarnymi ciałami zależy jedynie od temperatury powierzchni tych ciał.

Pirometr optyczny całkowitego promieniowania z detektorem termo elementowym może być użyty do pomiaru temperatury powyżej 800°C, a przy zastosowaniu termoelementu wielokrotnego można obniżyć dolny zakres pomiarowy do 100°C i niżej.

Pirometr dwubarwowy

Barwa ciała wysyłającego promieniowanie cieplne widzialne - poczynając od ciemnoczerwonej - zależy od temperatury. Własność tę wykorzystuje się w pirometrach dwubarwowych. Oko ludzkie jest czułe na zmiany barw, stąd przez porównanie barwy danego ciała z barwa ciała doskonale czarnego o znanej temperaturze można określić temperaturę.

6. KAMERY TERMOWIZYJNE

termowizja - czyli obserwacja w podczerwieni, wykorzystuje zjawisko emitowania przez powierzchnię średnio i długofalowego promieniowania podczerwonego (0.8 mm - 1 mm). Takie ślady "cieplne" można zarejestrować i udokumentować. Często wykorzystuje się przy tym technikę cyfrową. Odbiornik podczerwieni rejestruje promieniowanie i przetwarza je na sygnał elektroniczny, który następnie biegnie do komputera i tam może zostać poddany dalszej obróbce i analizie.

7. METODY POMIARU WILGOTNOŚCI

Metody pomiaru wilgotności względnej

• Termodynamiczne (psychrometr)

• Absorpcyjne:

• Higrometr włosowy

• Higrometr pojemnościowy

• Higrometr oporowy

• Higrometr elektrolityczny

• Higrometr punktu rosy lub szronu

Metody pomiaru wilgotności bezwzględnej

• Kondensacyjne (higrometr punktu rosy lub szronu)

• Grawimetryczne (wagowe)

• Wolumetryczne (objetosciowe)

• Optyczne -absorpcja promieniowania

• Higrometr Lyman Alfa

• Higrometr mikrofalowy

• Higrometr akustyczny

8. POMIARY ELEKTROCHEMICZNE POMIAR pH

Skala pH to ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na stężeniu jonów wodorkowych [H+] w roztworach wodnych. Dokładnie jest to:
pH = -log10[H+]
czyli minus logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorkowych wyrażonych w molach na litr.
Woda destylowana ma pH równe 7, chociaż w rzeczywistości będzie ono zwykle niższe ze względu na zakwaszający efekt dwutlenku węgla - gazu zawartego w powietrzu, który dobrze rozpuszcza się w wodzie.
W praktyce używa się zwykle papierków nasączonych mieszaniną substancji wskaźnikowych, które zmieniają kolor w szerokim zakresie pH.
Dokładniejszych pomiarów pH dokonuje się metodą potencjometryczną. Wykorzystuje się w niej fakt, że, zgodnie z teorią sformułowaną przez Nernsta, siła elektromotoryczna ogniwa o identycznych elektrodach, lecz umieszczonych w roztworach o różnych stężeniach jonów wodorowych, jest proporcjonalna do logarytmu stosunku tych stężeń. Tak więc, zanurzając jedną elektrodę w roztworze o znanym pH, jesteśmy w stanie obliczyć pH drugiego roztworu
Elektroda szklana, najbardziej popularna elektroda jonoselektywna, służąca do pomiaru pH roztworu. Membrana (w kształcie kulistej bańki) wykonana jest z odpowiedniego szkła przenikalnego tylko dla jonów hydroniowych.
Wewnątrz bańki szklanej znajduje się roztwór o określonej aktywności tych jonów, do którego wprowadzona jest elektroda kalomelowa lub chlorosrebrowa, spełniająca rolę kontaktu elektrycznego. Stosunek aktywności jonów wodorowych po obydwu stronach bańki szklanej (określony poprzez pomiar siły elektromotorycznej) pozwala wyznaczyć pH roztworu.

9 Pomiary elektrochemiczne - pomiar konduktywności

Zestaw pomiarowy służy do ciągłego pomiaru konduktywności cieczy. Zbudowany jest z przetwornika pomiarowego M1300 (jednotorowy) lub M2330 (dwutorowy), który przetwarza sygnał emitowany przez sondę zanurzoną w cieczy, za pośrednictwem przedwzmacniacza pomiarowego P-C, umożliwiającego oddalenie sondy pomiarowej od przetwornika na odległość do 200m. Sonda pomiarowa zainstalowana może być w głowicy przepływowej MP130 lub nurnikowej MN130

Zakresy pomiarowe:

-> pomiar konduktywności:

0...10μS/cm

0...100μS/cm

0...1mS/cm

0...10mS/cm

0...100mS/cm

0...200mS/cm

-> pomiar temperatury:

-10...+110 şC

10 Pomiary energii cieplnej

Przelicznik skompensowanego przepływu i energii cieplnej pary umożliwia pomiar przepływu i energii pary przegrzanej lub nasyconej oraz wody zgodnie z zaleceniami IAPWS-IF97 w zakresie roboczym temperatury od 0 º C do 800º C i ciśnienia absolutnego od 0,05 MPa do 16,52 MPa. W przypadku układów pomiaru przepływu i energii innych płynów obliczenia prowadzone są w zakresie wartości tabelarycznych wprowadzonych przez użytkownika, przy czym zarówno gęstość jak i entalpia właściwa jest funkcją temperatury.

Ciepłomierz ultradźwiękowy jest stosowany do pomiaru ciepła w małych i średnich układach ciepłowniczych i węzłach. Typowe zastosowania to opomiarowanie jedno- lub wielorodzinnych domów, biur lub mieszkań. Licznik ten cechuje bardzo prosty montaż, odczyt i legalizacja. Przepływ mierzony jest za pomocą metody, opartej na pomiarze różnic między czasami przebiegu sygnałów ultradźwiękowych od nadajnika do odbiornika, a wszystkie zmierzone wartości, informacje na wyświetlaczu, kalkulacje i komunikacja są kontrolowane mikroprocesorem. Pomiar ultradźwiękowy i technologia mikroprocesorowa, są podstawami konstrukcji nowoczesnych ciepłomierzy. Wszystkie obwody liczące, układy pomiaru temperatury i przepływu, są zabudowane na jednej płycie, co daje nie tylko kompaktową konstrukcję, ale również zapewnia optymalną dokładność i wysoki stopień wiarygodności pomiaru. Dwukierunkowa, ultradźwiękowa technika pomiaru przepływu, oparta na precyzyjnym pomiarze różnicy czasu, uznawana jest za najlepszą obecnie dostępną metodę, wykorzystywaną w wysokiej klasy urządzeniach o długiej żywotności i stabilności
pomiaru. Dwie głowice ultradźwiękowe wysyłają w tym samym czasie sygnały biegnące w przeciwnych kierunkach, z których jeden podąża zgodnie z kierunkiem przepływu wody,
a drugi w kierunku przeciwnym. Sygnał podążający zgodnie z kierunkiem przepływu wody, zostanie odebrany wcześniej przez przeciwległą głowicę niż sygnał idący “pod prąd”. Różnica czasu mierzona pomiędzy kolejnymi sygnałami zostaje przeliczona na prędkość przepływu walca objętości w odcinku pomiarowym, co wyraża przepływ wody w czasie pomiaru.

licznik strumienia masy i ciepła pary nasyconej. Typowy obszar zastosowań obejmuje aplikacje użytkowe i procesowe w przemyśle

11 Tensometry - budowa, zasada działania, zastosowanie

Mianem tensometrów określa sie elementy rezystancyjne z metalu lub półprzewodnika, w postaci

cienkich drutów, folii bądź cienkich nici, które pod wpływem deformacji zmieniają wymiary geometryczne

lub rezystywność, a odpowiednio do tego - rezystancje. Tensometry wykorzystuje sie do pomiaru

naprezen, sił, przesuniec, cisnien, drgan itp.

Typowy tensometr metalowy ma postac cienkiego drutu (_=10÷50 μm), naklejonego na izolacyjnej

podkładce nosnej lub cienkiej (2÷20 μm) warstwy metalu (folii, sciezki) naniesionej na podkładce z

papieru, celuloidu czy innego izolacyjnego tworzywa. Całosc nakleja sie - zazwyczaj klejem dołaczonym

do tensometru przez producenta i zgodnie z podana przez niego technologia - na konstrukcje podlegajaca

odkształceniom.

12 Przetworniki indukcyjnościowe

Zasada działania przetworników indukcyjnościowych polega na wykorzystaniu zmian indukcyjności własnej i wzajemnej ich obwodów elektrycznych pod wpływem przetwarzanej wielkości. Wielkością tą jest najczęściej przesunięcie zmieniające geometrię obwodu magnetycznego, głównie wymiary szczeliny powietrznej, ale nie tylko.

Pod względem budowy przetworniki indukcyjnościowe można podzielić na impedancyjne oraz transformatorowe, przy czym przetwornik należący do każdej z tych grup może być przetwornikiem dławikowym, solenoidalnym wiroprądowym lub magnetosprężystym, jak też czujnikiem pojedynczym (prostym) i różnicowym.

Przetworniki indukcyjnosciowe sa stosowane do pomiaru przesuniec, wymiarów geometrycznych, sił, naprezen, cisnien i wielu innych wielkosci, które mozna powiazac z wyzej wymienionymi.

13 Przetwornik magnetoidukcyjny

Zasada działania przetworników magnetoindukcyjnych polega na tym, ze siła elektromotoryczna e indukowana w uzwojeniu cewki o z zwojach przez skojarzony z nią strumień magnetyczny _ magnesu trwałego, proporcjonalna do szybkości zmian strumienia, jest zależna od prędkości ruchu cewki, magnesu lub innego elementu ferromagnetycznego, mającego wpływ na zmianę strumienia

Magnetoindukcyjny przetwornik przepływu jest przeznaczony do pomiaru natężenia przepływu cieczy zanieczyszczonych i/lub lepkich o przewodności nie mniejszej niż 20 μS/cm. Przetwornik znajduje zastosowanie w układach regulacji.

Przetworniki magnetoindukcyjne sa powszechnie stosowane jako przetworniki prędkości obrotowej, tzw. tachometry, będące w istocie miniaturowymi prądnicami stało- lub zmiennoprądowymi.

Przetworniki magnetoindukcyjne wykorzystuje się tez jako przetworniki przepływu cieczy przewodzących.

14 Przetwornik pojemnościowy

Działanie przetworników pojemnosciowych polega na wykorzystaniu zmian pojemnosci kondensatora zachodzacych pod wpływem wielkosci mierzonej. Wielkosc mierzona może oddziaływac na jeden z trzech elementów, od których zalezy pojemnosc kondensatora, tzn. na:

- powierzchnie czynna S elektrod,

- ich odległosc d,

- wypadkowa przenikalnosc dielektryka =.ε

Przetworniki pojemnosciowe sa stosowane do pomiarów przesuniec, wymiarów geometrycznych, sił,

grubosci powłok niemetalicznych na metalach, wilgotnosci, składu chemicznego substancji itp.

15 Przetwornik piezoelektryczny

Zasada działania przetworników piezoelektrycznych polega na wykorzystaniu właściwości piezoelektrycznych, jakie maja niektóre kryształy, a polegajacych na tym, ze przy deformacji kryształu w granicach sprezystosci (np. przy sciskaniu lub rozciaganiu) na odpowiednich jego sciankach pojawiaja się ładunki elektryczne; usuniecie deformacji powoduje zanik ładunku.

Przetwornik piezoelektryczny mozna traktowac jako sterowane zródło pradowe

Stosowane są obecnie do pomiarów ciśnienia gazów, objętości cieczy i ciężaru ciał stałych. W praktyce czujniki ciśnienia stosuje się w pomiarach w procesach przemysłowych, pomiarach akustycznych, zliczaniu przejeżdżających przez autostradę samochodów, badaniach eksplozji bomb, a nawet podczas prób z silnikami rakietowymi!

16 Czujniki przyśpieszenia

Element do pomiaru przyspieszeń, prędkości i pozycji obiektów ruchomych.

Najbardziej oczywistym przykładem zastosowań mierników czy też czujników przyspieszenia są wyzwalacze poduszek powietrznych w samochodach. Rzecz nie tylko w tym, żeby niezawodnie wyzwolić poduszkę − praktyka dowiodła, iż nazbyt często poduszki zostają uruchomione nie− potrzebnie. Precyzyjne mierniki przyspieszenia i współpracująca elektronika zadbają, by poduszki zostały uruchomione tylko w razie rzeczywistej potrzeby. W samochodach czujniki przyspieszenia znajdują zastosowanie także w urządzeniach sygnalizacyjnych oraz alarmowych.

17 Czujniki dźwięku i drgań- budowa, zasada działania

Przy pomiarach parametrów drgań (tj. przemieszczeń, prędkości i przyśpieszeń liniowych lub kątowych) można wykorzystać jeden z dwóch następujących sposobów:

Sposób I - drgania wybranego punktu badanego obiektu mierzymy względem wybranego, praktycznie nieruchomego, układu odniesienia. Schemat przyrządu działającego wg tego sposobu pokazano na rys.1. Nieruchomym układem odniesienia, względem którego drga badany obiekty, jest tutaj oś obracającego się bębna.

SPOSÓB II - na obiekcie umieszczany dodatkowy układ mechaniczny w postaci oscylatora harmonicznego

(układ o jednym stopniu swobody). Układ odniesienia, względem którego mierzymy badaną wielkość, jest związany z masą oscylatora.

Obudowa przyrządu jest sztywno połączona z badanym obiektem i wykonuje wraz z nim drgania.

Układ odniesienia związany jest z masą sejsmiczną (bezwładnością), której ruch staramy się możliwie dokładnie określić.

Przyrządy działające wg I sposobu nazwiemy umownie przyrządami o stałym układzie odniesienia, natomiast

działające wg sposobu II nazwiemy przyrządami inercyjnymi, bezwładnościowymi lub sejsmicznymi.

18 Przepływomierze wiatraczkowe

Przepływ jest to postępujące w czasie przemieszczanie się płynów, cieczy, gazów, lub par w kanałach dyszach, przewężeniach. Przyrządy służące do pomiaru różnych miar przepływu nazywamy przepływomierzami. Służą one do pomiaru średniej prędkości, natężenia objętościowego lub masowego przepływu. Całkując natężenie objętościowe metodami elektrycznymi lub mechanicznymi wyznacza się objętość płynu, który przepłyną w czasie całkowania.

Podstawowym parametrem przepływu jest jego prędkość, która wiąże się z masą oraz objętością.

Anemometr skrzydełkowy składa się z obudowy cylindrycznej 1, w której jest umieszczony współosiowo wirnik 2 ze skrzydełkami wykonanymi najczęściej z cienkiej blachy aluminiowej i nachylonymi pod kątem względem osi. Wirnik ten napędzany przepływającym strumieniem powietrza, uruchamia przez specjalną przekładnię licznik obrotów 3, przy czym istnieje ścisła zależność między prędkością przepływu a liczbą obrotów wirnika tak, że licznik może wskazywać drogę przebytą przez strumień gazu, wyrażoną w metrach. Mierząc stoperem czas, jaki upłynie między włączeniem i wyłączeniem licznika oraz odczytując różnice wskazań na początku i końcu pomiaru, oblicza się średnią prędkość.

• Przepływomierze kalorymetryczne

Przepływ jest to postępujące w czasie przemieszczanie się płynów, cieczy, gazów, lub par w kanałach dyszach, przewężeniach. Przyrządy służące do pomiaru różnych miar przepływu nazywamy przepływomierzami. Służą one do pomiaru średniej prędkości, natężenia objętościowego lub masowego przepływu. Całkując natężenie objętościowe metodami elektrycznymi lub mechanicznymi wyznacza się objętość płynu, który przepłyną w czasie całkowania.

Podstawowym parametrem przepływu jest jego prędkość, która wiąże się z masą oraz objętością.

Przepływomierze kalorymetryczne wykorzystują zjawiska związane z transportem energii cieplnej. Zbudowane są na zasadzie grzejnika nawiniętego na zew. stronę rurociągu, gdzie temp. mierzą termorezystory (miniaturowe folie termistorowe) która jest następnie porównywana ze sobą. Rozróżniamy dwa rozwiązania konstrukcyjne:

- z pomiarem różnicy temp. ∆Tk grzejnik umieszczony między termometrami

- ze stałą różnicą temperatur ∆T_Kv i zmianą mocy dostarczonej do grzejnika wtedy termometry są umieszczone niesymetrycznie względem grzejnika

Przepływomierze kalorymetryczne stosuje się do pomiaru przepływu o małej prędkości i niewielkich średnicach rurociągów - szczególnie gazów. Minimalny zakres pomiarowy 2∙10^-12kg/s max. 5∙10³kg/s, dokładność pomiaru ±1%.

• Przepływomierze indukcyjne

Przepływ jest to postępujące w czasie przemieszczanie się płynów, cieczy, gazów, lub par w kanałach dyszach, przewężeniach. Przyrządy służące do pomiaru różnych miar przepływu nazywamy przepływomierzami. Służą one do pomiaru średniej prędkości, natężenia objętościowego lub masowego przepływu. Całkując natężenie objętościowe metodami elektrycznymi lub mechanicznymi wyznacza się objętość płynu, który przepłyną w czasie całkowania. Podstawowym parametrem przepływu jest jego prędkość, która wiąże się z masą oraz objętością.

P. indukcyjne wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Pomiar polega na wymuszeniu pola magnetycznego stałego lub przemiennego przez dwie cewki zamontowane osiowo nad i pod rurociągiem z płynącą cieczą. W mierzonym medium płynącym w polu będzie indukowało się napięcie,

P. indukcyjne można stosować do pomiaru parametrów przepływu cieczy przewodzących Warunkiem dokładności przepływu jest osiowość przepływu. Średnice rurociągu dowolne. Dokładność 0,5 - 1,5%.

• Przepływomierz ultradźwiękowy.

Przepływ jest to postępujące w czasie przemieszczanie się płynów, cieczy, gazów, lub par w kanałach dyszach, przewężeniach. Przyrządy służące do pomiaru różnych miar przepływu nazywamy przepływomierzami. Służą one do pomiaru średniej prędkości, natężenia objętościowego lub masowego przepływu. Całkując natężenie objętościowe metodami elektrycznymi lub mechanicznymi wyznacza się objętość płynu, który przepłyną w czasie całkowania. Podstawowym parametrem przepływu jest jego prędkość w, która wiąże się z masą oraz objętością.

W p. ultradźwiękowych wykorzystuje się zależność prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w cieczy do prędkości cieczy.

Na rurociągu montuje się dwa przetworniki ultradźwiękowe, które mogą być jednocześnie nadajnikami i odbiornikami Jeden z nadajników P₁ wysyła falę ultradźwiękową, która przechodzi z prędkością zależna od prędkości płynu - wypadkowa prędkość będzie sumą prędkości wysłanej fali i płynącego medium. Czas przejścia fali ultradźwiękowej między przetwornikami będzie równy t= l/(W_u+W_scosφ)

Dokładność pomiaru zależy od wartości różnicy czasów przejścia fali przez ciecz, dodatkowych warstw materiałów na drodze fali, wynosi ok. ±0,5… ±1 % .

Metoda ultradźwiękowa nadaje się szczególnie do pomiarów cieczy w dużych rurociągach (średnice 0,1 - 3 m) podczas pomiarów materiałów agresywnych nadajniki stosuje się na zewnątrz rurociągów.

• Termoanometry konwencjonalne

W przetwornikach termoanemometrycznych przepływający płyn odbiera ener­gię cieplną z nagrzanych elementów rezystorów, termistorów itd. Miarą prędkości płynu opływającego nagrzany element jest zmiana rezystancji spowodowana zmniej­szeniem temperatury.

Najbardziej znanym przetwornikiem termoanemometrycznym jest przetwornik z "gorącym włóknem", wykonany z cienkiego platynowego lub piatynoirydowego dru­tu o średnicy od 0,005 mm do 0,1 mm i długości od 0,2 mm do 2 mm. Najczęściej drut jest rozciągnięty między wolframowymi pręcikami. Przez czujnik przepływa prąd o ustalonym natężeniu, nagrzewając go do temp. kilkuset stopni dla w=0. Ruch powietrza odbiera ciepło od czujnika maleje jego temperatura i rezystancja. Aby wyrównać wartość temperatury należy zwiększyć wartość prądu do stanu ustalonego przy w=0.

Termoanemometry stosowane są głównie do pomiaru prędkości powietrza, turbulencji. Charakteryzują się dużą czułością i małą stałą czasową (ms) typowy zakres pomiarowy wynosi 0 - 30 m/s przy temp 0 - 60°C

Dokładność ich wynosi ±2%

• Termoanometry falowe (praca doktorska Kurkowskiego pt. Badania i analiza sygnałów w aspekcie wykorzystania w termoanemometrii falowej)

Jedną z metod badania przepływu płynów jest metoda termoanemometryczna, wykorzystująca zjawisko zależności wartości rezystancji od temperatury. Najczęściej stosowane są tu przyrządy z jednym czujnikiem - włóknem pomiarowym zwane konwekcyjnymi. Modyfikacją termoanemometru konwekcyjnego jest termoanemometr falowy. Prędkość przepływu jest tutaj uzyskiwana na podstawie czasu przejścia generowanej fali cieplnej na znanym odcinku pomiarowym pomiędzy włóknami przetwornika.

Przeprowadzone zostały badania i analiza pracy termoanemometru falowego z różnymi rodzajami sygnałów wymuszających (prostokątny, sinusoidalny, pseudolosowy) generowanych we włóknie nadajnika przetwornika termoanemometru falowego. Zbudowany został system termoanemometru falowego o cechach przyrządu wirtualnego, dający możliwość regulacji parametrów sygnałów wymuszających we włóknie nadajnika oraz realizujący całościową analizę sygnałów z włókna (włókien) odbiorczych wraz z obliczaniem wartości prędkości przepływu medium. Na podstawie wyników badań i analiz stwierdzono, iż poprawna praca zmodyfikowanego systemu termoanemometru falowego jest możliwa przy zastosowaniu wszystkich trzech sygnałów wymuszających. Wartość mierzonej prędkości jest określana z błędem nie przekraczającym 1%.

Można spotkać stosunkowo mało publikacji opisujących ich budowę, zasadę działania oraz zastosowanie.

• Ultradźwiękowe pomiary odległości

Źródłami fal ultradź. są przetworniki piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, elektrostatyczne
i elektrodynamiczne. Najczęstszymi źródłami generowania fal są przetworniki piezoelektryczne pełniące rolę nadajników i odbiorników fali w zakresie częstotliwości równej od 20 kHz do 10 GHz. Pomiar odległości polega na wysłaniu fali (impulsu) do badanego obiektu, od którego fala ulega odbiciu i wraca do odbiornika. Czas mierzony jest od chwili wysłania impulsu do momentu jego powrotu, a odległość jest liczona ze wzoru l = vt/2.

Pomiary odległości są wykorzystywane w szeroko rozumianym miernictwie, dalmierzach, odległościomierzach. Dokładność pomiaru jest b. duża sięga ułamka procenta. Spotkać można przyrządy mierzące odległość od 20 mm niedokładnością mniejszą niż ±1%.

Impulsy ultradźw. są stosowane w nieniszczących badaniach materiałów (defektoskopii ultradźw.), diagnostyce (USG), echosondach.

• Podstawy działania przetworników optoelektronicznych

Podstawa działania przyrzadów optoelektronicznych jest zjawisko przetwarzania energii promieniowania swietlnego w energie elektronów (absorpcja swiatła) i zjawisko odwrotne -przetwarzanie energii elektronów w energie promieniowania swietlnego (emisja swiatła). Przez pojecie promieniowanie swietlne rozumie sie promieniowanie zarówno w zakresie widzialnym, jak i w zakresie podczerwonym oraz nadfioletowym. Przyrzady optoelektroniczne sa na ogół elementami półprzewodnikowymi;

Absorpcja i emisja swiatła w półprzewodniku sa zwiazane z okreslonymi mechanizmami oddziaływania fotonów z elektronami.

28. Fotoemitery - budowa, zasada działania

Zasada działania przetworników fotoelektrycznych polega na wykorzystaniu wpływu promieniowania widzialnego

(0,4 - 0,7 Dm), a czesciowo takze promieniowania podczerwonego i ultrafioletowego, na własciwosci

elektryczne niektórych elementów tych przetworników

Diody „świecące” emitują strumień fotonów w wyniku zmiany energii elektrycznej na energię promieniowania świetlnego. Elektrony odbierają energię elektryczną ze źródła zasilającego diodę, a oddają energię promieniowania świetlnego wskutek procesu rekombinacji. Wytwarza się diody elektroluminescencyjne w kolorach czerwonym, zielonym, żółtym, pomarańczowym oraz diody pracujące w podczerwieni.

Budując diody elektroluminescencyjne dąży się przede wszystkim do uzyskania takiej konstrukcji, aby przy określonych walorach użytkowych dioda miała możliwie dużą sprawność (od 0,4% do 20%). Zewnętrzna sprawność kwantowa zależy zarówno od sprawności kwantowej wewnętrznej, jak i sprawności ekstrakcji promieniowania. Aby zwiększyć moc promieniowania diody, należy powiększyć kąt graniczny. Można to uzyskać wykonując soczewkę z tworzywa sztucznego lub półprzewodnika.

29. Fotorezystory - budowa, zasada działania

Są to rezystory półprzewodnikowe, których rezystancja zmienia się pod wpływem oświetlenia. Działanie fotorezystorów opiera się na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym polegającym na zmniejszeniu się rezystancji półprzewodnika w stopniu zależnym od mocy padającego promieniowania. Padające na półprzewodnik fotony powodują rozrywanie wiązań kowalentnych, w wyniku czego tworzą się dodatkowe pary dziura - elektron. Zwiększona tak ilość nośników prądu powoduje zmniejszenie rezystancji elementu.

Fotorezystory są wytwarzane zwykle z takich materiałów jak siarczek kadmu (CdS), siarczek ołowiu (PbS), selenek ołowiu (PbSe), tellurek ołowiu (PbTe). Dobór materiału podyktowany jest przede wszystkim widmowym zakresem pracy do którego detekcji przeznaczony jest fotorezystor. Fotorezystory możemy podzielić na: samoistne - wykonane z półprzewodnika samoistnego oraz domieszkowe - z półprzewodnika domieszkowanego.

30. Fotoogniwa - budowa, zasada działania

Fotoogniwa są stosowane do detekcji światła oraz jako źródła energii elektrycznej. Stosowane jako detektory światła, są wykonywane techniką planarną w krzemie. Ich powierzchnia światłoczuła wynosi przeważnie od kilku do kilkudziesięciu cm². Fotoogniwa stosowane w bateriach słonecznych do wytwarzania energii elektrycznej są to złącza p-n o dużej powierzchni światłoczułej.

Fotoogniwa przetwarzają energię promieniowania na energię elektryczną. Sprawność energetyczna fotoogniwa wzrasta wraz ze zwiększeniem natężeniem oświetlenia. Maksymalna teoretycznie sprawność krzemowych fotoogniw wynosi 19,6%, natomiast rzeczywista sprawność około 14%. Wartość prądu zwarcia fotoogniwa jest proporcjonalna do natężenia oświetlenia.

31. Fotodiody - budowa, zasada działania

Fotodiody są stosowane wyłącznie do detekcji światła. Główną zaletą fotodiod jest duża szybkość ich działania. Są one wytwarzane w różnych odmianach konstrukcyjnych: diody Schottky'ego, ostrzowe, diody pin, lawinowe i kwadrantowe. Buduje sie je z germanu i krzemu.

W oświetlonym złączu p-n występuje prąd wsteczny zależny od natężenia promieniowania świetlnego. Zjawisko to obserwuje się przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym. Złącze spełnia wówczas funkcję rezystancji nieliniowej, zależnej od promieniowania świetlnego. Przyczyną tego zjawiska jest generacja świetlna par elektron - dziura w obszarze warstwy zaporowej złącza p-n lub w bliskim jego sąsiedztwie.

Przy braku oświetlenia w fotodiodzie płynie niewielki prąd ciemny, który tworzą głównie nośniki mniejszościowe. W przypadku oświetlenia złącza p-n, generowane nośniki nadmiarowe po obu stronach złącza dyfundują do warstwy zaporowej i są przenoszone przez pole elektryczne na drugą stronę, zwiększając prąd nasycenia.

32. Fototranzystory - budowa, zasada działania

Buduje się je z germanu i krzemu.

Pod wpływem światła padającego na powierzchnię półprzewodnika, w bazie są generowane dodatkowe pary dziura - elektron. W przypadku fototranzystora n-p-n elektrony są bezpośrednio odbierane przez kolektor, natomiast dziury pozostają w bazie powodując obniżenie wartości napięcia baza - emiter. Powoduje to zwiększenie prądu kolektor - emiter, czyli następuje wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoelektrycznego. Dzięki temu fototranzystory są bardziej czułe niż fotodiody ale zmniejsza to szybkość ich działania.

33. Fototyrystory - budowa, zasada działania

Fototyrystor jest to tyrystor umieszczony na specjalnej obudowie umożliwiającej oddziaływanie promieniowania świetlnego na jego przełączenie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia. Im większe napięcie anoda - katoda tym moc promieniowania do jego przełączania jest mniejsza. Po przejściu tyrystora do stanu przewodzenia, stan ten utrzymuje się po zaniku oświetlenia.

Wykonane są głównie z krzemu i wykorzystywane jako np. fotoelektryczne przekaźniki.

34. Transoptory - budowa, zasada działania

Transoptor jest elementem półprzewodnikowym składającym się co najmniej z jednego fotoemitera (zwykle dioda elektroluminescencyjna) i co najmniej jednego fotodetektora (najczęściej fotodioda lub fototranzystor) o zgodnych charakterystykach spektralnych umieszczonych w jednej obudowie i sprzężonych optycznie.

Transoptory stosuje się przede wszystkim jako szybkie miniaturowe przełączniki i przekaźniki zapewniające izolację galwaniczną. Rezystancja izolacji między dwoma obwodami może być rzędu 10 - 12 Ω, a dopuszczalna różnica napięć rzędu kV.

Przenoszenie sygnału przez transoptor zależy przede wszystkim od rodzaju elementów półprzewodnikowych tworzących go. Pewien wpływ ma również sposób sprzężenia optycznego i konstrukcja transoptora.

35. Zastosowania przetworników fotoelektrycznych

Wszystkie przyrządy fotoelektryczne można podzielić na dwie grupy ze względu na kierunek przemiany energetycznej. Pierwszą grupę stanowią fotodetektory i fotoogniwa, tj. przyrządy służące do przemiany sygnałów optycznych (energii światła) w sygnały elektryczne (energię elektryczną). W tej grupie można wymienić przede wszystkim fotorezystory, fotodiody i fotoogniwa oraz fototranzystory.

Druga grupa obejmuje wskaźniki i źródła światła, tj. przyrządy służące do przemiany sygnałów elektrycznych (energii elektrycznej) w sygnały optyczne (energię światła). Są to przede wszystkim diody elektroluminescencyjne oraz wskaźniki z kryształów ciekłych.

Oddzielną grupę przyrządów optoelektronicznych stanowią transoptory, tj. przyrządy funkcjonalne działające na zasadzie sprzężenia, w jedną całość, źródła światła (diody elektroluminescencyjnej) z fotodetektorem (fotodiodą lub fototranzystorem).

17

---