11.7 Сензор даха

У случајевима неких примена, је пожељно да се само детектује промена у покретању ваздуха (или било ком другом гасу у том смислу), пре него да се квантитативно измери његова брзина протока. Овај се задатак може извршити помоћу ваздушног сензора, који производи излазну пролазност, увек када се почетна брзина гаса , односно њена најнижа тачка мења. Један пример таквог уређаја је пиезоелектрични ваздушни сензор кога је произвела фирма «Nippon Ceramic of Japan». Сензор има пар пиезоелектричних (или пироелектричних) елемената, од којих је један изложен спољном ваздуху, а други је заштићен херметичком смоластом облогом. Два сензора су неопходна за диференцијалну компензацију одступања у спољној температури. Елементи су повезани серијским-супротним колом; што значи, да када оба стварају исто електрично оптерећење, као резултат тога је напон поларизације отпомика Rb (Слика 11.15А) у суштини нула. Оба елемента, напон поларизације отпомика и ЈFЕТ напонски репетитор су херметизовани у ТО-5 металном кућишту са вентилима за излагање S1 елемента покретању гаса

Сл.1.15B).

Принцип рада сензора је илустрован на Слици 11.16. Када нема протока ваздуха, или

кадаје он стабилан, оптерећење преко пиезоелектричног елементаје изједначено. Елементами унутамји електро-диполови, који су оријентисани у току процеса одређивања пола (Одељак 3,6 Поглавља 3), се избалансирају и то оба преносницима у унутрашњем делу материјала, а оптерећују се молекулима плутајућег ваздуха на површини елемента. Као резултат тога, напон на пиезоелектричним елементима S1 и S2 jе нула, што се одражава на нулта линијски излазни напон Vout. Када се проток гаса кроз обе површине S1 мења (S2 површине су заштићене смолом), молекули плутајућег гаса скидају изолацију плутајућих оптерећења који потичу од елемента. Ово се одражава на стварање напона на електродама елемента, зато што се унутрашње поларизовани диполови више не изједначавају / не балансирају/ путем спољњих плутајућих оптерећења. Напон се понавља путем ЈFЕТ репетитора, који служи као конвертор импедансе, а појављује се као прелазан на излазном прикључку /клеми/.

11.8 Kориолис-ови сензори протока масе

Кориолис-ови мерачи протока масе мере директно проток масе, супротно од оних мерача који мере почетну брзину или запремину [10]. На Кориолис-мераче протока практично не утиче притисак, температура и густина течности. Због тога се Kориолис-мерачи могу употребити без поновне калибрације и без компензације параметара који су специфични за одређени тип течности. лако су ови мерачи били углавном употребљавани за течности, када су први пут уведени, од недавно су постали прилагодљиви примени за гас.

Kориолис-ови мерачи протока су добили име по Гаспард-у Г Kориолис-у (1792.-1843.) француском грађевинском инжењеру и физичару. Типични Kориолис-сензор се састоји од једне или две вибрирајуће цеви са улазом и излазом. Типични материјал за цевије нерђајући челик. За тачност мерењаје критично спречавање механичких и хемијских утицаја на цев, или њену облогу, дејством течности која протиче. Неке цеви имају U-облик, али је заступљено и мноштво других облика. Тање цеви се употребљавају за гас, док су дебље цеви погодније за течности. Kориолис-цев је изложена вибрацијама које изазива помоћни електромеханички погонски систем.

Флуид улази у улаз мерача. Проток масе је одређен на основу дејства флуида на вибрирајуће цеви. При кретању од уласка ка излазу, флуид ствара различите силе које зависе од његовог убрзања, а које је последица вибрација цеви. Кориолисова сила, која је узрокована протоком флуида је дата као

vmF ω2= где је m маса, w је кружна фреквенција и v је вектор просечне брзине флуида. Као резултат ових сила цев се увија док пролази кроз вибрациони циклус. Интензитет увијањаје директно пропорцијалан протоку кроз цев. Слика 11.17А показује Кориолисову проточну цев у стању без протока, а Слика 11.117B приказује Кориолисову цев са протоком. У стању без протока цев вибрира идентично на свјим улазним и излазним странама са синусоидним кретањем са нулти фазним растојањем између њих. За време протока цев се увија што је реакција на проток, а улазна и излазна страна различито вибрирају са фазним растојањем између њих (Сл. 11.17C). Главни недостатак Кориолисовог сензора су релативно високи почетни трошкови. Али разноврсност Kориолисових сензора, што се огледа у примени за различите флуиде, чини их веома корисним за постројења у којима мора да се мери проток различитих типова флуида. Исто тако расте примена Kориолисових сензора за гас.

11.9 Сензори за силу отпора при протоку

Када је кретање флуида спорадично, у више праваца и турбулентно, сензор за силу

отпора протока може бити потпуно ефикасан. Примена таквих мерача протока укључује студије надзора над околином, метеорологију, хидрлогију и поморство ради мерења брзине ваздуха или протока воде и турбуленције у близини површине [11]. У мерачу протока чврсто тело које се зове отпорни елемент или мета је изложен протоку флуида. Сила флуида која делује на отпоми елемент се мери и конвертује у вредност за брзину протока. Веома важна предност отпомог сензора је та, што може да буде тако сачињен да генерише мерење протока у две димензије, или чак у три, а исто тако и брзину протока. Ради примене ових карактеристика, отпоми елемент мора бити симетричан у одгварајућем броју димензија. Ови мерачи протока се употребљавају у индустрији, комуналијама, ваздухопловству и истраживачким лабораторијама за мерење једносмеме и двосмеме течности (укључујући и нискотемпературне) гасове и пару (засићену и прегрејану) и то већ пола века.

Рад сензора се заснива на мерењу отпора деформације еластичног гуменог носача, на који делује сила путем сферичног отпомог елемента (Сл.11.18). Али идеални отпоми елементје пљоснати диск [12], зато што овакав облик омогућава коефицијент отпора који не зависи од брзине протока. Употребом сферичног отпомог елемента, који одступа од идеалног пљоснатог диска., коефицијент може да варира зависно од брзине протока, а због тога мерач мора да се калибрише и оптимизира за примену у одговарајућим условима. Мерење напона се може извршити мерачима напона који би требало да буду физички заштићени од интеракције са флуидом који се креће.

Сила отпора F, којом делује нестишљиви флуид на чврсто тело које је њему изложено, је дата једначином отпора:

AVCF DD ρ= где је r густина флуида, V је брзина у тачки мерења, А је пројектована површина тела нормално на проток, а CD jе коефицијент укупнe сила отпора. CD је бездимензиони фактор чија магнитуда зависи примарно од физичког облика тела и његове оријентације у односу на струју флуида. Ако се маса потпомог носача игнорише, остварени напон је:

( )bEa

xLAVCD2

23 −=

ρε

где је L дужина носача, x је тачка кординате на носачу где су лоцирани мерачи напона, Е је Yоунг-ов модул еластичности, и а и b су геометријски циљни фактори. Види се да је напон у носачу квадратна функција брзине флуида.

16.4 Оптички температурни сензори

Температура може бити измерена контактним и безконтактним методама. Безконтактни инструменти су углавном заједно са инфрацрвеним оптичким сензорима које смо описали у Одељцима 3.12.3 Поглавља 3, затим 4.9 Поглавља 4. и 14.6 Поглавља 14. Потреба за безконтактним температумим сензорима постоји онда када се мерење мора брзо извршити. Они су исто тако потребни за одређивање температура у окружењима која су веома тешка и недоступна, односно када веома јака електрична, магнетна или електромагнетна поља, затим високи напони чине да су мерења веома осетљива на интерференцију, или су пак исувише опасна за оператера. Исто тако има и ситуација где је тешко стићи до објекта током рутинског мерења. Уз методе мерења инфрацрвеним температумим мерењима, постоје сензори који су контактни по својој природи, али ипак употребљавају фотоне као носиоце термичких информација.

16.4. Флуор-оптички сензори

Ови сезори се заснивају на способности специјалног фосфоног једињења да одају флуоресцентни сигнал, реагујући на изложеност светлу. Једињење се може директно нанети као премаз, преко површине која се мери и осветљава ултравиолетним (UV) импулсом, а посматра се одсјај. Облик реакције импулсног одсјаја је у функцији температуре. Гашење одзивног импулса је у великој мери поновљиво у широком температумом опсегу [13.14]. Као осетљиви материјал, магнезијум флуоромагнетит активиран са тетравалентним манганом, се често користи. Ово је фосфор, познат већ дуже време у индустрији расвете као коректор боје за уличне лампе које су на принципу живиних пара, а припремљење у виду праха на реакцији чврстог стања, на приближно 1200°С. Он је термички стабилан, релативно инертан, и безопасан са биолошкг аспекта, отпоран на оштећења већине хемијских радијација, или на дуже излагање ултравиолетних УВ радиација. Може да побуди флуоресценцију, или путем UV, или плавом радиацијом. Његова флуоресцентна емисија се налази у дубоко црвном делу спектра, а гашење флуоресценцијеје суштински експоненцијално.

Ради минимизирања узајамне комуникације између побудних и емисионих сигнала, они пролазе кроз пропусни појас чилске шалитре, који поуздано одваја односни спектар (Сл. 16.24А). Извор импулсне побуде, ксенон лампа, може се распоредити на бројне оптичке канале у мултисензорском систему. Температума мерења се изводе путем мерења брзине гашења флуоресценције, какоје то и приказано на Сл. 16.24B; односно температура је изражена временском константом р која опада петоструко у оквиру температумог опсега од -200°C на +400°C. Мерење времена је обично најједноставнија и најпрецизнија операција која се може извести електронским колом: тако се температура може измерити са добром резолцијом и са тачношћу - око ±2°C у целом опсегу без калибрације.

Због тога што је временска константа независна од интензитета побуде. На пример фосфоно једињење може бити директно обложено на односну површину, а оптички систем може извршити мерење без физичког контакта (Сл. 16.25А). Ово омогућава континуирани надзор температуре, а да се мерно место не узнемирава. У другој изведби, фосфор је обложен савитљивим узорком који може да формира добру контактну површину, када се доведе у контакт са телом Сл. 16.25B 16.25C.

16.4.2 Интерферометријски сензори

Други метод оптичко температумог мерења се заснива на модулацији интензитета светла путем интерференције два светлосна снопа. Један сноп је референтан, а други путује кроз температумо осетљиви медиум и нешто касни, зависно од температуре. Ово се одражава на помак фазе и одговарајућу побуду интерферентног сигнала. Ради мерења температуре може се употребити танак слој силикона [15.16] зато што се његов индекс преламања мења са температуром, одређујући тако раздаљину светлосног пута. Слика 16.26 приказује шематски «цхин-филм» оптички сензор. Овај сензор је био израђен набацивањем три слоја на крајеве тканине са мултимодусним градуисаним индексом, са 100-mm пречницима језгра и 140-mm пречницима облоге [17]. Први слој је силикондиоксид. Слој FeCrAl на крају узорка спречава оксидацију доњег слоја силикона. Ова тканина може се употребљавати до 350°C, али много скупље тканине са позлаћеном облогом која има међуслој, могу се користити и до 650°C. Сензор се употребљава са LED извором, радећи у опсегу од 860 nm у микро оптичком спектру.

16.4.3 Термохромичлд растворни сензори

За биомедицинску примену, где електромагнетне интерференције могу представљати проблем, температуми сензор се може извести уз коришћење са термохромичким раствором [18], као што је кобалт хлорид (CoCl2

.6H2O). Рад овог сензора заснован је на зависности од спектралне абсорпције у видљивом опсегу од 400-800 nm путем термохромичког раствора (Сл. 16.27А). То значи да сензор треба да се састоји од извора светлости и раствора кобалт хлорида, који је термички повезан са предметом. Две могуће изведбе су приказане на Сл. 16.27.Б и 16.27Ц, где је трансмисија и примање оптичких влакана спојено кроз раствор кобалт хлорида.

16.5 Акустични температурни сензори

У екстремним условима, мерење температуре може бити веома тежак задатак.Ови услови укључују криогенски температуми опсег, високе нивое радиације у унутрашњости нуклеамих реактора, итд. Други неуобичајени услов је мерење температуре у затвореном простору са познатим медиумом, у који се не може убацити контактни сензор, а тај простор не може да преноси, одн. нема могућност трансмисије за инфрацрвену радиацију. У таквим неуобичајеним условима, акустични температуми сензори могу бити баш од користи. Принцип рада једног оваквог сензора се заснива на повезаности између температуре медиума и брзине звука. На пример, у сувом ваздуху при нормалном атмосферском притиску, однос је:

smTv

15.2735,331=

где је v брзина звука, а Т је апсолутна температура. Акустични температуми сензор (Сл. 16.28) је састављен од три компоненте:

ултрасоничног предајника, ултрасоничног пријемника и херметички затворене цеви напуњене гасом. Предајници и пријемници су керамичке пиезоелектричне плоче које су акустички издвојене од цеви да би се обезбедило ширење, примамо кроз затворени гас, којије у многим случајевима из праксе, суви гас. Алтемативно, предајни и пријемни кристали могу се припојити у затворени простор са познатим садржајем, чија температура треба да се измери; што значи да интермедијална цев није неопходна у случајевима где је унутамји медиум, одн. када се његова запремина и маса одржавају константним. Када се употребљава цев треба предузети спречавање њене механичке деформације и губитак херметичности под екстремним температумим условима. Одговарајући материјал за цев је Инвар челик. Давач такта ниске фреквенције (близу 100 Hz) активира предајник и онемогућава

пријемник. Пиезоелектрични кристал савија предајни и ултрасонами талас дуж цеви. Предајни кристал је био претходно онемогућен, одн. пре него што је талас стигао на

његову површину и конвертовао се у електрични тренутни сигнал, који се појачава и шаље у контролно коло. Контролно коло израчунава брзину звука, одређујући време ширења дуж цеви. Затим се одредује одговарајућа температура из бројева калибрације који су меморисани у лоок-уп табли. У другој изведби термометар може да се састоји само изједног ултрасоничног кристала који алтемативно делује, или као предајник или пак пријемник. У том случају цев има затворени празан завршетак. Ултрасонични таласи се одбијају од површине на крају и шире се назад ка кристалу, који пре тренутка доспећа таласа, прелазе у модус примања. Електронско коло [19] конвертује примљене импулсе у сигнал који одговара температури у цеви. Минијатуми температуми сензор може се извести помоћу техника са површинским акустичним таласом (SAV) и анодним таласом (PW), (види Поглавље 11). Принцип рада овог сензора се заснива на модулацији температуре неких механичких параметара елемента за мерење времена у електронском осцилатору [20.21]. Ово доводи до промене у фреквенцији осцилације. У ствари, један такав интегрални акустички сензор постаје директни конвертор температуре у фреквенцију. Типична осетљивостје у опсегу од неколико килохерца према Келвиновом степену.