Первичные измерительные преобразователи в системах безопасности

Министерствообразования Республики Беларусь
Учреждениеобразования
«Белорусскийгосударственный университет
информатики ирадиоэлектроники»
Контрольнаяработа № 1
попервичным измерительным преобразователям в системах безопасности
2008

Контрольная работа № 1
Вопросы:
1)    Датчики давления. Конструкция, схемавключения, применение.
2)    Структура первичных преобразователей.Радиоволновые извещатели охраны периметров.
Введение:
Мир датчиков чрезвычайноразнообразен: большое число измеряемых физических величин или параметровисследуемого объекта; разнообразие физических зависимостей, используемых дляизмерительных преобразователей; разнообразие современных объектов измерения,предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом(ракетно-космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомнаятехника и т.д. ракетно-космическая техника. объектовизмерения, предопределяющих специфику требований к датчикамров исследуемогообъекта; разнообр).
 Стремление получитьбольше информации от датчика (повысить его точность выше целесообразныхпределов) неизбежно ведет либо к его крайней уязвимости и в результате –неработоспособности, либо к такому местному росту энтропии, что будет нарушенсам исследуемый процесс. Поэтому при проектировании датчиков применительно кконкретной измерительной задаче либо при выборе датчика из числа существующихдолжно быть достигнуто оптимальное соотношение между метрологическими инадежностными характеристиками датчика для данных условий измерений.
 Сигнал от датчиковпопадает на устройства обработки информации, после которых приобретает удобнуюдля  оператора форму, по которой можно судить о том или ином параметреисследуемого объекта.
 В последние 10-15 летустройства обработки информации развиваются достаточно интенсивно. Преждевсего, это связано с огромными успехами микроэлектроники, радиотехники, ЭВМ.
1)      Давление являетсяодной из основных величин, связанных с описанием поведения жидких игазообразных сред. Одна лишь энергетика потребляет большую часть выпускаемыхпромышленностью датчиков давления. В гидравлических, тепловых, ядерных и другихэнергетических установках необходим непрерывный контроль за давлением дляобеспечения нормального режима работы, устранения риска разрыва стенок сосудови трубопроводов и возникновения аварийных ситуаций.
Датчик – это устройство,воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением сигналов.Назначение датчиков – реакция на определенное внешнее физическое воздействие ипреобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительнымисхемами.
В системах контролятехнологических процессов датчики давления дают информацию о давлении сжатоговоздуха, газа, пара, масла и других жидкостей, обеспечивающих надлежащеефункционирование машин, механизмов и систем и протекание контролируемыхпроцессов.
Давление – это физическаявеличина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхноститела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку. Оцениватьвеличину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и вотносительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того,результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двухразных давлений. Измерение давления может проводиться в различных средах,физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.
Все материалы можноразделить на твердые и жидкие среды. Под термином жидкая среда понимается все,что способно течь. При изменении давления жидкости превращаются в газы инаоборот. Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можноиспользовать основные физические величины: массу, длину  и время. Известенфакт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как наодинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях.
Избыточное давление –давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случаеречь идет о вакууме. Давление называют относительным, когда его измеряютотносительно давления окружающей среды, и абсолютным – когда оно измеряется  поотношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когдажидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится кжидкостям в движении.  
 Принцип действия любогодатчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемогочувствительным элементом. В конструкцию практически всех преобразователейдавления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чьядеформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, иопределяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давленияреализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновениякоторой является тоже перемещение.
 Современные датчикидавления основаны на различных методах электрического преобразования входныхпараметров. Выпускаются миниатюрные тензорезисторные, пьезорезистивные,пьезоэлектрические, емкостные с монокристаллическим упругим элементом,использующие эффект Холла и другие датчики давления. На мировом рынке получилиширокое распространение электрические датчики с переменным магнитнымсопротивлением, конденсаторные датчики с переменной емкостью, виброчастотныепреобразователи фирмы Foxboro,тензометрические датчики с использованием тонкопленочных или напыленныхметаллических резисторов, тензометрические преобразователи с полупроводниковымитензорезисторами.
 Сейчас одним из самыхраспространенных направлений построения датчиков давления является разработкаинтегральных тензорезисторных преобразователей с максимальным использованиемдостижений физики полупроводников и микроэлектронной технологии. Высокаячувствительность полупроводниковых тензорезисторов, применениемонокристаллических материалов в упругих элементах тензорезисторныхпреобразователей, высокая стабильность и надежность, технологическаясовместимость  с интегральными микросхемами обработки сигнала, миниатюрныеразмеры полупроводниковых чувствительных элементов, возможность применениягрупповой технологии изготовления являются их основными достоинствами. Поэтомуполупроводниковые преобразователи привлекают к себе внимание приборостроителейво всем мире.
В системе СИ единицейизмерения давления является паскаль: 1 Па=1Н/м2. Это значит,что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по по­верхностиплощадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической едини­цы измерениядавления применяется единица, называемая атмосфера, обознача­емая 1 атм.Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении.
Длягрубых оценок можно запомнить еще одно соотношение: 0.1 мм Н20 создает давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяетсядругая единица давления, называемая торр (это название дано в честьфизика Торричел-ли), которая определяется как давление, создаваемое столбикомртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальнойгравитации. Иде­альное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется техническойат­мосферой:
1атм= 160торр = 101.325Па.
Всистеме единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Этаединица там обозначается как рsi.Для перевода рsi в единицы системы СИ можновоспользоваться соотношением:
1рsi= 6.89х103Па= 0.0703 атм.
Принцип действия любогодатчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемогочувствительным элементом, в электрический сиг­нал. В конструкцию практическивсех преобразователей давления входят сен­соры, обладающие известной площадьюповерхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действиядавления.
/>
                                                                               \/ои
U-образный датчик давления, за­полненныйртутью,
применяемый для из­мерениядавления газов.
Такойдатчик обычно калибруется на­прямую в торрах. К сожалению, просто­та являетсяпрактически единственным его достоинством, потому что он обла­дает целым рядомсущественных недо­статков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохойпомехозащищен­ностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнениемгаза ртутны­ми парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и вкачестве детек­тора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе приотсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строгогоризонтальном его расположении.
Давление,приложенное к одно­му из концов трубки (например, левой), приводит кразбалансировке мостовой, схемы и появлению на ее выходе нену­левогосигнала. Чем выше давление в ле­вой части трубки, тем больше сопротив­лениесоответствующего плеча и тем меньше сопротивление противополож­ного. Выходноенапряжение пропорци­онально разности сопротивлений ΔRв двух плечах моста, незакороченныхрту­тью участков провода.
Чувствительныеэлементы, входящие в состав датчиков давления, являются ме­ханическимиустройствами, деформирующимися под действием внешнего на­пряжения. Такимиустройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спи­ральные и закрученные),гофрированные и подвесные диафрагмы, мемб­раны, сильфоны и другие элементы,форма которых меняется под действием на них давления.
На рис.А показан сильфон, преобразующий давление в линейное пере­мещение, котороеможет быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфонвыполняет первый этап преобразований давления в элек­трический сигнал. Онобладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможностьполучать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях.Жесткость цельного металлического сильфона пропорци­ональна модулю Юнгаматериала и обратно пропорциональна внешнему диамет­ру и количеству изгибов нанем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной егостенок.
/>/>               Рис. А
              Стальной сильфон, используемый
              в датчиках давления.
Рис. Б
Метал­лическая гофрирован­ная диафрагма, приме­няемаядля преобразо­вания давления в ли­нейное перемещение.
На рис.Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразованиядавления в линей­ное отклонение. Диафрагма, формиру­ющая одну из стенок камерыдавления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ееотклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиковдавления такого типа изготавливаются с кремни­евыми мебранами, методамимикротех­нологий.
В составдатчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мем­брана)  идетектор, выходной сигнал которого пропорцио­нален приложенной силе. Оба этиэлемента могут быть из­готовлены из кремния. Датчик давления с кремниевойдиафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методомпьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Посколькумонокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости,в таком дат­чике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении.Коэф­фициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичныйкоэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включаютсяпо схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение та­ких датчиковобычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их вы­ходе, как правило,ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обла­дают довольно сильнойтемпературной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на ихоснове /> />
необходимо предусматривать цепитемпера­турной компенсации.
Расположениепьезорези­сторов на кремниевой диафрагме
Датчикидавления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальноеи манометрическоедавление. Абсолютное давление, например,барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной ка­мере,которая может быть как встроенной (рис. 1А), так и внешней. Диффе­ренциальноедавление, например, перепад давления в дифференциальных расхо­домерах,измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафраг­мы.Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонно­гозначения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводитсяотносительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сутиявляется разновидностью дифференциального давления. Во всех трех типах датчиковиспользуются одинаковые конструкции диафрагм и тензодатчиков, но все они имеютразные корпуса. Например, при изготовлении дифферен­циального илиманометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, вкоторой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис. 1Б). Для защитыустройства от вредного влияния окружающей среды внут­ренняя часть корпусазаполняется силиконовым гелем, который изолирует по­верхность кристалла и местасоединений, но позволяет давлению воздейство­вать на диафрагму. Корпусадифференциальных датчиков могут иметь разную форму (рис. 2). В некоторых случаяхпри работе с горячей водой, коррозион­ными жидкостями и т.д. необходимообеспечивать физическую изоляцию устрой­ства и гидравлическую связь с корпусомдатчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм исильфонов. Для того чтобы не ухудша­лись частотные характеристики системы,воздушная полость датчика почти все­гда заполняется силиконовой смазкой типа Dow Corning  DS200./> />
Рис   1. Устройство корпусов датчиков: А – абсолютного, Б –дифференциального давлений.
/>
Рис 2. Примеры корпусов дифференциальных датчиков давления.

Емкостныедатчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В такихдатчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меня­ет емкостьмежду ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысокихдавлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевыхкристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих харак­теристик.Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широкомдиапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оциф­ровкирезультатов измерений. В то время как для диафрагм, используемых впьезорезитивных датчи­ках, необходимо обеспечивать макси­мальное механическоенапряжение на краях, для диафрагм в емкостных дат­чиках существенным являетсяпереме­щение их центральной части. Диафраг­мы в емкостных датчиках могут бытьза­щищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей скаждой стороны диафрагмы (для диф­ференциальных датчиков давления). Впьзорезистивных датчиках из-за не­больших перемещений такой способ за­щиты, ксожалению, работает недоста­точно эффективно, поэтому для них оп­ределяетсядавление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает мак­симальноеизмеряемое давление, в то время как для емкостных преобразова­телей смеханическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это осо­бенно важнопри работе в области низких давлений, где возможны всплески вы­сокого давления.
Дляобеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, что­бы диафрагмыобладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, чтоемкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда пе­ремещениядиафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улуч­шения линейностиявляется использование гофрированных диафрагм, изготовлен­ных методамимикротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшейтензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и тол­щины.Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибыгофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к суще­ственномуулучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 3).
/>
давление(дюйм Н20)
Рис. 3. Отклонение центральной ча­сти планарной игофрированной диаф­рагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостныхрастягивающих напряжений.
Приизмерении низких давлений перемещение тонкой пластины или диафрагмы может бытьнебольшим. Фактически, оно может быть таким маленьким, что тензодатчик,прикрепленный к диафрагме или встроенный в нее, будет выдавать очень низкийвыходной сигнал, недостаточный для последующей его обработки. Один из возможныхспособов решения этой проблемы — использование емкостного датчика, в которомотклонение диафрагмы измеряется по ее положению относи­тельно опорной пластины,а не по напряжению внутри материала. Другим спосо­бом решения проблемыизмерения очень низких давлений является применение магнитных датчиков. Датчикипеременного магнитного сопротивления (ПМС) из­меряют изменение магнитногосопротивления дифференциального трансформа­тора, вызванного перемещениеммагнитной диафрагмы, возникающего вследствие воздействия на нее внешнего давле­ния.Принцип действия таких датчи­ков очень напоминает принцип дей­ствия магнитныхдетекторов. На рис. 4А проиллюстрирована основная идея модуляции магнитногопотока. Конструкция, состоящая из Е-образного сердечника и катушки формиру­етмагнитный поток, силовые линии которого проходят через сердечник, воздушныйзазор и диафрагму. Маг­нитная проницаемость материала сер­дечника по крайнеймере в 1000 раз выше проницаемости воздушного за­зора, поэтому его магнитное со­противлениевсегда ниже сопротивле­ния воздуха. В связи с этим величина индуктивности всейэтой конструкции определяется шириной зазора. При от­клонении диафрагмывеличина воз­душного зазора либо увеличивается, либо уменьшается в зависимостиот направления перемещения, что вызы­вает модуляцию индуктивности.
На рис.5 показана конструк­ция ПМС датчика давления, в котором между двумя половинамикорпуса, состоящих из катушки и Е-образного сердеч­ника, размещается магнитнопроницаемая диафрагма. Катушки покрыты специ­альным составом, обеспечивающимпрочность системы даже при воздействии очень высоких давлений. С двух сторондиафрагмы сформированы узкие рабочие камеры, соединенные с входными портамиподачи давления. Рабочий диапазон датчика определяется толщиной диафрагмы,однако полное отклонение диаф­рагмы редко превышает 25...30 мкм, потому такиепреобразователи, в основном, применяются для измерения низких давлений.Небольшие поперечные размеры рабочих камер физически защищают мембрану отчрезмерного отклонения в ус­ловиях избыточного давления, поэтому ПМС датчикиявляются достаточно на­дежными устройствами. При подаче переменного токавозбуждения возникает магнитный поток, захватывающий оба сердечника, воздушныезазоры и диаф­рагму. Таким образом, в состав датчика входят два индуктивныхэлемента, являю­щихся плечами мостовой схемы (рис. 4Б). Когда на диафрагмудействует диф­ференциальное давление, она отклоняется в ту или другую сторону,что приводит к пропорциональному изменению магнитного сопротивления двухвоздушных за­зоров. Даже небольшое давление на диафрагму приводит кзначительному изме­нению выходного сигнала, намного превышающему уровень шума.
/>/>
(Б)
Рис. 4.  Датчик измерениядавления по переменному магнитному сопротивлению: А — основной принципдействия, Б — экви­валентная схема.
/>/> />
Рис. 5. Конструк­ция ПМС датчика дляизмерения низкого дав­ления: А — схема сбор­ки датчика. Б — устрой­ство датчика
Приизмерении низких давлений или когда для повышения динамического диапазо­наприменяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения иточности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В до­полнениек этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и неко­торыхемкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует ис­пользованиядополнительных цепей температурной компенсации. Оптические ме­тоды измеренийобладают рядом преимуществ над остальными способами детекти­рования давления:простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающейспособностью и высокой точностью. Особенно перспективными яв­ляютсяоптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерферен­ции света.Такие преобразователи используют принцип измерения малых пере­мещенийФабри-Перо.  На рис. 6  показана упрощенная схема одного из таких датчиков.
/>
Рис. 6. Схема
оптоэлектронногодатчика давления, использующего принцип интерфе­ренции света.
В составдатчика входят следую­щие компоненты: пассивный кристалл оптическогопреобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремни­евой подложке;светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Де­тектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которыхпристроены опти­ческие фильтры Фабри-Перо, имею­щие небольшую разницу потолщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением отпередней поверхности, покрытые сло­ем из SiO2 на поверхность которых нанесен тонкийслой А1. Оптический пре­образователь похож на емкостной дат­чик давления, заисключением того, что в нем конденсатор заменен на интерферометр Фабри-Перо, используемый для измерения отклонения диафрагмы. Диафрагма, сфор­мированнаяметодом травления в подложке из монокристаллического кремния, по­крыта тонкимслоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также на­несенометаллическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой под­ложкойсуществует зазор шириной w, получаемыйпри помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перос переменным воздушным за­зором w, всостав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющеесвое положение при изменении давления, и параллельное ему стационар­ноеполупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связа­на с внешним давлениемлинейной зависимостью, длина волны отраженного излу­чения меняется приизменении давления. Принцип действия датчика основан на из­мерении модуляциидлины волны, получаемой от сложения падающих и отражен­ных излучений. Частотапериодического интерференционного сигнала определяет­ся шириной рабочей полостиинтерферометра w, а его период равен 1/2w.
Детекторработает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционаленприложенному давлению. Он является оптическим компарато­ром, сравнивающимвысоту рабочей камеры датчика давления и толщину вирту­альной камеры,сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размерыэтих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давленияпроисходит косинусная модуляция фототока с периодом, со­ответствующим половинесредней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется вкачестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света,поступающего на детектор. Его выходное напряжение при­меняется при последующейобработке сигналов для получения нормированных ре­зультатов измерений.Поскольку рассматриваемый датчик давления является не­линейным, он обычно встраиваетсяв микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции еголинеаризации. Аналогичные оптические датчики давления реализуются на основеоптоволоконных световодов. Такие дат­чики незаменимы при проведении измерений втруднодоступных зонах, где исполь­зование ВЧ интерферометров невозможно. Припроизводстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компо­нентов,а также в ходе проведения химических и других технологических процес­сов бываетнеобходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся ипри проведении некоторых научных экспериментов, например, в кос­мическихисследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но,как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия дав­лениягазов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом про­странственет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя.
Вакуумможно измерять и традиционными датчиками, при этом будут регис­трироватьсяотрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это оченьнеэффективный подход. Обычные датчики давления не могут опре­делять оченьнизкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие оттрадиционных датчиков давления измерители вакуума работают на совершенно другихпринципах, которые основываются на некоторых физичес­ких свойствах молекулгазов и заключаются в определении числа молекул в за­данном объеме. К такимфизическим свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие.В этом разделе будут даны краткие описания са­мых популярных датчиков давления,используемых для измерения вакуума.
ВакууметрыПирани — это датчики, измеряющие давление по теплопроводности газа. Этот типизмерителей вакуума был разработан первым. В конструкцию само­го простогодатчика Пирани входит нагреваемая пластина. Измерение вакуума зак­лючается вопределении количества тепла, теряемого этой пластиной, которое за­висит отдавления газа. Существует несколько конструкций датчи­ков Пирани, используемыхв вакуумной техни­ке. В состав некоторых из них входят две плас­тины,находящиеся при разных температурах. В таких датчиках давление газаопределяется по количеству энергии, затраченной на нагрев пластин. Другиедатчики используют только одну пластину, при этом теплопроводность газаизмеряется по величине теплопотерь в окружа­ющие стенки. Для измерениятемпературы в со­став датчиков обычно входят либо термопары, либо платиновыетерморезисторы.
/>
Рис. 7.  Вакууметр Пирани с термисторами с ОТК, работающими в режиме саморазогрева.
На рис.7 показан дифференциальный вакууметр Пирани. Камера датчика разделена на двеиден­тичные секции. В одной из секций газ находит­ся при эталонном давлении(например, при 1 атм =760 торр), а вторая расположена в ваку­умной камере,давление в которой необходи­мо измерить. В каждой камере есть нагревае­маяпластина, которая для уменьшения кондуктивной теплопередачи через окружающиетвер­дые предметы подвешена на очень тонких со­единительных элементах.Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, длятого чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чемсим­метричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитныетеплопотери. Пластины нагрева­ются при помощи электри­ческих нагревателей. Врас­сматриваемом датчике на­гревательным элементом является термистор с отри­цательнымтемпературным коэффициентом (ОТК). Сопротивления термисторов равны и имеютсравнительно низкий но­минал, поэтому в них воз­можно протекание процес­сасаморазогрева Джоуля.
Ионизационныедатчики напоминаютвакуумные лампы, ис­пользуемые в качестве усилителей в старых радио­приемниках.Ток ионов между пластиной и нитью накаливания почти линейно зависит от плотнос­тимолекул (давления). Лампы вакуумных датчиков имеют обратное включение: на сеткупо­дается высокое положительное напряжение, а пла­стина подсоединяется книзкому отрицательному напряжению. Выходным сигналом ионизационно­го датчикаявляется ток ионов ip, снимаемый с пла­стины, пропорциональный давлению и токуэлек­тронов igна сетке. В настоящее время используется усовершенствованная модель этогодатчика, назы­ваемая измерителем Баярда-Алперта. Он обла­дает большейчувствительностью и стабильностью и может измерять более низкие давления. Егоприн­цип действия аналогичен предыдущему датчику, но измеритель Баярда-Алпертаимеет другую конст­рукцию, в нем пластина заменена на провод, окру­женныйсеткой, а нить накаливания катода выне­сена наружу (рис. 8Б).
/>

/>
Рис.     8.   Ионизационный вакуумный датчик (А),изме­ритель Баярда-Алперта (Б), датчик газового сопротивле­ния (В).
Пристолкновении молекул газа с подвижным объектом, они теряют свою энер­гию. Вэтом заключена основная идея датчика с вращающимся ротором. В рассматриваемомдатчике (рис. 8В) маленький стальной шарик диаметром 4.5 мм при помощи магнитов удерживается в подвешенном состоянии внутри ваку­умной камеры и при этомвращается с частотой 400 Гц. Магнитный момент шари­ка индуцирует напряжение врасположенных по бокам чувствительных катушках. Молекулы газов, сталкиваясь сшариком, замедляют его скорость вращения.
2) Приборы и средства автоматизацииподразделяют на измерительные и преобразующие приборы, регулирующие органы иисполнительные механизмы. Измерительное устройство, в общем случае, состоит изпервичного, промежуточного и передающего измерительных преобразователей.
Первичным измерительнымпреобразователем (или сокращенно первичным преобразователем) называется элементизмерительного устройства, к которому подведена измеряемая величина. Первичныйпреобразователь занимает первое место в измерительной цепи (канале измерения).Примерами первичных измерительных преобразователей могут служить:преобразователь термоэлектрический (термопара), сужающее устройство дляизмерения расхода и т. п. Первичные измерительные преобразователи частоназывают датчиками.
Промежуточнымизмерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем)называется элемент измерительного устройства, занимающий в измерительной цепиместо после первичного преобразователя. Основное назначение промежуточногопреобразователя — преобразование выходного сигнала первичного измерительногопреобразователя в форму, удобную для последующего преобразования в сигнализмерительной информации для дистанционной передачи. Примером промежуточногоизмерительного преобразователя может служить мембранный блок дифманометра — расходомера. В измерительной цепи измерения расхода он занимает местонепосредственно после сужающего устройства и преобразует перепад давления насужающем устройстве в соответствующее перемещение мембраны мембранного блока исвязанной с нею механической системой прибора.
Передающим измерительнымпреобразователем (или сокращенно передающим преобразователем) называется элементизмерительного устройства, предназначенный для дистанционной передачи сигналаизмерительной информации. Примером передающего преобразователя могут служитьразные электрические или пневматические преобразователи, встраиваемые вдифманометры — расходомеры. С их помощью, например, перемещение мембраны,изменяющее положение сердечника дифференциального трансформатора дифманометра,преобразуется в выходной унифицированный сигнал постоянного тока 0—5 мА(электрический преобразователь) или перемещение гармониковых сильфоновдифманометра в унифицированный выходной пневматический сигнал 0,02—0,1 МПа(пневматический преобразователь) для дистанционной передачи измерительнойинформации. Приборостроительной промышленностью выпускаются устройства,объединяющие в себе функции первичного, промежуточного и передающегопреобразователей в различных сочетаниях. Так, бесшкальные манометры идифманометры выпускаются со встроенными преобразователями для дистанционнойпередачи показаний. Эти приборы сочетают в себе функции промежуточного ипередающего преобразователей. Кроме того, в различных измерительных схемах однии те же элементы могут выполнять различные функции преобразования измеряемойвеличины. Если имеется измерительная цепь преобразователь термоэлектрический(термопара) — линия связи — милливольтметр, то преобразовательтермоэлектрический выполняет функции первичного, промежуточного и передающегопреобразователей. Если в качестве вторичного прибора используется потенциометр,с унифицированным входным сигналом 0—5 мА, то сигнал с преобразователятермоэлектрического поступает сначала на преобразователь, преобразующийзначение измеряемой величины, выраженное в милливольтах, в соответствующеезначение, выраженное в миллиамперах постоянного тока. В этом случае термопреобразовательтермоэлектрический выполняет функции только первичного преобразователя. Кпервичным преобразователям также относятся отборные и приемные устройства. Подотборными и приемными устройствами понимают устройства, встраиваемые втехнологические аппараты и трубопроводы для отбора контролируемой среды иизмерения ее параметров. Примерами таких устройств могут служить устройстваотбора давления в аппарате или трубопроводе, устройства отбора среды дляопределения, например, ее концентрации, щелочности и др.
Первичные измерительныеустройства могут встраиваться в технологические аппараты и трубопроводы спомощью дополнительных устройств: бобышек, карманов, расширителей и т. п. Рядприемных устройств по своей конструкции и принципу действия не требует непосредственногоконтактирования с измеряемой средой (радиоактивные устройства, коллиматоры,видеоприемные устройства и т. п.). Их изображают на схемах в непосредственнойблизости от объекта измерения.
Измерительным приборомназывается средство измерения, предназначенное для выработки сигналаизмерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятиянаблюдателем. Измерительные приборы могут иметь различные функциональныеотличия. Они могут быть показывающими, регистрирующими, самопишущими, интегрирующимии т. д. Кроме того, в них могут быть встроены регулирующие, преобразующие исигнализирующие устройства. В связи с этим условные обозначения приборов ипреобразующих устройств состоят из основного условного изображения прибора илиустройства и вписываемых в него обозначений контролируемых и регулируемыхвеличин, а также их функциональных признаков. Регулирующие органы поконструкции представляют собой устройства, монтируемые непосредствено втехнологические трубопроводы. Это различные клапаны, заслонки, шиберы и т. п.Управление регулирующими органами осуществляется исполнительными механизмами,выполняющими функции их приводов. Исполнительные механизмы в отличие отрегулирующих органов представляют собой относительно сложные многоэлементныеустройства. Они отличаются друг от друга принципом действия, техническими иэксплуатационными характеристиками, а также конструктивными особенностями. Породу используемой энергии исполнительные механизмы подразделяются нагидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.
Радиоволновыеизвещатели
 Радиоволновыеизвещатели применяются для охраны объемов закрытых помещений, внутренних ивнешних периметров, отдельных предметов и строительных конструкций. Этиизвещатели формируют извещение о проникновении нарушителя при возмущении поляэлектромагнитных волн СВЧ диапазона, что вызывается движением нарушителя в зонеобнаружения.
 Дляобеспечения  устойчивой работы  радиоволновых извещателей нельзя устанавливатьизвещатели на токопроводящие конструкции (металлические балки, сырую кирпичнуюкладку и т. п.), так как между извещателем и источником питания возникаетдвойной контур заземления,  что может стать причиной ложного срабатыванияизвещателя. Следует вынести за пределы  зоны обнаружения колеблющиеся идвижущиеся предметы, имеющие значительную отражающую поверхность, а такжекрупногабаритные предметы, способные создавать «мертвые» зоны, или сформироватьзону обнаружения так, чтобы эти предметы в нее не попадали. Также необходимоследить за тем, чтобы не было вибраций арматуры, светильников, мигания илидругих переходных процессов в лампах, которые обычно возникают передвозникновением неисправности лампы; не ориентировать извещатель на оконныепроемы, тонкие стены и перегородки, за которыми в период охраны возможнодвижение крупногабаритных предметов; не применять извещатели на объектах,вблизи которых расположены мощные радиопередающие средства.  
 Извещательохранныйобъемныйрадиоволновый 
ИО407-3А «Волна М»                                                   
ТУ — ТУ25-7728.0001-88                                               
Код ОКП- 43 7215 3003                                                
Назначение:
Извещатель«Волна М» предназначен для защиты объемов охраняемых помещений. Припроникновении нарушителя в зону действия изве -
щателя он воспринимает изменение излучаемой СВЧ энергии, формирует сигнал«Тревога» путем размыкания контактов исполнительного реле         
и выдает его на пульт централизованного наблюдения или приемно-контрольныйприбор. В комплект извещателя входит блок питания
«Электроника Д2-27».
Извещатель  имеет   встроенный   оптический   индикатор   режимов «Норма»,«Неисправность».
Техническиехарактеристики
Максимальнаядальность действия, м, не менее                         12
Контролируемаяплощадь, м кв., не менее                                           90
Отношение«длина-ширина» о диаграмме излучателе:
не менее                                                                                          1.6
не более                                                                                          2.4
в норме                                                                                          2.0
Напряжение питания постоянного тока, В 12 Амплитуда пульсации напряжении питания, мВ, не более 10 Мощность излучения, мВт, не более 50 Потребляемый ток (в «дежурном» режиме), мА 200 Потребляемая мощность (в «дежурном» режиме), Вт 2.4
Угол поворота корпуса извещателя, град., не более
в горизонтальной плоскости в вертикальной плоскости
180
 50 Длительность сигнала «Тревога» (размыкание контактов исполнительного реле), с 2
Коммутируемые контактами исполнительного реле: ток, мА, не более
напряжение, В, не более 30 65
Условия эксплуатации:
диапазон рабочих температур, град. С
относительная влажность воздуха при 25 град. С, %
от -20 до+50
93 Климатическое исполнение по ОСТ 251099-85 02 Степень защиты оболочки по ГОСТ 14254780 УР40 Литеры извещателей (рабочие частоты) 1;2 Габаритные размеры, мм, не более 200x115x63 Масса, кг, не более 0.75 Средний срок службы, лет 8
Завод-изготовитель
ПО«Волна» 277036, г. Кишинев
Код ОКПО- 0226593
Монтаж.
Примонтаже извещателя в охраняемом помещении возможны три варианта его установки:
1       — зона обнаружения (по дальности и ширине) касается стен. Вариант рекомендуетсядля защиты помещений сравнительно неболь­ших размеров и тех, в которыхотсутствуют крупногабаритные предметы, созда­ющие радиотень.
2       — зона обнаружения не касается стен.
Вариантрекомендуется для защиты одиночных или групп предметов, нахо­дящихся наограниченной площади, а также для защиты наиболее возможных направленийпроникновения нарушителя.
3       — одна сторона зоны обнаружения (по ширине) касается
стены, адругая сторона и максимум излучения направлены в защищаемое помещение.
Вариантрекомендуется для защиты элементов строительных конструкций (стен, полов,потолков и т.п.)
         Дляреализации указанных вариантов используется один из способов размещенияизвещателя: 1 — в углу помещения, с направлением максимума излучения подиагонали помещения (с учетом возможного угла поворота корпуса извещателя); 2 — на стене помещения, с направлением максимума из­лучения в направлении заданнымуглом установки извещателя.
Установкуизвещателя следует производить на жестких, устойчивых к вибрации опорах(капитальных стенах, колоннах и т.п.). При установке из­вещателя следуетпредусмотреть, чтобы крупногабаритные предметы не по­падали в зону действияизвещателя, т.к. они могут создавать радиотень.
Наличиев защищаемом помещении крупных металлических поверхностей отражающих энергиюСВЧ излучения может приводить к ложным сра­батываниям прибора.
Наиболееполная защита помещения достигается при установке извещателя на высоте 2-3 м от уровня пола, в зависимости от размеров помещения и соответствующего ориентирования извещателяв вертикальной и гори­зонтальной плоскостях.
Неследует устанавливать извещатели с радиоволновым принципом действия натокопроводящие поверхности (металлические балки, сырую кирпичную клад­ку ит.п.), т.к. между извещателем и источником питания возникает двойной контурзаземления, что может стать причиной ложных срабатываний.
/>
/>
Извещателъохранный радиоволновый
«Волна2»
Назначение
Извещателъ«Волна 2» предназначен для защиты объемов охраняемых отапливаемых инеотапливаемых помещений. При проникновении нарушителя в зону действияизвещателя он воспринима­ет изменение излучаемой СВЧ энергии, формирует сигнал«Тревога» пу­тем размыкания контактов исполнительного реле и (или) измененияпотенциала на коллекторе транзистора и выдаст его на пульт централи­зованногонаблюдения или приемно-контрольный прибор.
Извещателъформирует эллипсовидную форму зоны обнаружения.
Приборимеет визуальную индикацию «Тревоги» и «Превышения уровня помехи»,а также ручную регулировку изменения размера зоны обнаружения.
Дополнительнымидостоинствами являются:
■       повышеннаяустойчивость к воздействию помех от сети питания;
■        возможность работы при высоком уровне пульсации всети питания;
■        сохранение работоспособности при увеличеннойдлительности прерывания напряжения электропитания;
■        устойчивость к воздействиюэлектростатических разрядов;
■        устойчивость к воздействиювнешних электромагнитных помех.
Приборможет использоваться как с аналогичными, так и с другими, по принципу действия,извещателями.
Потактико-техническим данным извещатель удовлетворяет требова­ниям международногостандарта МЭК 839-2-5-90.
Техническиехарактеристики
Дальностьдействия (при отношении сигнал/шум равным 5), м       9
Чувствительностьк движению (при скорости от 0.3 до 3 м/с), м                 
Помехоустойчивостьк кратковременному движению, м                    0.25
Напряжениепитания постоянного тока, В или от                                      12
Блока питания     
«ЭлектроникаД2-27»                                      
Потребляемый ток, мА, неболее                                                                 25
Завод-изготовитель
ПО«Красное знамя» г. Рязань
Извещательрадиоволновый линейный ИО 207-1 «Радий I» ТУ-ТУ25-06.2533-84 Код ОКП-43 7214 1001
Назначение
Извещатель«Радий 1» предназначен для защиты территории вдоль
периметральногоограждения охраняемых объектов. При проникнове­нии нарушителя на защищаемыйучасток или его пересечении извеща­тель воспринимает амплитудно-временныеизменения излучаемых СВЧ колебаний, формирует сигнал «Тревога» путемразмыкания контактов исполнительного реле и выдает его на пультцентрализованного наблю­дения или приемно-контрольный прибор.
Извещательформирует также сигнал «Тревога» при:
■ одновременномпропадании напряжения сети переменного тока и резервного источника питанияпостоянного тока;
■ снижениинапряжения резервного источника питания ниже 18 В, в случае питания извещателятолько от этого источника;
■ вскрытии блоковпередатчика и приемника;
■       выходеиз строя блоков передатчика и приемника.
Извещатель состоит из двух идентичных по внешнему виду блоков:
блокапередатчика и блока приемника.
Размерзащищаемой зоны, м:
Длина:                                                         50-150
придлине 50м                                             3.5
придлине150 м                                           4.5
высота:
придлине 50 м                                            1.0
придлине150 м                                           2.0
Длина не рабочей («мертвой») зоны от точки установки приемника 5 и передатчика, м Напряжение питания, В переменного тока 220 Постоянного тока (резервный источник) 24 Мощность, потребляемая от сети переменного тока, ВА, не более 30 Мощность, потребляемая от резервного источника питания, Вт, не более 5 Ток, потребляемый от резервного источника питания, А, не более 0.7 Коммутируемые контактами исполнительного реле: постоянный и переменный ток, мА, не более 30 напряжение, В, не более 60 Угол поворота корпуса извещателя, град.: В горизонтальной плоскости ±30 В вертикальной плоскости ±10 количество частот модуляции 3 Степень защиты по ГОСТ 14255-69 №55 Условия эксплуатации: диапазон рабочих температур, град. С от-40 до+50
относительная влажность воздуха при 25 град. С, % 100 Габаритные размеры каждого блока, с устройством установки, мм, не более 570x380x185 Масса каждого блока, кг, не более 8 Масса устройства установки, кг, не более 2.5
Завод-изготовитель
ПО«Волна» 277036, г. Кишинев.  Код ОКПО-0226 593
Монтаж
Блокиприемника и передатчика имеют устройства крепления, предназ­наченные дляустановки извещателя на горизонтальной и вертикальной плоскости. Прииспользовании извещателя для защиты протяженного периметрального ограждениярекомендуется использовать извещатели с различными частотами модуляции.
Блокпередатчика и блок приемника должны быть установлены в зоне прямой видимости.
/>
/>
/>
Извещательохранный объемный радиоволновый ИО 407-4«Фон 1»ТУ-ДВ2.008.008 ТУ
КодОКП-43 7214 4010
Назначение.
Извещатель«Фон 1» предназначен для защиты материальных ценностей, находящихсяна открытых огражденных площадках или в не­отапливаемых помещениях объемом до 1000 м куб. При проникновении нарушителя в зону действия извещателя, он воспринимает изменение па­раметровСВЧ излучения, формирует сигнал «Тревога» путем размы­кания контактовисполнительного реле и выдает его на приемно-конт­рольное устройство или пультцентрализованного наблюдения.
Техническиехарактеристики:
Размер защищаемой зоны:
  дальность (регулируемая), м
  площадь, м кв., не         более
 объем, м. куб., не более
15-30
300
2500 Отношение длина/ширина в диаграме излучения 2 Потребляемая мощность, ВА, не более 40 Мощность излучения, мВт, не более 100
Напряжение питания, В:
переменного тока
постоянного тока (резервный источник)
                 
             220
 24 Ток, потребляемый от резервного источника, А, не более 1.1 Длительность сигнала «Тревога» (размыкание контактов индикатора), с, не менее 2 Частотные литеры 1;2 Количество видов извещений
3 (Тревога, Норма,
Неисправность)
Коммутируемые контактами исполнительного реле: напряжение, В, не более
ток, мА, не более
             55
30
±45 Угол поворота корпуса в горизонтальной и вертикальной плоскости, град. 01 Исполнение по ОСТ 251099-83 ВЗ по ОСТ 25 1099-83
Условия эксплуатации:
диапазон рабочих температур, град. С
относительная влажность при 30 град. С, %
от-45 до+50
      
            100 Габаритные размеры, мм, не более: извещателя 300x360x160 устройства установки 160x120x180 Масса, кг, не более 15 Средний срок службы, лет 8
Извещательне выдает сигнал «Тревога» (помехоустойчив) при:
■импульсной помехе с амплитудой до 600 В, длительностью 1 мкс,в сети питания переменного тока;
■провале напряжения питающей сети до 50% амплитудыдлительностью не более 100 мс;
■полномпропадании напряжения питания переменного тока на время не более 50 мс;
■воздействии на пего электромагнитного поля с напряженностьюдо 1 В/м в диапазоне частот 0.1-30 МГц;
■воздействии на него излучения УКВ радиостанции мощностью неболее 8 Вт на расстоянии не менее 7 м от извещателя;
■переходена резервный источник питания и обратно. Извещатель автоматически выдает сигнал«Неисправность» при:
■снижении напряжения питания ниже 160 В и отсутствии при этомнапряжения резервного питания;
■снижении напряжения резервного питания ниже 18 В и отсутствиипри этомнапряжения переменного тока;
■отказе СВЧ генератора, СВЧ вентиля, СВЧ смесителей, электронныхключей и синтезатора частот.
В«дежурном» режиме или при отсутствия напряжения питания контакты реле«Контроль работоспособности»разомкнуты.
 
Завод-изготовитель
Организацияарендаторов завода электроизмерительных приборов
113191, г. Москва
Монтаж
При необходимостизащиты объекта с большой протяженностью можно использовать два и болееизвещателей, разнесенных на расстоя­ние превышающие максимальную дальностьобнаружения и ориентации их параллельно друг другу. При невозможности такойустановки сле­дует использовать извещатели с разными частотными литерами.
Ограждениеоткрытой площадки, защищаемой извещателем «Фон 1», должно иметьвысоту не менее 1 м, при использовании сетки «рябица», размер ячеекне должен быть более 0.6 см.
Недопускается наличие кустов, деревьев, травы высотой более 0.15 м но периметру ограждения.
Допускаетсяналичие на охраняемой площадке вибрирующих предметов с амплитудой колебания неболее 1 мм, наличие деревьев и кустов на расстоянии не менее 5 м от ограждения охраняемой площади.
Охраняемаяплощадь должна располагаться на расстоянии не менее 300 м от железнодорожной станции и не менее 1 км от аэропорта и мощных ра­диостанций.
Рекомендуемаявысота установки извещателя — 3-7 м от уровня земли.
Проводкасетевого питания осуществляется кабелем КРПГ с диаметром сечения жил 1.5 мм в металлорукаве или трубах. Внешний диаметр кабеля не должен превышать 12 мм, металлорукава -16 мм.
/>
/>
Использованная литература:
1.    Типовые компоненты и датчикиконтрольно-диагностических средств/ М – во образования Респ. Беларусь,Учреждение образования «Полоц. гос. ун – т». – Новополоцк: ПГУ, 2004. – 382.
2.    Фрайден Д. Современные датчики/ Дж.Фрайден. – Москва: Техносфера, 2005. – 588 с. – (Мир электроники)
3.    Бейлина, Р.А. Микроэлектронныедатчики/ Р.А. Бейлина, Ю.Г. Грозберг, Д.А. Довгяло. – Новополоцк: ПГУ, 2001. –307 с.
4.   Синилов В.Г. Системы охранной,пожарной и охранно – пожарной сигнализации: Учебник для нач. проф.образования./ Вячеслав Григорьевич Синилов. – М.: ИРПО: Образовательно –издательский центр «Академия», 2003. – 352 с.