3.5.5. Роторные и турбинные сенсоры
Еще одним примером сенсоров, в которых вращение является первичным механическим сигналом, служат роторные и турбинные измерители объемного потока жидкости. Чувствительными элементами в них являются лопасти колеса или мини-турбины. В потоке жидкости они начинают вращаться, и угол их поворота, число оборотов прямо зависят от объема жидкости, которая протекает через поперечное сечение трубы, в которой они установлены. Угол поворота, число оборотов превращаются затем, как правило, в электрические сигналы с помощью интегрированных в конструкцию сенсора оптоэлектронных, индуктивных, емкостных или магниточувствительных элементов.
Некоторые промышленные сенсоры объемного потока жидкости показаны на рис. 3.16 (http://www.honsberg.com/index-n.htm). В частности, на рис. 3.16 слева вверху показан простейший и наиболее дешевый турбинный сенсор, предназначенный для визуальной индикации потока. Для этого участок трубы, по которой течет жидкость, сделан прозрачным, а мини-турбина – ярко-красного цвета. При протекании жидкости хорошо видно, как турбина вращается. А по скорости вращения можно "на глаз" оценить поток жидкости. Турбинные сенсоры потока с электрическим выходом показаны внизу.
Рис. 3.16. Некоторые промышленные сенсоры для измерения объёмного потока жидкости, в том числе: а – турбинный сенсор; б – роторный сенсор; в – сенсор вместе с интеллектуальным счетчиком "Оmni-RR"
На рис. 3.16 вверху справа показан роторный сенсор с прозрачной крышкой, – чтобы был виден принцип его действия. Жидкость, текущая сквозь сенсор, передает часть своего механического импульса лопастям, вследствие чего колесо вращается. А встроенная оптоэлектронная схема превращает вращение в последовательность электрических сигналов.
"Интеллектуальную" часть подобных сенсоров выпускают в виде автономных электронных модулей, которые могут быть размещены непосредственно возле сенсора ( рис. 3.16, в ). В зависимости от конструктивного исполнения и применяемых материалов такие сенсоры пригодны для измерения потоков воды, нефтепродуктов, масел и проч. с температурой до 100 С в диапазоне от 0,025 л/мин до 100 л/мин с точностью от 1% до 5%.
Краткие итоги
Одним из выдающихся достижений последних десятилетий стали глобальные системы ориентирования (Global Positioning System – GPS). Основой этих систем, её "космической составляющей", является совокупность искусственных спутников Земли, которые вращаются в разных плоскостях с таким расчетом, чтобы в любой момент времени из любой точки на поверхности Земли были видны от 5 до 12 спутников. Эти навигационные спутники периодически передают радиосигналы с информацией о своих точных координатах и текущем моменте времени. В качестве системы отсчета GPS взяты общепринятые географические долгота и широта, высота над уровнем моря и так называемое "время GPS" – время по эталонным часам. Для определения своих географических координат достаточно иметь при себе GPS приемник, в состав которого входят многоканальный приемник радиосигналов от спутников, микропроцессор и точные собственные часы. Получая сигналы от спутников GPS, микропроцессор определяет времена запаздывания и, решая систему алгебраических уравнений, находит свои пространственные координаты. GPS-приемники массового пользования обеспечивают погрешность определения географических координат в пределах 10-20 м, а высокоточные GPS-приемники для геодезических измерений – не больше нескольких сантиметров.
Разработаны и уже широко применяются GPS навигаторы – специализированные интеллектуальные сенсоры, которые обеспечивают ориентацию в незнакомой местности, помогают планировать наилучшие маршруты движения, выбирать ориентиры, запоминают информацию о маршруте и так далее. Можно выделить 3 группы GPS навигаторов: портативные, автомобильные и профессиональные. Для хранения картографической информации применяют флэш-память. GPS-приемники используют также для вынужденной слепой посадки самолетов на аэродромы, в электронных поводырях для слепых людей, в трекерах, в приборах для геодезии.
В механических сенсорах перемещения первичные сигналы о состоянии исследуемого объекта или процесса возникают в виде изменений координат центра масс тела ( ) и/или углов поворота тела ( ) относительно некоторой системы координат. Наиболее применяемыми чувствительными элементами в сенсорах линейного перемещения являются поршни, поплавки, ареометры, капиллярные трубки, сообщающиеся сосуды с жидкостью, подвижные иглы.
В сенсорах углов наклона (крена) применяют одно- и двухкоординатные инклинометры (чисто механические, электролитические, оптоэлектронные), в том числе интеллектуальные. В сенсорах угла поворота сейчас чаще всего используют оптоэлектронные энкодеры – одно- и многооборотные, инкрементные и абсолютные. Энкодеры и другие вращательные чувствительные элементы (роторы, турбины, ...) широко применяют также для построения тахометров, измерителей объемного потока жидкости и т.д.