Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 1

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή Μέτρηση ιοντίζουσας ακτινοβολίας Μέτρηση της ισχύος RF και μικροκυματικών σημάτων Ανιχνευτές φωτιάς Ανακλασίμετρα στο πεδίου του χρόνου Αισθητήρες μέτρησης της σχετικής υγρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα Αισθητήρες μέτρησης της υγρότητας των φύλλων των φυτών Αισθητήρες μέτρησης μάζας Αισθητήρες αιθάλης Ανιχνευτές καπνού Αισθητήρες μέτρησης της αλατότητας του εδάφους Μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μη-σιδημαγνητικών μεταλλικών υλικών Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 2

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι αρχές λειτουργίας των αισθητήρων οι οποίοι δεν κατατάσσονται σε κάποια από τις κατηγορίες συστημάτων μέτρησης που έχουν παρουσιαστεί στα προηγούμενα κεφάλαια (π.χ. θερμοκρασίας, θέσης, δύναμης κλπ.) αλλά χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε πολλές βιομηχανικές και επιστημονικές εφαρμογές. Μέτρηση ιοντίζουσας ακτινοβολίας Η ιοντίζουσα ακτινοβολία υφίσταται είτε ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες Χ και γ), είτε ως εκπεμπόμενα σωματίδια (ακτινοβολία α & β). Οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της έντασης της ιοντίζουσας ακτινοβολίας είναι οι απαριθμητές σπινθηρισμών, οι ανιχνευτές με αέριο και οι ημιαγωγικοί ανιχνευτές Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 3

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.1 Απαριθμητές σπινθηρισμών (i) Οι απαριθμητές σπινθηρισμών είναι διατάξεις που περιέχουν υλικά όπως αλογονούχες ενώσεις (π.χ. BaF2), ειδικά υγρά, πλαστικά κλπ. Τα υλικά αυτά ονομάζονται σπινθηριστές (scintillators) Η πρόσπτωση ιοντίζουσας ακτινοβολίας σε αυτά τα υλικά προκαλεί το φθορισμό τους, οπότε εκπέμπεται ένας σύντομος παλμός φωτός με μήκος κύματος που αντιστοιχεί στο ορατό φως. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 4

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.1 Απαριθμητές σπινθηρισμών (ii) Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται από τον απαριθμητή σπινθη- ρισμών ανιχνεύεται με αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας (π.χ. φωτοδίοδο, φωτο-πολλαπλασιαστή) & το ηλεκτρικό σήμα που παράγεται ενισχύεται με κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Κατά τη πρόσπτωση κάθε σωματιδίου ή φωτονίου της ιοντίζουσας ακτινοβολίας (ανάλογα με τη φύση της ακτινοβολίας αυτής) στον απαριθμητή σπινθηρισμών, παράγεται ένας ηλεκτρικός παλμός στην έξοδό του, με πλάτος ανάλογο της ενέργειας του σωματιδίου που προσπίπτει (εξαρτάται από τον τύπο της ακτινοβολίας, οπότε μπορεί να διαπιστωθεί ο τύπος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Επίσης από τον αριθμό των παλμών που παράγονται στην έξοδο ανά μονάδα χρόνου, υπολογίζεται η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 5

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.2 Ανιχνευτές με αέριο (i) Εκτός από τους απαριθμητές σπινθηρισμών, μέτρηση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται και οι ανιχνευτές με αέριο. Αποτελούνται από ένα εξωτερικό περίβλημα που κατασκευάζεται από υλικό που επιτρέπει τη διέλευση της μετρούμενης ακτινοβολίας, το οποίο περιέχει έναν μεταλλικό κύλινδρο, στο κέντρο του οποίου τοποθετείται ένα λεπτό μεταλλικό σύρμα. Ο κύλινδρος περιέχει αέριο (π.χ. He, N2, Ar, Kr, Xe, κλπ) και μεταξύ του κυλίνδρου και του μεταλλικού σύρματος εφαρμόζεται DC τάση. Η ιοντίζουσα ακτινοβολία που προσπίπτει στο αέριο χάνει μέρος της ενέργειάς της, ανάλογα με τον τύπο του αερίου και την προσπίπτουσα ακτινοβολία, προκαλώντας τη δημιουργία ζευγών ιόντων-ηλεκτρονίων. Υπό την επίδραση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια που παράγονται κινούνται προς τα δύο ηλεκτρόδια με αποτέλεσμα τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα στο οποίο συνδέεται ο ανιχνευτής. Υπάρχουν τρεις τύποι ανιχνευτών με αέριο: οι μετρητές Geiger-Muller, οι θάλαμοι ιοντισμού (ionization chambers) και οι αναλογικοί απαριθμητές (proportional counters) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 6

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.2 Ανιχνευτές με αέριο (ii) Μετρητές Geiger-Muller Κατά την πρόσπτωση κάθε σωματιδίου ή φωτονίου της ιοντίζουσας ακτινοβολίας στο αέριο ενός μετρητή Geiger-Muller (ή μετρητή Geiger), ο αριθμός των ζευγών ιόντων-ηλεκτρονίων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του μετρητή Geiger-Muller και επομένως το συνολικό φορτίο, Q, που ρέει στο εξωτερικό κύκλωμα, είναι σταθερός και ανεξάρτητος της ενέργειας του προσπίπτοντος σωματιδίου σωματιδίου ή φωτονίου (οπότε δεν μπορεί να διαπιστωθεί ο τύπος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας) Έτσι, κατά τη πρόσπτωση σωματιδίου ή φωτονίου προκαλείται η παραγωγή παλμών ρεύματος στην έξοδο του μετρητή Geiger-Muller, το πλάτος των οποίων είναι σταθερό. Μετρώντας τον αριθμό των παλμών ρεύματος που παράγονται στην έξοδο των μετρητών Geiger-Muller στη μονάδα του χρόνου, υπολογίζεται ο αντίστοιχος ρυθμός πρόσπτωσης σωματιδίων ή φωτονίων στο αέριο του μετρητή. Ο αριθμός των σωματιδίων ή των φωτονίων της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που θα φτάσουν στο αέριο του μετρητή και θα προκαλέσουν την παραγωγή παλμών στην έξοδό του, εξαρτάται τόσο από το υλικό κατασκευής και το πάχος του εξωτερικού περιβλήματος του μετρητή, όσο και από την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 7

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.2 Ανιχνευτές με αέριο (iii) Μετρητές Geiger-Muller (συνέχεια) Επομένως, το αποτέλεσμα της μέτρησης ενός μετρητή Geiger-Muller (δηλ. ο ρυθμός πρόσπτωσης σωματιδίων ή φωτονίων) εξαρτάται από την ενέργεια της προσπίπτουσας ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Όμως τοποθετώντας περίβλημα κατάλληλου πάχους και υλικού κατασκευής γύρω από τον ανιχνευτή, επιτυγχάνεται σχετικά σταθερή απόκριση σε όλο το εύρος ενεργειών των προσπιπτουσών ακτινοβολιών που πρόκειται να μετρηθούν. Έτσι, από τη μέτρηση του ρυθμού πρόσπτωσης σωματιδίων ή φωτονίων μπορεί να υπολογιστεί η ένταση (intensity) της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με βάση το συντελεστή βαθμονόμησης του μετρητή Geiger-Muller. Ο συντελεστής αυτός υπολογίζεται με μέτρηση του ρυθμού παραγωγής παλμών στην έξοδο του μετρητή, όταν προσπίπτει σε αυτόν ακτινοβολία γνωστής έντασης. Από την τιμή της έντασης που προκύπτει, μπορεί να υπολογιστεί η αντίστοιχη ενέργεια που εκπέμπεται από την πηγή της ιοντίζουσας ακτινοβολίας ή η ενέργεια που προσπίπτει σε μία επιφάνεια (π.χ. ανθρώπινο σώμα) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 8

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.2 Ανιχνευτές με αέριο (iv) Θάλαμοι ιοντισμού Στους θαλάμους ιοντισμού η εφαρμοζόμενη τάση είναι μικρότερη σε σχέση με αυτήν των μετρητών Geiger-Muller. Ο αριθμός των ζευγών ιόντων-ηλεκτρονίων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του θαλάμου ιοντισμού και επομένως το συνολικό φορτίο, Q, που ρέει στο εξωτερικό κύκλωμα κατά την πρόσπτωση κάθε σωματιδίου ή φωτονίου της ιοντίζουσας ακτινοβολίας στο αέριο του θαλάμου ιοντισμού, είναι ανάλογα της ενέργειας που αποδίδεται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία στο αέριο του θαλάμου ιοντισμού. Η ενέργεια αυτή εξαρτάται από τον τύπο της προσπίπτουσας ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Oι θάλαμοι ιοντισμού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση του τύπου της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, ενώ σε συνδυασμό με τη μέτρηση του αριθμού των παλμών που παράγονται, μπορεί να υπολογιστεί η συνολική ενέργεια που αποδίδεται από την προσπίπτουσα ιοντίζουσα ακτινοβολία. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 9

ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.2 Ανιχνευτές με αέριο (v) Αναλογικοί απαριθμητές Οι αναλογικοί απαριθμητές έχουν την ίδια αρχή λειτουργίας με τους θαλάμους ιοντισμού & τους μετρητές Geiger-Muller. Η λειτουργία τους διαφέρει στο ότι στους αναλογικούς απαριθμητές η εφαρμο- ζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τους θαλάμους ιοντισμού αλλά μικρότερη από αυτήν που εφαρμόζεται στους μετρητές Geiger-Muller. Επίσης, κατά την πρόσπτωση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας στο αέριο που περιέ- χεται στους αναλογικούς απαριθμητές, τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται έχουν αρκετή κινητική ενέργεια ώστε να προκαλέσουν τη δημιουργία νέων ζευγών ιόντων-ηλεκτρονίων. Όπως και στους θαλάμους ιοντισμού, ο αριθμός των ζευγών ιόντων-ηλεκτρονίων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του αναλογικού απαριθμητή και επομένως το συνολικό φορτίο, Q, που ρέει στο εξωτερικό κύκλωμα κατά την πρόσπτωση κάθε σωματιδίου ή φωτονίου της ιοντίζουσας ακτινοβολίας στο αέριο του αναλογικού απαριθμητή, είναι ανάλογα της ενέργειας που αποδίδεται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία στο αέριο του αναλογικού απαριθμητή. Επομένως, οι αναλογικοί απαριθμητές παρέχουν τη δυνατότητα ανίχνευσης τόσο του τύπου της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, όσο και μέτρησης της συνολικής ενέργειας που αποδίδεται από την προσπίπτουσα ιοντίζουσα ακτινοβολία. 10

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.3 Ημιαγωγικοί ανιχνευτές (i) Οι δημαγωγικοί ανιχνευτές ιοντίζουσας ακτινοβολίας αποτελούνται από μια επαφή P-N (δίοδος), η οποία πολώνεται ανάστροφα, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας περιοχής εκκένωσης στο εσωτερικό της. Η επαφή κατασκευάζεται συνήθως από πυρίτιο ή γερμάνιο. Η πρόσπτωση ιοντίζουσας ακτινοβολίας (είτε φορτισμένων σωματιδίων, είτε φωτονίων) στην περιοχή εκκένωσης προκαλεί τη δημιουργία ζευγών οπών-ηλεκτρονίων, τα οποία υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόζεται στην ανάστροφα πολωμένη δίοδο, κινούνται προς τα ηλεκτρόδια της διόδου. Αυτό ισοδυναμεί με ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα στο οποίο συνδέεται η δίοδος. Ο αριθμός των παραγόμενων ζευγών οπών-ηλεκτρονίων και επομένως το συνολικό φορτίο, Q, που ρέει στο εξωτερικό κύκλωμα, είναι ανάλογα της ενέργειας που αποδίδεται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία στην επαφή P-N Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 11

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Μέτρηση της ισχύος RF και μικροσκοπικών σημάτων (i) Για τη μέτρηση της ισχύος RF και μικροκυμάτων σημάτων (π.χ. εύρος συχνοτήτων των μετρούμενων σημάτων 10 MHz…26.5 GHz), όπου ο υπολογισμός της ισχύος από μετρήσεις του ρεύματος και της τάσης δεν είναι ακριβής λόγω της υψηλής συχνότητας λειτουργίας και των χαμηλών τιμών των μετρούμενων σημάτων, χρησιμοποιούνται οι εξής μέθοδοι Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 12

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 3 Μέτρηση της ισχύος RF και μικροσκοπικών σημάτων (ii) Χρήση θερμίστορ Το RF ή το μικροσκοπικό σήμα εφαρμόζεται σε ένα θερμίστορ, το οποίο ταυτόχρονα αποτελεί την αντίσταση τερματισμού της γραμμής μετα- φοράς (π.χ. 50Ω) με την οποία μεταφέρεται η RF ή μικροκυματική ισχύς στον αισθητήρα μέτρησης ισχύος. Το αποτέλεσμα είναι η κατανάλωση ισχύος στο θερμίστορ, άρα η μεταβολή της θερμοκρασίας του και επομένως της ωμικής του αντίστασης. Για της διατήρηση της αντίστασης του θερμίστορ στην τιμή που απαιτείται για το σωστό τερματισμό της γραμμής μεταφοράς χρησιμοποιείται σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου. Η προσπίπτουσα RF ή μικροκυματική ισχύς υπολογίζεται με βάση την ισχύ που πρέπει να παρέχει το σύστημα ελέγχου στο θερμίστορ κατά την πρόσπτωση της RF ή της μικροκυματικής ισχύος σε αυτό, έτσι ώστε η τιμή της αντίστασης του θερμίστορ να διατηρηθεί στην απαιτούμενη τιμή. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 13

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 3 Μέτρηση της ισχύος RF και μικροσκοπικών σημάτων (iii) Χρήση θερμοζεύγους Το RF ή το μικροκυματικό σήμα εφαρμόζεται σε μια αντίσταση τερματισμού της γραμμής μεταφοράς με την οποία μεταφέρεται η RF ή η μικροκυματική ισχύς στον αισθητήρα μέτρησης ισχύος. Η ισχύς που καταναλώνεται στην αντίσταση τερματισμού προκαλεί ανάλογη αύξηση της θερμοκρασίας τους. Η μεταβολή της θερμοκρασίας της αντίστασης τερματισμού μετριέται με ένα θερμοζεύγος που τοποθετείται σε επαφή με το περίβλημα της αντίστασης τερματισμού. Διάταξη ανόρθωσης Το RF ή το μικροκυματικό σήμα εφαρμόζεται σε μία αντίσταση τερματισμού της γραμμής μεταφοράς. Η τάση που αναπτύσσεται στην αντίσταση τερματισμού της γραμμής μεταφοράς, με την οποία μεταφέρεται η RF ή η μικροκυματική ισχύς στον αισθητήρα μέτρησης ισχύος, ανορθώνεται με διόδους και εξομαλύνεται με πυκνωτή. Από την τιμή της DC τάσης που παράγεται και την τιμή της αντίστασης τερματισμού υπολογίζεται η προσπίπτουσα RF ή μικρο- κυματική ισχύς Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 14

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 4 Ανιχνευτές φωτιάς Η οπτική ακτινοβολία που εκπέμπεται από τις φλόγες κατανέμεται σε μεγάλο τμήμα του φάσματος της ηλεκτρομαγνη- τικής ακτινοβολίας, από την περιοχή του υπεριώδους (UV) έως την υπέρυθρη ακτινοβολία (IR) Η λειτουργία των ανιχνευτών φωτός στηρίζεται εναλλακτικά Στη μέτρηση της συνολικής υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται, η οποία είναι σημαντικά υψηλότερη σε σχέση με αυτή που περιέχεται στο ηλιακό φως Στη μέτρηση της συνολικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται στην περιοχή από το υπεριώδες έως το υπέρυθρο Στη μέτρηση της οπτικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται σε μήκος κύματος 4.3 μm Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 15

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Ανακλασίμετρα στο πεδίο του χρόνου (i) Το ανακλασίμετρο στο πεδίο του χρόνου (Time-Domain Reflectometer, TDR) αποτελείται από μια πηγή τάσης που παράγει έναν βηματικό παλμό τάσης με πολύ μικρό χρόνο ανύψωσης (της τάξης των ns), o οποίος μεταδίδεται σε μια γραμμή μεταφοράς (π.χ. ζεύγος δύο αγωγών, ομοαξονικό καλώδιο) Η ταχύτητα διάδοσης του σήματος (ηλεκτρομαγνητικό κύμα) κατά μήκος της γραμμής μεταφοράς δίνεται από τη σχέση υρ = 1/(√μ.ε) = 1/(√μr μο εr εο) = c / (√ μr.εr) όπου c=3x108 m/s είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, μ η σχετική μαγνητική διαπερατότητα του μέσου που περιβάλλει τους αγωγούς της γραμμής μεταφοράς (για μη-σιδηρομαγνητικά υλικά ισχύει μr≈1) και ε, είναι η σχετική διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού που περιβάλλει τους αγωγούς της γραμμής μεταφοράς. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 16

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Ανακλασίμετρα στο πεδίο του χρόνου (ii) Αν η γραμμή μεταφοράς δεν είναι τερματισμένη με το κατάλληλο φορτίο ή η γραμμή μεταφοράς περιλαμβάνει ασυνέχειες, όπως είναι το βραχυ- κύκλωμα, τότε μέρος του σήματος ανακλάται προς την πηγή (ενέργεια που δεν έχει απορροφηθεί από το φορτίο) όπως εκφράζεται από το συντελεστή ανάκλασης ρ = Εr/Ei = (ZL – Z0)/(ZL + Z0) όπου ΖL η σύνθετη αντίσταση του φορτίου και Z0 η χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής μεταφοράς H κυματομορφή της τάσης στην είσοδο του ανακλασίμετρου εξαρτάται από την τιμή της σύνθετης αντίστασης του φορτίου. Μετρώντας αυτή την τάση και αναλύοντας την κυματομορφή της (π.χ. τα διαφορετικά πλάτη της κυματο-μορφής, τη χρονική διαφορά που η κυματομορφή λαμβάνει αυτά τα πλάτη) υπολογί- ζονται τα χαρακτηριστικά του φορτίου που προκάλεσαν ανάκλαση του ηλεκτρικού σήματος. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 17

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Ανακλασίμετρα στο πεδίο του χρόνου (ii) Τα ανακλασίμετρα στο πεδίο του χρόνου χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση και το χαρακτηρισμό του είδους των σφαλμάτων σε καλώδια (ανοικτο-κυκλώματα, βραχυκυκλώματα), τη μέτρηση του μήκους των καλωδίων, τη μέτρηση χαρακτηριστικών του διηλεκτρικού που περιβάλλει τους αγωγούς μιας γραμμής μεταφοράς, τη μέτρηση της στάθμης υγρών ή στερεών, τη μέτρηση της υγρασίας του εδάφους (η διηλεκτρική σταθερά του εδάφους που περιβάλλει τους αγωγούς της γραμμής μεταφοράς εξαρτάται από την ποσότητα του νερού στο έδαφος) κλπ. Παρόμοια αρχή λειτουργίας χρησιμοποιείται για ανίχνευση κατασκευαστικών σφαλμάτων σε οπτικές ίνες, όπου ένα μέρος των παλμών φωτός που εκπέμπονται στο εσωτερικό της οπτικής ίνας ανακλώνται προς τα πίσω, στα σημεία όπου μεταβάλλεται ο δείκτης διάθλασης (index of refraction) εξαιτίας του σφάλματος Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 18

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Αισθητήρες μέτρησης σχετικής υγρασίας ατμοσφαιρικού αέρα (i) Η λειτουργία των αισθητήρων σχετικής υγρασίας στηρίζεται είτε στη μεταβολή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός υλικού, είτε στην απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τα μόρια του νερού 6.1 Αισθητήρες με μεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών Δύο κυρίως φαινόμενα αξιοποιούνται για τη μέτρηση της σχετικής υγρασίας Μεταβολή της αντίστασης Σε μερικά υγροσκοπικά υλικά (π.χ. χλωριούχο λίθιο, LiCl) μεταβάλλεται η ωμική τους αντίσταση καθώς μεταβάλλεται η σχετική υγρασία του χώρου όπου αυτά βρίσκονται. Η μεταβολή της αντίστασης με τη σχετική υγρασία δεν είναι γραμμική, οπότε αν απαιτείται γραμμικοποίηση εφαρμόζεται μια από τις αντίστοιχες μεθόδους. Για τη διέγερση των αισθητήρων σχετικής υγρασίας μεταβολής αντίστασης χρησιμοποιείται AC τάση με συχνότητα της τάξης των 30 Hz … 10 kHz για την αποφυγή ηλεκτρολυτικής διάβρωσης του αισθητήρα Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 19

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Αισθητήρες μέτρησης σχετικής υγρασίας ατμοσφαιρικού αέρα (ii) Μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς Μερικά υδρόφιλα διηλεκτρικά (π.χ. από πολυμερή υλικά) απορροφούν υγρασία ανάλογη της σχετικής υγρασίας του χώρου στον οποίο βρίσκονται και συνακόλουθα μεταβάλλεται η διηλεκτρική τους σταθερά. Με τα διηλεκτρικά αυτά κατασκευάζονται πυκνωτές των οποίων η χωρητικότητα εξαρτάται από τη σχετική υγρασία του χώρου. Η χωρητικότητα μετριέται με κατάλληλο κύκλωμα (π.χ. γέφυρα), αλλά η μεταβολή της χωρητικότητας με τη σχετική υγρασία είναι έντονα μη- γραμμική. Αν απαιτείται γραμμικοποίηση της παραγόμενης τάσης εξόδου ως προς τη μετρούμενη σχετική υγρασία, τότε εφαρμόζεται μια από τις αντίστοιχες μεθόδους. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 20

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Αισθητήρες μέτρησης σχετικής υγρασίας ατμοσφαιρικού αέρα (iii) Μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς Επειδή και στους δύο παραπάνω τύπους αισθητήρων υγρασίας η συνάρτηση της εξόδου ως προς τη σχετική υγρασία είναι μη-γραμμική και επιπλέον απαιτούνται ηλεκτρονικές βαθμίδες για τη μετατροπή της αντίστασης ή της χωρητικότητας του αισθητήρα σε τάση πολλοί κατασκευαστές ενσωματώνουν στον αισθητήρα τις απαραίτητες ηλεκτρονικές διατάξεις βαθμονομημένες, ώστε τελικά ο αισθητήρας να παρέχει στην έξοδό του τάση γραμμικά ανάλογη της μετρούμενης υγρασίας Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 21

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Αισθητήρες μέτρησης σχετικής υγρασίας ατμοσφαιρικού αέρα (iv) 6.2 Αισθητήρες με μέτρηση απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Σε αυτή τη μέθοδο, η μέτρηση της σχετικής υγρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα στηρίζεται στη μεταβολή, σε συγκεκριμένα μήκη κύματος της απορροφητικότητας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τα μόρια του νερού που περιέχει ο ατμοσφαιρικός αέρας, ανάλογα με το επίπεδο της σχετικής υγρασίας του αέρα. Το σύστημα μέτρησης περιλαμβάνει πομπό ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μήκος κύματος στο οποίο εμφανίζεται έντονη απορροφητικότητα της ακτινοβολίας από την υγρασία του ατμοσφαιρικού αέρα, αλλά όχι από τα μόρια των υπολοίπων αερίων που αυτός περιέχει. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 22

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Αισθητήρες μέτρησης σχετικής υγρασίας ατμοσφαιρικού αέρα (v) 6.2 Αισθητήρες με μέτρηση απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Μετρώντας την ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που λαμβάνει ο αντίστοιχος δέκτης, υπολογίζεται η εξασθένιση της εκπεμπόμενης ηλεκτρο-μαγνητικής ακτινοβολίας κατά τη διέλευσή της μέσα από το μετρούμενο στρώμα αέρα. Από την τιμή που προκύπτει υπολογίζεται η αντίστοιχη σχετική υγρασία του αέρα. Συχνά για την αντιστάθμιση της επίδρασης παραγόντων όπως η ανάκλαση και η σκέδαση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στην ακρίβεια της μέτρησης, χρησιμοποιείται ένα δεύτερο σύστημα εκπομπής/λήψης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία έχει μήκος κύματος στο οποίο δεν απορροφάται από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 23

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 7. Αισθητήρες μέτρησης της υγρότητας των φύλλων των φυτών Οι αισθητήρες μέτρησης της υγρότητας των φύλλων των φυτών (leaf wetness) αποτελούνται από μια επίπεδη επιφάνεια στην οποία τοποθετούνται ηλεκτρόδια. Η λειτουργία τους στηρίζεται είτε στη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης, είτε στη μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς μεταξύ των ηλεκτροδίων εξαιτίας της παρουσίας νερού με τη μορφή υγρασίας. Οι αισθητήρες τοποθετούνται ανάμεσα στα φύλλα του φυτού των οποίων μετριέται η υγρότητα. Από τις μετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης ή της χωρητικότητας του αισθητήρα, ανάλογα με τον τύπο του, πραγματοποιείται η εκτίμηση του βαθμού υγρό- τητας των φύλλων του φυτού (π.χ. ξηρά, ελαφρώς υγρά, υγρά, κλπ) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 24

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 8. Αισθητήρες μέτρησης μάζας (i) Η μάζα, m, ενός σώματος είναι ανάλογη του βάρους του, Β, σύμφωνα με τη σχέση Β = m.g όπου g η επιτάχυνση της βαρύτητας (η τιμή της εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και το υψόμετρο της περιοχής όπου βρίσκεται το σώμα) Επομένως η μάζα ενός σώματος μπορεί να υπολογιστεί από τις μετρήσεις του βάρους του. Επειδή το βάρος είναι δύναμη, για τη μέτρησή του μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλοι οι αισθητήρες μέτρησης δύναμης. Ειδικά για τη μέτρηση με ακρίβεια του βάρους υγρών & στερεών σε συστήματα ελέγχου της πλήρωσης δεξαμενών, χρησιμοποιούνται ευρύτατα οι κυψελίδες φορτίου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 25

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 8. Αισθητήρες μέτρησης μάζας (ii) Οι κυψελίδες φορτίου χρησιμοποιούνται επίσης για τη μέτρηση του βάρους των φορτηγών (κυρίως) οχημάτων, όπως π.χ. για τον υπολογισμό της χρέωσης για τη μεταφορά του φορτίου, για τον υπολογισμό των ναύλων κατά τη μεταφορά του φορτηγού με πλοίο (τα ναύλα είναι ανάλογα του βάρους), σε σταθμούς ελέγχου στις εθνικές οδούς για να εξασφαλισθεί ότι δεν έχει γίνει υπέρβαση του μέγιστου βάρους ανά άξονα (λόγοι ασφάλειας του οχήματος και αντοχής του οδοστρώματος), κλπ Για το λόγο αυτό, υπάρχουν κατάλληλοι ζυγοί (πλάστιγγες) πάνω στις οποίες οδηγείται το όχημα και μετράται το βάρος του. Οι ζυγοί αυτοί μπορεί να είναι (α) ενιαίοι (με ένα μόνο επίπεδο μέτρησης) οπότε γίνεται μέτρηση του βάρους όλου του οχήματος ή (β) με δύο ή περισσότερα τμήματα, οπότε μετριέται το βάρος ανά άξονα του φορτηγού, αν το απαιτεί η εφαρμογή (το συνολικό βάρος είναι το άθροισμα των επί μέρους βαρών) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 26

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 8. Αισθητήρες μέτρησης μάζας (iii) Εναλλακτικά, για τη μέτρηση του βάρους ενός σώματος χρησιμοποιείται ο μετατροπέας ηλεκτρομαγνητικής αντιστάθμισης δύναμης (Σχήμα 9) Όταν η μάζα που μετριέται τοποθετηθεί σε κατάλληλη θέση επάνω στο μετατροπέα, προκαλείται εκτροπή του ζυγού από τη θέση ισορροπίας λόγω της βαρύτητας. Στο άλλο άκρο του ζυγού χρησιμοποιείται μια διάταξη αποτελούμενη από ένα πηνίο μέσα από το οποίο διέρχεται το μαγνητικό πεδίο που παράγει ένας μόνιμος μαγνήτης. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 27

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 8. Αισθητήρες μέτρησης μάζας (iv) Η μαγνητική σύζευξη μεταξύ του πηνίου και του μόνιμου μαγνήτη υλοποιείται μέσω σιδηρομαγνητικού οπλισμού. Το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο ελέγχεται ως προς το μέτρο και τη φορά του έτσι ώστε η ηλεκτρο- μαγνητική δύναμη που αναπτύσσεται λόγω αλληλεπίδρασης των δύο μαγνητικών πεδίων (του πηνίου & του μαγνήτη) να προκαλεί την κίνηση του άκρου του ζυγού προς τέτοια κατεύθυνση ώστε να αντισταθμίζεται η εκτροπή που προκλήθηκε από τη μετρούμενη μάζα. Με οπτικό αισθητήρα ανιχνεύεται η επαναφορά του ζυγού στη θέση ισορροπίας. Στην κατάσταση αυτή, το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο έχει τιμή ανάλογη της τιμής της μετρούμενης μάζας. Το ρεύμα αυτό μετριέται & στη συνέχεια υπολογίζεται η τιμή της μετρούμενης μάζας. Για τη μέτρηση μικρών μαζών (της τάξης των 10-10 έως 10-16 kg) χρησιμο- ποιούνται οι αισθητήρες μάζας τύπου μικροζυγού κρυστάλλου χαλαζία, οι οποίοι χρησιμοποιούνται και για την ανάπτυξη των χημικών αισθητήρων μέτρησης μάζας. Αποτελούνται από έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο κατασκευασμένο από χαλαζία στον οποίο εφαρμόζεται AC τάση κατάλληλης συχνότητας έτσι ώστε αυτός να ταλαντώνεται (περιοδική μηχανική παραμόρφωση) στη συχνότητα συντονισμού του. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 28

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 8. Αισθητήρες μέτρησης μάζας (vi) Τα μηχανικά κύματα που παράγονται διαδίδονται μέσω του κυρίως σώματος του κρυστάλλου. Η κατασκευή του αισθητήρα φαίνεται στο Σχήμα 10. Αποτελείται από ένα δίσκο χαλαζία με επίπεδα ηλεκτρόδια (συνήθως από χρυσό) τοποθετημένα στις δύο παράλληλες πλευρές του. Επάνω στον κρύσταλλο τοποθετείται η μάζα που πρόκειται να μετρηθεί. Αυτό προκαλεί μεταβολή στη συχνότητα συντονισμού των ταλαντώσεων του κρυστάλλου, Δfm [Hz], η οποία είναι ανάλογη της μεταβολής της μάζας του κρυστάλλου ανά μονάδα επιφανείας του, ΔΜ [g/cm2], λόγω της εναπόθεσης της μετρούμενης μάζας, σύμφωνα με τη σχέση Δfm = - Cf . ΔΜ όπου Cf είναι ο συντελεστής ευαισθησίας του αισθητήρα (π.χ. για συχνότητα συντονισμού ίση με 5 MHz, η τιμή του Cf είναι 56.6 Hz/μg.cm-2) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 29

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 9. Αισθητήρες αιθάλης (i) Οι αισθητήρες αιθάλης χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της συγκέντρωσης αιθάλης (π.χ. στα καυσαέρια που παράγονται από τις μηχανές εσωτερικής καύσης). Η λειτουργία των φωτοακουστικών αισθητήρων αιθάλης στηρίζεται στο ότι η απορρόφηση παλμών φωτός από ένα σώμα προκαλεί βραχυχρόνια αύξηση της θερμοκρασίας του Η χρονικά μεταβαλλόμενη θερμική ενέργεια που παράγεται, μεταφέρεται στον αέρα που περιβάλλει το σώμα με αποτέλεσμα τη μεταβολή της πίεσης του αέρα και την παραγωγή ενός ηχητικού κύματος. Το ηχητικό κύμα που παράγεται ανιχνεύεται με μικρόφωνο. Στους αισθητήρες αιθάλης, η ένταση του λαμβανόμενου ηχητικού κύματος είναι ανάλογη της ενέργειας της οπτικής ακτινοβολίας η οποία απορροφάται από τα σωματίδια της αιθάλης και επομένως είναι ανάλογη της συγκέντρωσης της αιθάλης. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 30

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 9. Αισθητήρες αιθάλης (ii) Ως πηγή της οπτικής ακτινοβολίας χρησιμοποιείται μια πηγή laser που εκπέμπει παλμούς φωτός με μήκος κύματος της τάξης των 800 nm, διότι τα σωματίδια από τα οποία αποτελείται η αιθάλη έχουν υψηλό συντελεστή απορρόφησης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μήκος κύματος στο ορατό και το εγγύς υπέρυθρο. Εναλλακτικά, με ένα LED εκπέμπεται οπτική ακτινοβολία με μήκος κύματος της τάξης των 880 nm στο μετρούμενο δείγμα. Με μια φωτοδίοδο μετριέται η ένταση της οπτικής ακτινοβολίας που λαμβάνεται μετά τη διέλευσή της μέσα από το δείγμα που περιέχει τα σωματίδια της αιθάλης. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 31

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Ανιχνευτές καπνού (i) Χρησιμοποιούνται σε συστήματα συναγερμού για την ανίχνευση της φωτιάς. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πιο συνηθισμένοι τύποι ανιχνευτών καπνού. 10.1 Ανιχνευτές καπνού τύπου ιοντισμού Οι ανιχνευτές καπνού τύπου ιοντισμού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 11, αποτελούνται από έναν θάλαμο που περιέχει μια μικρή ποσότητα (της τάξης των 0.2 mg) από ένα ραδιενεργό στοιχείο (συνήθως Americium-241, 241Am, το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 432 χρόνια) που χρησιμοποιείται ως πηγή εκπομπής (ιοντίζουσας) ακτινοβολίας ακτίνων α. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 32

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Ανιχνευτές καπνού (ii) 10.1 Ανιχνευτές καπνού τύπου ιοντισμού Τα εκπεμπόμενα σωματίδια προκαλούν τον ιοντισμό των ατόμων του οξυγόνου & του Αζώτου που περιέχονται στον αέρα του θαλάμου. Μέσα στο θάλαμο τοποθετούνται επίσης δύο μεταλλικές πλάκες (ηλεκτρόδια) στις οποίες εφαρμόζεται DC τάση, με σκοπό την έλξη των θετικά & αρνητικά φορτισμένων ιόντων που δημιουργούνται λόγω του ιοντισμού του αέρα. Έτσι, προκαλείται η ροή ηλεκτρικού ρεύματος (DC) στο εξωτερικό κύκλωμα στο οποίο συνδέονται οι δύο μεταλλικές πλάκες. Όταν εισέρχονται σωματίδια καπνού μέσα στο θάλαμο του αισθητήρα, αυτά ενώνονται με τα κινούμενα ιόντα και εμποδίζουν την περαιτέρω κίνησή τους προς τα ηλεκτρόδια, με αποτέλεσμα τη μείωση της έντασης του ρεύματος που ρέει στο εξωτερικό κύκλωμα. Μετρώντας αυτή τη μεταβολή ανιχνεύεται η παρουσία καπνού στον επιτηρούμενο χώρο. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 33

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Ανιχνευτές καπνού (iii) 10.2 Φωτοηλεκτρονικοί ανιχνευτές καπνού Οι φωτοηλεκτρικοί ανιχνευτές καπνού αποτελούνται από μια δίοδο εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας και ένα φωτοανιχνευτή (συνήθως φωτοδίοδο), τοποθετημένους μέσα σε κατάλληλο θάλαμο, έτσι ώστε οι άξονές τους να είναι κάθετοι μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 12. Ο θάλαμος δεν επιτρέπει την είσοδο στο εσωτερικό του φωτός που προέρχεται από το εξωτερικό περιβάλλον του αισθητήρα. Όταν δεν υπάρχει καπνός μέσα στον θάλαμο του αισθητήρα, η εκπεμπόμενη οπτική ακτι- νοβολία σκεδάζεται επάνω στα σωματίδια του καπνού και προσπίπτει στο φωτο-ανιχνευτή, με αποτέλεσμα την ανίχνευση της παρουσίας καπνού μέσα στο θάλαμο. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 34

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Ανιχνευτές καπνού (iv) 10.2 Φωτοηλεκτρονικοί ανιχνευτές καπνού Ανάλογα με την σχεδίαση του ανιχνευτή καπνού, η ένταση της οπτικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το IR LED μπορεί να μετριέται με μια φωτοδίοδο, ώστε με κατάλληλο κύκλωμα να ρυθμίζεται στην επιθυμητή τιμή, με σκοπό την αντιστάθμιση της επίδρασης στη λειτουργία του ανιχνευτή καπνού είτε των μεταβολών της θερμοκρασίας, είτε της συσσώρευσης σκόνης. Εναλλακτικά, η λειτουργία των φωτοηλεκτρικών ανιχνευτών καπνού στηρίζεται στη διακοπή λήψης από το φωτοανιχνευτή της εκπεμπόμενης δέσμης φωτός όταν μεταξύ του πομπού και του δέκτη εισέρχονται σωματίδια καπνού. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 35

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 11. Αισθητήρας μέτρησης της αλατότητας του εδάφους (i) Η αλατότητα (salinity) του εδάφους οφείλεται στη συγκέντρωση αλάτων στο έδαφος και υπολογίζεται μετρώντας την ηλεκτρική αγωγιμότητα της υγρασίας (νερό) που περιέχεται στο έδαφος. Ο αισθητήρας μέτρησης της αλατότητας του εδάφους αποτελείται από ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο κατασκευασμένο από πορώδες κεραμικό υλικό στο οποίο συνδέονται δύο ηλεκτρόδια από πλατίνα. Ο αισθητήρας τοποθετείται μέσα στο έδαφος, οπότε Κατά την επαφή του αυτή εμποτίζεται από την υγρασία που περιέχεται στο έδαφος και οι πόροι του γεμίζουν πλήρως με το νερό του εδάφους. Οι μεταβολές της αλατότητας του εδάφους προκαλούν μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του νερού που έχει εγκλωβιστεί στους πόρους του κεραμικού στοιχείου, οπότε μεταβάλλεται η ωμική αντίσταση του κεραμικού στοιχείου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 36

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 11. Αισθητήρας μέτρησης της αλατότητας του εδάφους (ii) Για τη μέτρηση της αντίστασης του κεραμικού στοιχείου, από την οποία υπολογίζεται στη συνέχεια η αλατότητα του εδάφους, εφαρμόζεται AC τάση στον αισθητήρα, συχνότητας της τάξης του 1kHz. Έτσι, η μέτρηση της αντίστασης του ηλεκτρολυτικού στοιχείου δεν επηρεάζεται από την αντίσταση πόλωσης η οποία εμφανίζεται μεταξύ των ηλεκτροδίων και του κεραμικού στοιχείου (ηλεκτρολύτης), εξαιτίας της μικρής τιμής της σύνθετης αντίστασης της χωρητικότητας διπλού στρώματος Cdl (double layer capa-citance) η οποία αναπτύσσεται παράλληλα με την αντίσταση πόλωσης. Επειδή η ηλεκτρική αγωγιμότητα της υγρασίας του εδάφους αυξάνεται κατά περίπου 2% ανά C αύξησης της θερμοκρασίας του εδάφους, η επίδραση της μεταβολής της θερμοκρασίας του εδάφους στην ακρίβεια των μετρήσεων της αλατότητας αντι- σταθμίζεται μετρώντας ταυτόχρονα και τη θερμοκρασία του εδάφους με ένα θερμίστορ. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 37

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών Ο αισθητήρας μέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών αποτελείται από ένα πηνίο το οποίο τροφοδοτείται με AC ρεύμα, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 14. Το μαγνητικό πεδίο που παράγεται προκαλεί την ανάπτυξη δινορευμάτων στο μετρούμενο υλικό, των οποίων το μαγνητικό πεδίο υπερτίθεται στο μαγνητικό πεδίο του πηνίου, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέρχεται από το πηνίο και την ανάπτυξη τάσης στα άκρα του, η οποία είναι συνάρτηση της μετρούμενης ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Εκτός από την ηλεκτρική αγωγιμότητα, το ηλεκτρικό σήμα που προκύπτει παρέχει επίσης πληροφορίες, μετά από κατάλληλη επεξεργασία, για τη χημική σύσταση του υλικού (π.χ. ύπαρξη προσμίξεων) καθώς και για τις μηχανικές του ιδιότητες (σκληρότητα) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 38

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 13. Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης (i) Οι αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης (corrosion) αποτελούνται από καθετήρες (probes) κατασκευασμένους από όμοιο υλικό (μέταλλο) με το υλικό του οποίου μετριέται ο ρυθμός διάβρωσης. Η λειτουργία τους στηρίζεται στην αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης των καθετήρων καθώς η διατομή τους μειώνεται λόγω διάβρωσης. Η ηλεκτρική αντίσταση του καθετήρα υπολογίζεται εφαρμόζοντας σταθερή τάση στα άκρα του και μετρώντας το ρεύμα που τον διαρρέει. Στη συνέχεια, υπολογίζεται το πάχος του καθετήρα συγκρίνοντας τη τιμή της αντίστασης του η οποία προκύπτει λόγω διάβρωσης με την αντίστοιχη αρχική τιμή της αντίστασης (πριν την επίδραση της διάβρωσης). Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 39

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 13. Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης (iι) Το πηλίκο του πάχους του καθετήρα προς το αρχικό πάχος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ρυθμού διάβρωσης ο οποίος εκφράζεται σε mm μείωσης πάχους ανά έτος. Κατά τον υπολογισμό του ρυθμού διάβρωσης θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η μεταβολή της αντίστασης του καθετήρα λόγω θερμοκρασίας. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα διαβρωτικά περιβάλλοντα. Η μέθοδος γραμμικής αντίστασης πόλωσης (linear polarization resistance) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ρυθμού διάβρωσης μετάλλων που βρίσκονται σε επαφή με αγώγιμα υγρά. Στηρίζεται στο ότι κατά τη διαδικασία διάβρωσης, μεταξύ του μετάλλου και του υγρού (ηλεκτρολύτης) πραγματοποιούνται ηλεκτροχημικές αντιδρά-σεις οξείδωσης και αναγωγής Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 40

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 13. Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης (iii) Οι αντιδράσεις αυτές πραγματοποιούνται σε διαφορετικά σημεία της επιφάνειας επαφής του μετάλλου και του υγρού. Έτσι, μεταξύ της ανόδου και της καθόδου ρέει ένα ρεύμα διάβρωσης, Ιcorr, με τιμή ανάλογη της μάζας του μετάλλου που διέρχεται στον ηλεκτρολύτη ανά μονάδα χρόνου (ρυθμός διάβρωσης) Για παράδειγμα χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται είναι οι εξής 2Fe → 2Fe2+ + 4e- ανοδική αντίδραση (οξείδωση) 2H2O + O2 +4e- → 4OH καθοδική αντίδραση (αναγωγή) 2Fe2+ +4OH → 2Fe(OH)2 επόμενη αντίδραση Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 41

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 13. Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης (iv) Στην περίπτωση αυτή, ο ρυθμός διάβρωσης δεν μπορεί να υπολογιστεί με μέτρηση του ρεύματος Icorr διότι το ρεύμα αυτό δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα αφού η άνοδος και η κάθοδος βρίσκονται σε γειτονικές περιοχές του ίδιου μετάλλου Για το λόγο αυτό, ο αισθητήρας μέτρησης του ρυθμού διάβρωσης με τη μέθοδο γραμμικής αντίστασης πόλωσης αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, που κατασκευάζονται από το ίδιο μέταλλο με το σώμα του οποίου ο ρυθμός διάβρωσης πρέπει να μετρηθεί, τα οποία βυθίζονται μέσα στο αγώγιμο υγρό. Το ισοδύναμο κύκλωμα των δύο ηλεκτροδίων (ονομάζονται ηλεκτρόδιο ελέγχου και βοηθητικό ηλεκτρόδιο, αντίστοιχα) τα οποία βυθίζονται μέσα στο αγώγιμο υγρό Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 42

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια ΑΛΛΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 13. Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης (v) Για την ανίχνευση της διάβρωσης ή των ρωγμών που υπάρχουν είτε στην επιφάνεια είτε στο εσωτερικό αγώγιμων υλικών, εφαρμόζεται η αρχή της ανάπτυξης δινορρευμάτων στο υλικό όταν αυτό βρίσκεται στο μαγνητικό πεδίο που παράγει ο αισθητήρας. Η συχνότητα λειτουργίας καθορίζει το βάθος διείσδυσης των δινορρευμάτων και επιλέγεται ανάλογα με το πάχος του υλικού. Εναλλακτικά, η ανίχνευση στηρίζεται στην ανάκλαση υπερηχητικών κυμάτων από τα τμήματα του διαβρωμένου υλικού τα οποία βρίσκονται στο εσωτερικό του υλικού που ελέγχεται. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 43