Современные интеллектуальные датчики. Принципы измерения

Учебная практика.

Реферат на тему:

Современные интеллектуальные датчики.

Принципы  измерения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание.

Введение. Преимущества использования интеллектуальных датчиков………...….…3

Структура интеллектуальных датчиков……………………………………………..........…4

Реализуемые датчиками  функции…………………………………………………………....5

Датчики давления………………………………………………………………….…………....7

     Принципы  измерения давления…………………………………………………..…..8

Датчики уровня……………………………………………………………………….............…9

     Принципы  измерения уровня………………………………………………..…...…... 9

Датчики объемного расхода…………………………………………………………...…......11

     Расходомеры по перепаду давления и их характеристики………….……..…...11

     Вихревые  расходомеры и их характеристики………………………..…….……...13

          Ультразвуковые расходомеры и их характеристики…………………..…….....…13

         Электромагнитные расходомеры и их характеристики……………………...…...15

     Ротаметры и их характеристики……………………………………………..…....…16

Датчики массового  расхода……………………………………………………………….….16

     Принципы  измерения массового расхода………………………………….……... 16

Датчики плотности………………………………………………………………………......…19

     Принципы  измерения плотности…………………………………………..…….…..19

Датчики температуры………………………………………………………………….…….…20

Виды датчиков температуры………………………………………………………………....20

Заключение ……………………………………………………………………………..….…...23

Литература…………………………………………………………………………….…….…..26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение.

Преимущества  использования интеллектуальных датчиков.

     Современные датчики, являющиеся важнейшими частям микропроцессорных систем управления технологическими объектами и производством в целом, из однофункциональных средств определения текущих значений измеряемых величин постепенно превращаются в многофункциональные средства автоматизации, которые решают еще целый ряд задач по диагностике, преобразованию измерительной информации, выполнению простых алгоритмов управления и т. д.. Такая многофункциональность стала возможна после оснащения датчиков встроенным микропроцессором. Быстрое развитие микропроцессорной техники, рост мощности микропроцессоров при одновременном их резком удешевлении делают экономически выгодным включение их в датчики любых типов. В последние годы за датчиками, в которые встроен микропроцессор, закрепилось название «интеллектуальные датчики». Как в обиходной речи, так и в литературе под этим термином понимают разные по возможностям классы приборов.

     Не  углубляясь в терминологию и не выдвигая никаких новых наименований необходимо подчеркнуть, что данный аналитический обзор касается только современных интеллектуальных датчиков, которые выполняют, кроме процесса измерения, преобразования измеряемых сигналов в типовые аналоговые и цифровые значения, самодиагностику своей работы, дистанционную настройку диапазона измерения, первичную обработку измерительной информации, иногда еще ряд достаточно простых, типовых алгоритмов контроля и управления. Они имеют интерфейсы к стандартным/типовым полевым цифровым сетям, что делает их совместимыми с практически любыми современными средствами автоматизации, и позволяет информационно общаться с этими средствами и получать питание от блоков питания этих средств. Данный аналитический обзор посвящен рассмотрению современных интеллектуальных датчиков общепромышленного назначения, имеющих наиболее широкое распространение при контроле технологических процессов в различных отраслях промышленности. К таким типам датчиков относятся измерители уровня, давления, расхода, плотности, температуры газообразных и жидких сред.  

2. Структура интеллектуальных  датчиков

     Современные интеллектуальные датчики имеют многовариантную блочную структуру. Основными блоками являются чувствительный элемент (сенсор) и преобразователь. В одном датчике может иметься ряд сенсоров, взаимодействующих с одним преобразователем. Добавочным блоком может являться местный показывающий прибор.

     Сенсор  имеет обычно множество вариантов исполнения, рассчитанных на разные свойства измеряемой и окружающей сред и разную конструкцию объекта измерения:

-варианты  арматуры (корпуса сенсора) под  разные давления, температуры, воздействия и помехи;

-варианты материалов арматуры, контактирующих с измеряемой средой, под обычную, химически агрессивную, абразивную и другие среды;

-варианты  исполнения сенсора под обычную,  гигиеническую, взрывоопасную среды;

-варианты  соединения сенсора с конструкцией объекта измерения типа фланцевой, вафельной, резьбовой и т. д..

     Преобразователь может быть компактно объединен с сенсором в одном конструктиве, а может исполняться в отдельном конструктиве и размещаться рядом или на небольшой дистанции от сенсора.

     Сам преобразователь, как минимум, состоит из программируемого микропроцессора с оперативным и постоянным модулями памяти, аналого-цифрового преобразователя, сетевого контроллера связи с типовыми полевыми сетями. Обычно он также имеет ряд вариантов исполнения:

-варианты  корпуса преобразователя под разные свойства окружающей среды и разные имеющиеся внешние помехи;

-варианты  питания прибора по наличию  блока питания в нем или питанию его от постороннего источника через полевую сеть;

-варианты  выходных сигналов преобразователя  по числу, по параметрам, по коммуникационным возможностям связи с различными полевыми сетями.

     Очень важно, что большинство производителей комплектуют датчики из сочетания разных вариантов сенсоров одного метода измерения с разными вариантами преобразователей, рассчитанных на работу с данной серией сенсоров. Благодаря этому удается наиболее точно и полно удовлетворять отдельным конкретным требованиям к приборам. Следует иметь в виду, что подобная, весьма технически рациональная гибкость построения датчиков, в то же время, не позволяет, в ряде случаев, дать оценку стоимости прибора без детального анализа выбранных вариантов составляющих его блоков. 

3. Реализуемые интеллектуальными  датчиками функции

     Рассматриваемые интеллектуальные датчики являются многофункциональными приборами, для которых только традиционно сохраняется наименование «датчик», а по выполняемым функциям они все более приближаются к симбиозу датчика и контроллера. Тенденция их развития, связанная со все расширяющимися возможностями встроенных в них микропроцессоров, заключается в передаче им от контроллеров все большего числа простейших типовых функций контроля и управления. Кроме того, современные интеллектуальные датчики все более широко используют возможности своего

микропроцессорного  преобразователя для совершенствования процесса измерения: повышения точности, увеличения надежности, выбора диапазона измерения, исключения ошибочных выходных данных, расширения функций дистанционного управления работой сенсора.

Информационные  функции.

     Датчики хранят в своей памяти и по дистанционному запросу пользователя выдают все данные, определяющие свойства, характеристики, параметры данного конкретного прибора: его тип, заводской номер, технические показатели, возможные диапазоны измерения, установленную шкалу, заданные параметры настройки сенсора, работающую версию программного обеспечения, архив следующей проверки датчика и т. п.. Кроме того, датчики могут иметь архив текущих измеряемых и вычисляемых ими значений величин за заданный интервал времени.

Функции конфигурирования.

     Дистанционное формирование или модификация пользователем основных настроечных параметров датчика: установка нуля прибора, выбор заданного диапазона измерения, фильтрация текущих значений, выбор наименования единиц измерения, в которых датчик должен выдавать информацию и т. п. действия.

Функции форматирования.

     Автоматический  анализ изменений измеряемой величины и текущего состояния среды измерения: определение выходов значений измеряемой величины за заданные нормы, выдача различных сообщений об изменениях значений измеряемой величины, проверка нахождения в допустимых диапазонах параметров измеряемой среды. Все эти функции дистанционно настраиваются пользователем.

Функции самодиагностики.

     В процессе работы датчики выполняют  анализ своей работы: при возникновении различных сбоев, нарушений и неисправностей фиксируют их место возникновения и причину, определяют выход погрешности прибора за паспортную норму, анализируют работу базы данных датчика, рассматривают правильность учета факторов, которые корректируют выходные показания датчика.

Функции преобразования.

     Датчик  преобразует электрический сигнал на выходе сенсора (обычно, низковольтный аналоговый, или частотный, или импульсный сигнал) в значение заданного наименования единицы измерения; при этом он выполняет коррекцию выходного значения по сопутствующим текущим показателям состояния измеряемой среды (например, по ее температуре и/или давлению), в случае, если показания датчика зависят и от них. В приборе проводятся необходимые преобразования измерительной информации: усиление сигналов сенсора, стандартизация диапазонов выходных аналоговых сигналов, линеаризация и фильтрация измеренных значений, расчет выходных значений по заданным алгоритмам, аналого-цифровое преобразование значений измеряемой величины. корректируют выходные показания датчика. 

Датчики давления.

     Датчики давления подразделяются на следующие  классы:

-датчики  избыточного давления, которые измеряют  давление по отношению к атмосферному  давлению в районе измерения  (есть вариант герметизированных датчиков избыточного давления, которые измеряют давление по отношению к атмосферному

давлению  на уровне океана);

-датчики  абсолютного давления, которые измеряют давление по отношению к вакууму;

-датчики дифференциального давления (иначе, датчики перепада давления), которые измеряют разницу между двумя прикладываемыми к ним давлений.

     В большинстве датчиков их чувствительные элементы защищаются от измеряемой среды специальными разделителями, состоящими из разделительной мембраны, контактирующей с измеряемой средой, и масляным или иным инертным заполнителем, через который давление измеряемой среды передается от разделительной мембраны до самого чувствительного элемента.

     Указанные разделители могут быть дистанционного типа, у таких дистанционных разделительных трубок расстояние между разделительной мембраной и чувствительным элементом может достигать метра и более.

     Ряд датчиков имеют встроенные в них термометры. По их показаниям микропроцессоры датчиков проводят коррекцию измеренного давления (компенсацию температурной погрешности), а в датчиках дифференциального давления иногда проводится коррекция еще и по статическому давлению среды. Эти корректирующие вычисления приводят к повышению точности работы датчиков.

Принципы  измерения давления

Резистивные измерители давления.

     Давление, приложенное к мембране и создающее ее прогиб, передается на резистивный элемент (пьезо- или тензорезистивный), включенный в мостик Уитстона. Изменение сопротивления этого элемента, пропорциональное приложенному на мембрану давлению, преобразуется в датчике в соответствующий электрический выходной сигнал. Если к другой (опорной) стороне сенсора приложено атмосферное давление, то датчик измеряет избыточное давление; если опорная сторона сенсора герметизирована и в ней вакуум, то датчик измеряет абсолютное давление; если к опорной стороне приложено другое измеряемое давление среды, то датчик измеряет дифференциальное давление (перепад давления).

Емкостные измерители давления.

     Мембрана  чувствительного элемента является одной из пластин конденсатора. Приложенное к мембране давление прогибает ее, что изменяет емкость между ней и второй пластиной конденсатора. Емкость преобразуется в датчике в соответствующий

электрический выходной сигнал, пропорциональный приложенному давлению.

Резонансные измерители давления.

     Чувствительным  элементом являются два монокристаллических резонатора. Под действием цепи возбуждения резонаторы колеблются с определенной частотой, которая детектируется вычислителем. Давления с одной и другой стороны датчика через разделительные мембраны прикладываются к соответствующим резонаторам, получающаяся деформация которых вызывает изменения их частот колебаний. Вычисляемая разность частот двух резонаторов пропорциональна разности давлений, приложенных к датчику. 
 

Датчики уровня разных производителей

     Рассматриваются датчики уровня жидкости, шлама, пульпы, сыпучих и кусковых материалов в резервуарах, емкостях, силосах. 

Принципы  измерения уровня

     Датчики избыточного давления - измерители уровня.

     Сравнительно  простым способом измерения уровня жидкости в емкости является установка у дна емкости датчика избыточного давления, который измеряет давление действующего на него столба жидкости. Микропроцессор датчика по известному удельному весу жидкости пересчитывает измеренное избыточное давление в уровень жидкости в емкости.

Поплавковые уровнемеры

     Достаточно  простым и давно используемым методом измерения уровня жидкостей  в резервуарах является опускание  на  тросе в жидкость буя (поплавка) и замер длины троса, при котором буй входит в жидкость. При изменении уровня жидкости изменяется сила натяжения троса, которая является сигналом для автоматического поиска датчиком нового положения и новой фиксации буя.

Волновые  бесконтактные уровнемеры. (радарные и ультразвуковые)

     Принцип действия волновых уровнемеров – измерение времени прохождения сигнала от поверхности продукта до уровнемера. Сам уровнемер, в котором находятся излучатель и приемник сигнала (антенна), размещается над поверхностью продукта. В качестве сигнала используются либо импульсы, либо частотно модулированная непрерывная волна. В первом случае, уровнемер определяет интервал времени от момента испускания импульса до его возвращения после отражения от поверхности продукта. Во втором случае, частотно модулированная непрерывная волна при распространении к поверхности продукта и обратно к антенне смешивается с сигналом, излучаемым в каждый данный момент; в результате этого смешения получается разностный сигнал низкой частоты, которая пропорциональна расстоянию от уровнемера до поверхности продукта.

Волновые  контактные уровнемеры.

     Находящийся над поверхностью продукта датчик испускает  короткие волны импульсами, которые  двумя проводниками, проходящими  через всю высоту резервуара, направляются вдоль них. Сами проводники могут быть реализованы в виде коаксиальной трубки, в виде стержней, в виде гибких тросов. Столкновение проходящих вдоль проводников волн с поверхностью продукта или со дном емкости вызывает образование обратной волны, время возвращения которой замеряется датчиком. Метод по разному реализуется в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости продукта.

     Для продукта с относительной диэлектрической  проницаемостью > =2 измеряется отражение прямо от поверхности продукта. Если продукт имеет две разделенные по высоте резервуара фазы, отличающиеся между собою относительной диэлектрической проницаемостью больше, чем на 10, то возможно измерение не только уровня всего продукта, но и уровня раздела его фаз. Для этого используется еще и измерение времени возвращения остаточной волны, добавочно отраженной от раздела фаз.

     Для продукта с низкой относительной  диэлектрической проницаемостью < 2, при которой отраженный от поверхности продукта сигнал не достаточно четко выражен, применяется другая разновидность метода. Проводники закорачиваются точно на дне емкости и волна, идущая вдоль них, отражается от дна и фиксируется датчиком. Время прохождения волны до дна и обратно определяется скоростью волны на воздухе и в продукте; последняя, в свою очередь, зависит от диэлектрической проницаемости продукта и его высоты в резервуаре. Если в программу расчета датчика введено значение диэлектрической проницаемости продукта, то однозначно определяется уровень продукта в резервуаре.

     При другом варианте, сенсор опускается до дна резервуара. Он испускает импульсы, которые проходят через заполняющий емкость материал и отражаются на границе материала и воздушной среды. Сенсором замеряется время от запуска импульса до прихода отраженного сигнала. Оно зависит от диэлектрической проницаемости материала (которая известна) и его уровня.

Емкостные уровнемеры.

     Чувствительным  элементом уровнемера является длинный  зонд, проходящий по всей высоте емкости, в которой находится продукт. Зонд, покрытый специальным составом, представляет собою длинную линию, у которой активная и реактивная составляющие полного сопротивления равны между собой. Датчик формирует токи определенной частоты через зонд и измеряет емкость и проводимость чувствительного элемента. Полученные их значения позволяют рассчитать чистую емкость продукта, которая зависит от той части зонта, которая покрыта продуктом, т. е. от его уровня.

Магнитострикционные уровнемеры.

     Чувствительным  элементом уровнемера является волновод, выполненный в виде пустотелой трубки, проходящей по всей высоте емкости, в которой находится продукт. На трубке смонтирован поплавок с магнитами, который всегда фиксирует уровень продукта. Датчик генерирует низковольтный импульс, который проходя по волноводу создает электромагнитное поле. Это поле взаимодействует с магнитным полем магнитов поплавка и в этом месте создает упругую деформацию волновода. В месте этой деформации возникает ответный импульс. Интервал времени от посылки импульса до приема ответного импульса датчиком пропорционален расстоянию от датчика до поверхности продукта. 

Датчики объемного расхода.

     Из  всех классов общепромышленных датчиков наибольшее разнообразие типов, используемых методов измерения, свойств и характеристик имеют датчики расхода газа (в том числе пара) и жидкости, что заставляет потенциальных покупателей особенно тщательно относиться к их выбору. Эти обстоятельства обусловили особое внимание, уделяемое этому классу датчиков в данном обзоре.

Расходомеры по перепаду давления и их характеристики.

     Измерение расхода по перепаду давления на каком  либо сужении трубопровода (обычно в качестве сужения используется диафрагма, или сопло, или труба Вентури, или трубка Пито и т. д.) является обычным, до сих пор часто используемым на практике методом измерения расходов газов и жидкостей. В этом методе для измерения расхода газа используется три сенсора: сенсор перепада давления на установленном сужении в трубе, сенсор статического давления газа в месте замера, сенсор температуры газа в месте замера; а для измерения расхода жидкости используется два сенсора: сенсор перепада давления на установленном сужении в тоубе, сенсор температуры жидкости в месте замера. По полученным от этих сенсоров текущих значений выходов преобразователь датчика по известной типовой формуле рассчитывает искомый расход. Следует отметить, что применение приборов, использующих данный, наиболее привычный для практиков метод измерения, имеет ряд недостатков по сравнению с некоторыми другими классами приборов расхода, базирующихся на других принципах определения расхода. Сужение требуется устанавливать на достаточно длинном прямолинейном участке трубопровода, чтобы в месте измерения не было никаких турбулентных завихрений; энергетически эксплуатация сужения трубы, при наиболее распространенном типе сужения - диафрагме, приводит к существенным дополнительным затратам, т. к. на диафрагме происходит постоянная, значимая потеря давления; точность измерения расхода существенно зависит от постоянства размеров сужения: должны быть исключены его истирание, налипание на нем каких-либо веществ, задержка им посторонних включений, которые могут находиться в измеряемой среде.

     Рассмотрим  один из вариантов такого датчика, распространяемый фирмой Emerson. В трубопровод по диаметру вставляется достаточно тонкая трубка с рядом отверстий, расположенных на двух сторонах трубки: со стороны течения потока и с противоположной стороны. Число отверстий с каждой стороны пропорционально диаметру трубопровода. Измеряемая среда, проникающая во все отверстия со стороны течения внутрь трубки, попадает в одну усредняющую камеру, в которой измеряется среднее давление скоростного напора. Измеряемая среда, проникающая во все отверстия с противоположной стороны внутрь трубки, попадает в другую усредняющую камеру, в которой измеряется статическое давление среды. Разность этих давлений определяет искомый перепад давлений, пропорциональный расходу. В отдельный защитный карман сенсора встроен необходимый для расчета расхода термометр сопротивления. Преимущества подобной реализации измерения расхода методом перепада давления: низкая постоянная потеря давления на вставленной в трубопровод трубке; простая установка, заключающаяся в монтаже в трубе только одной трубки; возможность установки сенсора на расстоянии всего нескольких диаметров трубопровода от его изгибов.

Вихревые  расходомеры и  их характеристики.

     Измерение объемного расхода газов, паров, жидкостей в этих расходомерах основано на принципе вихревой дорожки Кармана. Поперек трубопровода помещается специальное тело обтекания (обычно это призма трапецеидального сечения). Вихри потока, образующиеся за ним, имеют регулярный периодический характер. Эти вихри образуют периодические колебания давления за сенсором, частота которых определяется скоростью протекания (т. е.расходом) измеряемой среды. Изменяющееся во времени давление воздействует, например, на пьезоэлемент, преобразующий колебания действующего на него давления в электрические импульсы. Далее эти импульсы усиливаются, преобразуются и формируют выходной сигнал, пропорциональный расходу. Точность измерения не зависит от плотности, температуры, давления измеряемой среды. Вихри очищают тело обтекания от возможных отложений. Сенсоры достаточно чувствительны к вибрации и к попаданию в поток достаточно крупных инородных предметов, в последнем случае при задержке предмета у тела обтекания может полностью исказиться процесс измерения. Чтобы, в этом случае знать о возникновении неверных показаний датчика следует иметь в нем детектор инородных предметов в потоке.

Ультразвуковые  расходомеры и  их характеристики

     Ультразвуковые  расходомеры предназначены для измерения объемного расхода жидкостей любого типа и газов, проницаемых к акустическому сигналу. По принципу измерения они подразделяются на два подтипа. Принцип измерения большинства ультразвуковых расходомеров - разница в скорости распространения ультразвуковой волны вдоль и против потока среды. Два приемопередающих сенсора располагаются на разных концах диаметра трубы, со сдвигом по ее длине. Если поток движется по направлению от первого к второму сенсору, то время прохождения ультразвуковой волны от первого до второго сенсора (по течению) будет меньше, чем от второго до первого сенсора (против течения). Измеряемая разность времени прохождения этих двух волн прямо пропорциональна средней скорости продукта, а, следовательно, его объемному расходу. Ультразвуковые расходомеры различаются числом лучей, испускаемых сенсорами. При многолучевых сенсорах полученные разности времен усредняются, что увеличивает точность прибора. Обычно используются датчики с числом лучей от одного до пяти. При установке датчиков требуется наличие прямого участка трубы порядка 10-20 диаметров условного прохода трубы до датчика и порядка 5 - 10 диаметров условного прохода трубы после датчика. Поскольку сами сенсоры, независимо от исполнения (накладные или встраиваемые в трубу), не перекрывают поперечное сечение измерительного участка трубы, то потеря давления в датчике отсутствует. Точность измерения не зависит от вязкости, температуры, давления и электропроводности измеряемой среды.

Некоторые ультразвуковые расходомеры имеют другой принцип измерения - Доплер-эффект. Звуковая волна определенной частоты ударяется о твердые частицы или газовые пузырьки, находящиеся в потоке жидкости, и, отражаясь от них, возвращается назад уже с другой частотой. Разность этих частот пропорциональна скорости частиц, от которых произошло отражение волны, т. е. скорости потока или его объемному расходу (при этом считается, что отражающие волну частицы имеют скорость потока). В этом подтипе расходомера измеряемая разность частот зависит не только от расхода потока, но и от скорости звука в потоке, поэтому она должна быть известна и заложена в алгоритм расчета. Поскольку на скорость звука влияют температура и плотность среды, в которой он распространяется, то показания расходомера данного подтипа зависят от их значений.

Электромагнитные  расходомеры и  их характеристики

     Электромагнитные расходомеры предназначены для измерения объемного расхода жидкостей, в том числе различных пульп, шламов, паст (возможно с содержанием твердых частиц), у которых электрическая проводимость не ниже определенного минимума (для разных типов электромагнитных расходомеров этот минимум составляет 20, 5, 0.01 mS/см). Индуктивная катушка, намотанная на трубе, по которой идет поток жидкости, создает магнитное поле внутри трубы. Электропроводная жидкость пересекает магнитное поле и индуцирует напряжение, которое прямо пропорционально средней скорости потока жидкости. Это напряжение снимается двумя электродами, которые либо находятся в прямом контакте с потоком жидкости, либо измеряют его через емкостную связь. Чтобы напряжение не замыкалось накоротко на стенке трубы, сама труба в датчике изготавливается из электроизоляционного материала, либо футеруется им изнутри. Полученные значения напряжения пересчитываются в объемный расход, причем измеряемые датчиком значения практически почти не зависят от профиля потока; от свойств жидкости (давления, температуры, вязкости, плотности, состава, электропроводности); от загрязнения электродов.

     При установке датчиков не требуется длинных участков трубопровода до и после датчика (у многих расходомеров минимальный прямой участок трубы до датчика - 5 и менее диаметров условного прохода; после датчика - 2 и менее диаметра условного прохода); поперечное сечение измерительного участка трубы ничем не перекрывается и потеря давления в датчике отсутствует. Индуцируемое электропроводной жидкостью напряжение достаточно мало (менее 0.5 мв при скорости потока 1 м/с), поэтому в расходомерах основное внимание уделяют исключению различных помех (стабильности магнитного поля, подавлению шумов напряжения, качеству усиления индуцируемого напряжения), чтобы получить достаточно точные и стабильные показания.