Главная
База знаний "Allbest"
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Интеллектуальные датчики
Интеллектуальные датчики
Понятие интеллектуального датчика и принцип его работы. Обработка сигнала. Разработка требований правил PC к интеллектуальным датчикам как элементам повышенной надежности. Описание современных ИД. Первичные измерительные преобразователи температуры.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.02.2011 |
| Размер файла | 1,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Особенностью датчиков «Сапфир-22МП» является применение специального пульта управления ПУ. Пульт универсален, что позволяет ему работать с любыми моделями датчиков Саифир-22МП. В него входит микропроцессор МП, клавиатура К и цифробуквенное индикаторное табло ИТ. ПУ предназначен для настройки, калибровки и контроля параметров датчика. Он представляет собой отдельное устройство с автономным питанием (батарея типа «Крона») и подключается к плате электронного блока датчика с помощью трехпроводной линии связи. Следует отметить, что ПУ не является аналогом коммуникатора (устройство ручного управления), который входит в комплект интеллектуальных датчиков модели 1151 фирмы Fisher-rosemount. В интеллектуальных датчиках коммуникатора подключается непосредственно в информационную линию (цепь 4...20 мА) и позволяет осуществлять обмен данными по HART протоколу. Цифровой и аналоговый сигналы передаются, но одной паре проводов, и обмен сообщениями между датчиком и коммутатором происходит путем простого наложения HART на токовую петлю. При этом не нарушаются условия взрывобезопасности
Устройство и работа датчиков «Сапфир-22Р»
Аналоговый электронный блок датчика спроектирован на новых принципах, схема блока защищена патентом Российской Федерации. Электронный блок унифицирован для всех моделей измерительных блоков системы и выполнен на одной плате с двухсторонним расположением элементов поверхностного монтажа и DIP-элементов. Сборка электронного блока осуществляется на самом современном технологическом оборудовании, сертифицированном по ISO 9002, со 100 % контролем как собственно сборки, так и электрических характеристик. Это значительно повышает качество и надежность датчиков в целом. Электронный блок полностью выполнен на радиоэлементах производства США и западной Европы. Структурная схема электронного преобразователя датчиков «Сапфир-22Р» представлена на рис.2.4.
Формирователь питающих и опорных напряжений и токов обеспечивает напряжения питания, опорные напряжения для схем сравнения и коммутации и ток питания чувствительного элемента измерительного блока.
Измерительный усилитель преобразует выходное напряжение чувствительного элемента измерительного блока в нормированный сигнал.
Корректор температурной погрешности «нуля» принимает информацию о температуре измерительного блока, и, используя опорные напряжения, обеспечивает «N точек излома температурной характеристики «Нуля», чем достигается глубокая коррекция температурной погрешности «нуля».
Корректор статической нелинейности измерительного блока, используя пороговую схему, которая обеспечивает «М» точек излома, аппроксимирует нелинейное выходное напряжение измерительного блока «М+1» линейными участками, каждый из которых имеет свой коэффициент ±Км и синтезирует линейное (с необходимой точностью, определяемой значением «М») выходное напряжение электронного блока.
Корректор температурной погрешности «диапазона», используя информацию об изменении температуры и опорные напряжения, обеспечивает «К» точек излома температурной характеристики «диапазон» и аппроксимирует температурную зависимость, чем достигается глубокая коррекция температурной погрешности «диапазона».
Коммутатор пределов измерения обеспечивает переключение пределов измерения 1:10.
Формирователь выходных токов электронного блока преобразует нормированное напряжение в выходной ток.
Элементы коммутации и потенциометры оперативной регулировки удобно и доступно расположены на плате электронного блока. Специальный канал в корпусе электронного блока служит для доступа к корректору «ноль тонко», позволяющему настраивать начальное значение выходного сигнала после монтажа датчика. В зависимости от назначения датчик имеет сальниковый кабельный вывод (основное исполнение), электрический разъем в исполнении «для АЭС» или специальный кабельный вывод для вида взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка».
Для предотвращения несанкционированного доступа к токонесущим элементам взрывозащищенных датчиков служит пломбируемый винт.
Электронный блок позволяет осуществлять контроль выходного токового сигнала без разрыва цепи нагрузки при помощи миллиамперметра или вольтметра, которые подключаются к специальным тестовым клеммам. Клеммная колодка аналогична применяемым в системах «Сапфир-22» и «Сапфир-22М», т.к. используется корпус электронного блока от системы «Сапфир-22». Более того, это устройство привычно в эксплуатации для таких крупных потребителей, как АЭС.
При необходимости с помощью органов регулирования датчик может быть перенастроен на любое нижнее и верхнее предельное значения выходного сигнала и любой вид выходной характеристики.
Для датчиков, настроенных на любой «младший» предел измерения p/pmах<1, можно смещением начального значения выходного сигнала получить так называемый эффект «электронной линзы».
Допустим, по технологическому процессу необходимо контролировать давление в диапазоне от 9 до 10 кПа, что соответствует применению датчика этой модели. В этом случае датчик настраивается на «младший» верхний предел измерения - 1 кПа и начальное значение выходного сигнала смешается на давление 9 кПа. Тогда полное значение изменения выходного сигнала (например, 0...5 мА) будет соответствовать 10% шкалы изменения измеряемого параметра.
Устройство и работа датчика давления Gerabar S (Endress+Hauser)
Датчик представляет собой программируемое средство измерения. Настройка датчика осуществляется оперативно с помощью кнопок на самом датчике или удалено в программном режиме через интерфейс цифровой коммуникации. Измерительная информация отображается на аналого-цифровом жидкокристаллическом дисплее датчика, на мониторе компьютера, контроллере, устройстве регистрации.
Датчик представляет результаты измерения в различных единицах давления. В датчике производится самодиагностика и индикация неисправностей.
Устройство и работа Гидростатического датчика уровня Delta-pilot S (Endress+Hauser)
Датчик основан на измерении гидростатического давления столба жидкости. Уровнемер представляет собой программируемое средство измерения. Настройка датчика выполняется на месте с помощью 4-х кнопок самого датчика или дистанционно в программном режиме через интерфейс цифровой коммуникации.
В уровнемере производится самодиагностика и индикация неисправностей. Фирма Endress+Hauser выпускает интеллектуальные датчики расхода. Интеллектуальные датчики расхода также выпускают фирмы "PANA METRICS", «Теплоприбор».
Устройство и работа интеллектуального датчика температуры ТСТП
Датчик температуры ТСТП предназначен для измерения температуры различных газообразных, сыпучих и жидких сред.
ИД ТСТП измеряет температуру с помощью термометров сопротивления ТСМ, ТСП и термопреобразователей ТХА и преобразует аналоговый сигнал в цифровой.
С помощью последовательного интерфейса RS-485 можно одновременно подключить до 255 устройств в одной сети.
Датчик изготавливается ЗАО ПК «Промконтроллер».
Фирмой Siemens Schweiz разработана новая технология, реализующая концепцию интеллектуального встраивания датчиков в среду автоматизации.
Для коммуникации датчиков с децентрализованной периферией использована полевая шина Profibus DP, что позволило передавать параметры и данные диагностики па значительное расстояние от управляемой установки.
Предусмотрена настройка датчиков прямо из системы управления, что позволило отказаться от настройки каждого датчика в отдельности.
Новая технология обеспечивает автоматическую диагностику повреждений, в т.ч. обрыва проводов, короткого замыкания, наличия загрязнений и выхода из строя датчика.
Данные диагностики передаются по 2-проводной линии вместе с информацией о коммутационных состояниях.
Основу конструкции ИД тока (электроизмерительные клещи КЭИ-0,6) составляет кольцевой магнитопровод из феррита марки 2000 НМ и датчик Холла.
В датчике измеряется магнитное поле протекающего тока.
Внешне конструкция такого датчика практически не отличается от известных конструкций токоизмерительных клещей с разъемными губками, автономным питанием и индикацией значений тока на экране индикатора. Основным элементом электронной схемы подобного датчика является так называемый «пик-процессор» (ГШ). Это однокристальная микро-ЭВМ, которая и обеспечивает интеллектуальную часть клещей. ПИК-процессор обладает памятью EEPROM объемом 1Кх14 для записи программ, памятью EEPROM данных объемом 64x8, восьмиуровневым аппаратным стеком, четырьмя источниками прерываний; поддерживает АССЕМБЛЕР, состоящий всего из 35 словесных инструкций, и внутрисъемный эмулятор. Эти же инструменты поддерживает и IBM PC. Последнее позволяет разработать и отладить программу работы 1111 и IBM PC, записать ее в память ПП.
Использование ПП позволило существенно сократить число органов управления токовыми клещами, не ухудшая при этом основных параметров прибора. Так. Значительно упрощается процедура настройки клещей в процессе их изготовления, снижается погрешность измерения и т.д.
Но, самое главное, наличие в схеме электроизмерительных клещей такого ПП обеспечивает реализацию принципиально новых возможностей и, как следствие, расширение диапазона применения таких клещей, причем теперь для изменения алгоритма работы клещей, получения новых функций вовсе не нужно менять «железо», все это решается программно.
Конструктивные особенности клещей КЭИ-0,6. Простая механика, используемая в конструкции, позволяет легко раскрывать губки клещей левой рукой, при этом правая рука свободна для записи измеренных значений и других действий. На лицевой панели клещей расположен экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ), куда выводится мгновенное значение измеряемого тока или другие измеряемые параметры. Род измерений устанавливается ползунковым переключателем. Рядом находится миниатюрный кнопочный переключатель, с помощью которого можно запомнить максимальное значение измеряемого параметра.
В качестве автономного источника питания в клещах используется две пальчиковые батарейки на 9 В. Малое энергопотребление позволяет работать с одним комплектом батареек больше месяца непрерывно. В режиме «спячки» один комплект прослужит около года.
Измерение постоянного и переменного токов. Разработанные и предлагаемые для реализации клещи КЭП-0,6 предназначены для измерения постоянного, переменного и импульсного токов в диапазоне 0...600 А. Органы управления включают в себя движковый переключатель и две кнопки: «Уст. О» и «Память». Движковый переключатель устанавливает режим работ: измерение тока в амперах; измерение напряжения в вольтах, либо измерение тока в амперах, измерение температуры в градусах Цельсия.
Кнопки «память» позволяет запоминать последнее значение измеряемого параметра или находить его максимальное значение за определенный промежуток времени. Клещи КЭИ-0,6 включаются нажатием на любую из кнопок. Перед началом работы рекомендуется установить «О» нажатием на кнопку «Уст. О».
При измерении тока движковый переключатель устанавливается в положение «Ток, А». Теперь, чтобы измерить ток в шине, достаточно, разжав губки, пропустить шину в отверстие клещей. Жидкокристаллический индикатор покажет величину постоянного тока со знаком в старшем разряде либо действующее значение переменного тока (50 Гц) с соответствующим значком в старшем разряде.
Для запоминания величины тока в желаемый момент времени необходимо нажать на кнопку «Память» и отпустить ее. Если кнопку не отпускать, запомнится максимальное значение тока за время удержания кнопки.
Измерение напряжения или температуры. При измерении напряжения движковых переключателей устанавливается в положение «Напряжение, В». Клеммы на корпусе «I» и » предназначены для выносных кабелей со щупами. Манипуляция с кнопками такие же, как и для измерения тока.
При измерении температуры движковый переключатель устанавливается в положение «Температура». Окно термочувствительной области на губках клещей контактирует с предметом, температуру которого необходимо измерить. При этом на ЖКИ высвечивается температура в градусах Цельсия.
Дополнительные функции клещей КЭИ-0,6. Наличие программируемого ПП позволяет по требованию заказчиков расширить функциональные возможности клещей. Так, например, компенсируя нелинейность каждого конкретного датчика Холла путем задания функции преобразования для определенных клещей, можно в несколько раз снизить погрешность измерений. Используя напряжение как опорную величину, можно измерять угол сдвига между током и напряжением в цепи и т.д.
2.6 Российский рынок промышленных датчиков
Автоматические системы управления современным производством - это комплекс сложного многоуровневого оборудования, нацеленный на обеспечение максимальной производительности и высокого качества выпускаемой продукции. Взаимодействие систем управления с технологическими процессами при производстве продукции, контроль за параметрами, количеством и качеством продукта осуществляется различными датчиками и аналитическим оборудованием. Применение датчиков позволяет постоянно контролировать ход технологического процесса и оптимизировать его, что улучшает качество продукции и повышает конкурентоспособность производства. Рост цен на энергоносители и материалы повышает требования к их учету и эффективному использованию, а значит, и в этом случае возникает потребность в приборах учета.
В середине 90-х гг. в России началась активная модернизация производственного оборудования, установленного зачастую еще в 70-е и 80-е гг. Началось строительство новых производств с высоким уровнем автоматизации технологических процессов. Устойчивый рост промышленного производства в России начиная с 1999 г. означает в том числе и увеличение темпов внедрения современных технологий и систем управления.
Рост потребности в датчиках и аналитическом оборудовании происходит сейчас опережающими темпами по сравнению с общим ростом отраслей промышленности. Это связано с тем, что помимо создания новых производственных мощностей идет активная модернизация оборудования, установленного еще 20 или 30 лет назад и уже давно не отвечающего современным требованиям. Значительную долю занимает также плановая замена и ремонт датчиков на уже работающих производствах.
Ниже проводится анализ положения на российском рынке промышленных датчиков, перспективы развития и новинки сенсорных технологий.
Для простоты все типы датчиков и аналитического оборудования разделены по типу измеряемой величины и сгруппированы в пять разделов, смысл которых понятен интуитивно: огонь, воздух, вода, земля и человек.
Огонь. Датчики температуры, оптические датчики и датчики пламени
Датчики температуры, пожалуй, один из самых распространенных типов датчиков. Температуру необходимо измерять везде: в сталеплавильной печи, химическом реакторе или в квартире, в системе отопления. Используемые в промышленности датчики температуры можно разделить по типу измерения на контактные и бесконтактные датчики температуры. Бесконтактные датчики используют принцип измерения мощности инфракрасного излучения, идущего от каждого объекта, будь то расплавленный металл или кусок льда. Инфракрасное излучение с длиной волны 3-14 мкм от измеряемого объекта попадает на чувствительный элемент бесконтактного датчика температуры и преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается, нормируется, а в новых моделях датчиков и оцифровывается для передачи по сети.
Бесконтактные датчики температуры применяются там, где затруднен доступ к измеряемым деталям, а также необходима мобильность и малая инерционность измерений. Кроме того, бесконтактные датчики температуры незаменимы там, где необходимо измерять высокие температуры - от 1500 до 30007 С. К особому виду ИК-датчиков температуры можно отнести ИК-камеры, которые позволяют получать картину распределения температуры на поверхности измеряемого объекта. Современные технологии позволяют создать недорогие камеры без охлаждаемых и движущихся частей. Например, прибор Thermo View Ti30 производства Raytek, воспроизводящий изображения в ИК-спектре с разрешением 160x160 точек и точностью 2 % при температуре в диапазоне от 0 до 2507 С. Прибор имеет собственную память изображений и снабжен USB-портом для передачи их файлов в компьютер.
Интересны также модели бесконтактных датчиков температуры, разработанные для измерения температуры прозрачных объектов - стекла и пластиковой пленки, датчики для работы в запыленной или задымленной среде, датчики для измерения температуры пищевых продуктов в холодильных камерах.
Контактные датчики температуры - это прежде всего термопары и термосопротивления. Основным преимуществом данного типа датчиков является высокая точность измерения и их относительная дешевизна.
Наибольшее применение получили термопары Хромель-Копель (тип L) и Хромель-Алюмель (тип J). Эти типы термопар обеспечивают высокую точность и стабильность измерений в широком диапазоне температур.
Измерение температуры термосопротивлением основано на том, что такие материалы, как полупроводники и металлы изменяют свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Полупроводниковые термосопротивления, обычно называемые термисторами, имеют среднюю точность и стабильность показаний, однако такие датчики весьма дешевы и применяются там, где отсутствует необходимость в высокой точности измерений. Напротив, термосопротивления с металлическим чувствительным элементом обеспечивают высокую точность и стабильность измерений. В качестве металлов для термосопротивлений используется платина, медь, реже никель.
Принцип измерения кремниевыми датчиками температуры основан на том, что кремний как полупроводник в значительной степени изменяет свое сопротивление с температурой. Поскольку кремний также применяется для производства интегральных микросхем, то такие датчики температуры могут иметь схемы усиления и обработки сигнала, схемы цифровых интерфейсов, позволяющие напрямую подключать датчик к компьютеру или микропроцессору.
Воздух. Датчики давления, датчики состава газа, датчики скорости потока и расхода газа
Приборы для измерения давления применяются практически во всех отраслях промышленности, особенно в машиностроении, химической, пищевой промышленности и энергетике. Датчики давления можно разделить на следующие несколько групп по типу измеряемого давления.
Датчики абсолютного давления. Точкой отсчета для них служит нулевое давление, т.е. вакуум. Такие датчики применяются в основном на химических, пищевых производствах, в фармацевтике - там, где параметры технологического процесса зависят от абсолютного значения давления. Измеряемое абсолютное давление обычно не превышает значения 50-60 бар.
Датчики относительного давления. Показания этих датчиков отсчитываются от значения внешнего атмосферного давления. Это наиболее распространенный тип датчиков давления. Датчики относительного давления измеряют давление в системах водоснабжения, различных трубопроводах и емкостях.
Датчики дифференциального давления. Датчики имеют два входа, и результатом измерений является разница давлений между этими входами. Эта разница может быть как положительной, так и отрицательной, однако некоторые модели датчиков дифференциального давления измеряют только односторонние изменения дифференциального давления. Датчики дифференциального давления применяются для контроля загрязнения фильтров при фильтрации газов или жидкостей. Они используются как датчики уровня жидкости при измерении уровня гидростатическим методом. С помощью датчиков дифференциального давления измеряется расход жидкости.
Датчики давления разделяются по типу используемого чувствительного элемента. Это разделение предъявляет существенные требования к областям применения датчиков давления.
Одним из первых типов датчика давления был датчик с чувствительным элементом емкостного типа (имеются в виду устройства, имеющие электрический выходной сигнал). Такие датчики применяются, например, в приборах для измерения кровяного давления. Датчики давления с емкостным чувствительным элементом обладают высокой точностью измерений, большим диапазоном и долговременной стабильностью. Например, датчики давления серии 3015 производства компании Rosemount обладают точностью измерения 0,15 %, долговременной стабильностью 0,125 % в течение пяти лет эксплуатации и перестраиваемым диапазоном 100:1.
Другим типом датчиков является датчик давления с чувствительным элементом в виде мембраны с закрепленными на ней тензодатчнками. Как правило, мембрана изготавливается из нержавеющей стали или другого стойкого металла. Тензодатчики обычно делают металлическими - из манганина или константана - или кремниевыми.
Относительно недавно стали широко использоваться датчики давления с мембраной из керамики, с пьезорезистивными датчиками. Датчики с такой мембраной имеют большую долговременную стабильность показаний и высокую устойчивость к перегрузкам давления. Развитие электроники позволяет в большей мере применять микропроцессорные технологии в системах обработки сигналов о датчиков давления, реализуя цифровые интерфейсы вывода информации с датчиков или их перестройку по диапазону. Датчики давления PF2057 производства IFM Electronic имеют керамическую фронтальную мембрану, позволяющую использовать их для измерения давления вязких сред и суспензий, а также в пищевой промышленности. Кроме токового выхода 4-20 мА датчик имеет пороговый транзисторный выход, светодиодный дисплей и может перестраиваться по диапазону в 4 раза.
Датчики состава газов применяются в химическом производстве для контроля за ходом технологического процесса, а также для мониторинга состояния атмосферы и обеспечения безопасности в производственных цехах и жилых помещениях.
Датчики, определяющие наличие и концентрацию взрывоопасных газов, таких как метан, пропан, водород, ацетилен, обычно используют каталитический принцип. В таких устройствах поверхность чувствительного элемента покрыта тонким слоем катализатора, в качестве которого может использоваться, например, платина, палладий или диоксид олова. Попадающий на слой катализатора газ окисляется кислородом воздуха и вызывает дополнительный нагрев этого слоя. Изменение температуры приводит к появлению электрического сигнала, который усиливается электронной схемой.
Датчики для определения концентраций токсичных газов, таких, например, как аммиак или сероводород, используют электрохимический принцип измерения. Газ поступает в измерительную ячейку, где под действием электрического тока происходит химическая реакция. Выбирая материал электродов и разделительной мембраны в измерительной ячейке, а также силу тока, можно добиться того, что в реакцию будет вступать только определенный газ, концентрацию которого необходимо измерить.
Третьим типом датчиков газа можно назвать ИК-датчики газа. Принцип измерений основан на поглощении газами определенных длин волн ИК-диапазона. Тот или иной газ поглощает лишь определенные длины волн и коэффициент поглощения пропорционален концентрации газа. ИК-датчики газа имеют ряд преимуществ, таких как долговременная стабильность, отсутствие чувствительности к другим газам, высокая точность. Несмотря на то что этот тип датчиков был разработан давно, его широкое применение сдерживалось высокой стоимостью оборудования. С появлением новых приемников и излучателей ИК-диапазона стоимость таких приборов приближается к стоимости обычных датчиков газа.
Вода. Датчики расхода, уровня жидкости, датчики анализа жидкости.
Электронные расходомеры можно четко разделить по принципу действия, причем каждый тип расходомеров имеет свои особенности и занимает соответствующую нишу на рынке.
Кориолисовы расходомеры используют физический принцип, открытый французским математиком Густавом Кориолисом, который показал, что при движении тела относительно вращающейся системы отсчета на него действует сила инерции. В кориолисовом расходомере расположены вибрирующие трубки, через которые идет поток жидкости. Частота вибрации пропорциональна массовому расходу жидкости. Этот тип расходомеров может работать как с жидкостями, так и с газами, и обеспечивает очень высокую точность измерений. Основной недостаток данных приборов - высокая стоимость.
Электромагнитные расходомеры используют принцип генерации электрического тока при движении проводника в магнитном поле. Из самого принципа ясно, что электромагнитные расходомеры измеряют расход только проводящих жидкостей. Однако высокая точность, устойчивость к тяжелым условиям эксплуатации, отсутствие перепада давлений и низкая стоимость приборов делает их незаменимыми там, где необходимо измерить расход воды или продуктов на водной основе. Электромагнитными расходомерами невозможно измерить расход непроводящих жидкостей, например нефтепродуктов, однако эти приборы хорошо подходят для измерения расхода вязких жидкостей или даже пастообразных веществ, например йогурта или творога в пищевой промышленности.
Ультразвуковые расходомеры используют ультразвук для измерения скорости потока жидкости или газа. Расход вычисляется путем измерения либо времени распространения ультразвука, либо изменения частоты ультразвуковых колебаний (эффект Доплера). Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расход как газов, так и жидкостей, независимо от их электропроводности.
Вихревые расходомеры используют принцип измерения расхода, основанный на том, что вокруг погруженного в поток жидкости тела появляются турбулентные завихрения, частота возникновения которых пропорциональна скорости потока. Вихревые расходомеры имеют среднюю точность измерений и не работают при слишком малых потоках жидкости. Однако эти приборы широко применяются, например, для измерения расхода пара.
Тепловые расходомеры измеряют перенос тепла потоком газа или жидкости от нагревателя к термочувствительному элементу. Тепловые расходомеры фиксируют массовый расход газов или жидкостей (в кг/час), как и кориолисовы датчики, в отличие от остальных, измеряющих объемный поток (в м3/час). Эти приборы имеют невысокую точность измерений, однако они могут работать при низких скоростях потока жидкостей или газов, где другие типы расходомеров неприменимы.
Земля. Датчики расстояния, наличия предметов, датчики положения и ориентации
Датчики расстояния, положения и наличия занимают центральное место в автоматизированных сборочных производствах, линиях по розливу и упаковке продуктов - то есть там, где необходимо определить наличие объекта или расстояние до него. Конкретный тип датчиков выбирается в зависимости от требований.
Индуктивные датчики определяют положение только металлических объектов. Причем, если ранние модели индуктивных датчиков были более чувствительными к деталям из железа и магнитных материалов, то в настоящее время выпускаются модели датчиков, имеющих одинаковую чувствительность как к черным, так и к цветным металлам. Совсем недавно появились и обратные датчики - чувствительные только к черным металлам. Например, модель IGC211 производства компании IFM Electronic. Такие датчики применяются, например, на конвейерах, где детали из латуни или дюраля не должны давать ложных срабатываний.
При необходимости определять положение неметаллических предметов выбираются емкостные, ультразвуковые или фотоэлектрические датчики. Емкостные датчики реагируют на изменения в электростатическом поле. Такие изменения вызывает практически любой предмет - будь то твердое вещество или жидкость. Однако расстояние, на котором работают емкостные датчики, невелико и составляет максимум 80 мм. Для измерения на больших расстояниях используются ультразвуковые датчики, измеряющих время, за которое ультразвук проходит расстояние от датчика до объекта и обратно.
Пожалуй, фотоэлектрические датчики наиболее разнообразны по своим характеристикам и сфере применения, однако их принцип работы одинаков. Излучаемый датчиком свет рассеивается, отражается или поглощается объектом, и эти изменения воспринимаются фотоприемником. Благодаря тому, что в последних моделях фотоэлектрических датчиков применяется микропроцессорная обработка сигнала, удалось воплотить новые функции приборов, среди которых - автоматическое обучение в процессе работы. Например, для того чтобы перенастроить датчики контрастных меток серии KT5G производства компании Sick нет необходимости останавливать технологическую линию, как это делалось ранее. Перенастройка прибора происходит в процессе работы. С другой стороны, многие функции датчиков, ранее доступные только для дорогих моделей, в настоящее время стали функционировать и в более дешевых изделиях. Примером тому являются датчики контрастных меток, стоимость которых снизилась в 2 - 3 раза.
Раздел 3. Первичные измерительные преобразователи температуры
интеллектуальный датчик преобразователь температура
3.1 Основные характеристики датчиков температуры
В этом разделе под термином датчик подразумевается преобразователь.
Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.
Перечислим основные из этих характеристик:
1. Функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины: y = f(x)
Зависимость представляется в именованных величинах: у - в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, х - в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры - Ом/°С или мВ/К.
2. Чувствительность - отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины: S = dy/dx
Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.
3. Порог чувствительности - минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.
4. Предел преобразования - максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования по крайней мере на 10 %.
5. Метрологические характеристики - определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств, применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.
Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики. Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из результатов измерения.
Основными видами систематических погрешностей являются:
- погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры;
- погрешности, обусловленные вариацией функции преобразования вследствие изменения направления действия входной величины (для датчиков температуры это нагрев-охлаждение);
- погрешности, обусловленные несоответствием динамических возможностей датчика скорости воздействия входной величины. Может быть учтено введением коэффициента термической инерции;
- дополнительные погрешности, обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобразования;
- погрешности, обусловленные нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.
6. Надежность - рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.
7. Эксплуатационные характеристики - к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.
8. Стоимость и возможность серийного производства.
3.2 Основные типы полупроводниковых датчиков температуры
Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости. На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качестве полупроводниковых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, где изменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока, протекающего через полупроводниковый прибор.
Термопреобразователи сопротивления
Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей - медь.
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от - 260 до 1100 °С. В диапазоне температур от 0 до 650 °С их используют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причем нестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 °С.
Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры определяется следующими формулами:
Rt = Ro(l + At + Bt2) при 0 < t < 650 °С;
Rt = Ro[l + At + Bt2 + Ct3(t - 100)] при - 200 < t < 0 °C,
где Rt - сопротивление терморезистора при температуре t, °С; Ro - сопротивление при 0°С; А = 3,96847*10-3 (0С)-1; В = -5,847*10-7(°С)-2; С = -4.22*10-12(0С)-4.
Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерений температур в соответствующем диапазоне.
Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры:
Rt = Ro(l + at) при -50 < t <180 °С,
где а = 4.26*10-3(°С)-1.
Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 °С. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.
Тепловая инерционность стандартных термометров сопротивления характеризуется показателем тепловой инерции (постоянной времени), значения которого лежат в пределах от десятков секунд до единиц минут. Постоянная времени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивления может быть уменьшена до 0,1 с.
Находят применение также никелевые термометры сопротивления. Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только до температур не выше 100 °С, температурный коэффициент сопротивления никеля в этом диапазоне равен 6,9*10-3(°С)-1.
Медные и никелевые терморезисторы выпускают также из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, высокостабильны, малоинерционны и при малых габаритных размерах могут иметь сопротивления до десятков килоом.
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (рис. 3.1).
Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 °С составляет (2-8)*10-2(°С)-1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца).
Термисторы имеют линейную функцию преобразования, которая описывается следующей формулой:
Rt = AeB/T,
где Т - абсолютная температура, А - коэффициент, имеющий размерность сопротивления, В - коэффициент, имеющий размерность температуры.
Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве, является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого).
Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от - 100 до 200 °С.
Измерительная схема с участием термопреобразователей сопротивления чаще всего является мостовой; уравновешивание моста осуществляется с помощью потенциометра. При изменении сопротивления терморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра, положение которого относительно шкалы формирует показание прибора; шкала градуируется непосредственно в единицах температуры. Недостатком такой схемы включения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность; поскольку из-за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна, применяют трехпроводную схему включения проводов, при использовании которой сопротивления подводящих проводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительно уменьшается.
На рис.3.2 приведены схемы соединений внутренних проводников ТС с ЧЭ и их условные обозначения.
При использовании схемы 2 (двухпроводная схема) сопротивление соединительных проводов ТС не должно превышать 0,1 % номинального значения сопротивления термопреобразователя при 0°С. В двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавлено сопротивление соединительных проводников, что приводит к сдвигу характеристики при 0°С и уменьшению W100.
На практике эта проблема решается за счет измерительного прибора, к которому подключается ТС, путем задания соответствующих корректировок по смещению и наклону характеристики.
Термопреобразователь с двухпроводной схемой подключения внутренних проводников может подключаться к прибору по трехпроводной схеме с использованием трехжильного кабеля.
При использовании термопреобразователей сопротивления с трехпроводной схемой подключения, прибор автоматически вычитает из сопротивления полной цепи сопротивление соединительных проводов. Сопротивление внутренних проводов и жил кабеля при этом должны быть между собой одинаковы.
Если входная электрическая схема прибора представляет собой мост, в одно плечо которого подключается ТС, то достаточно, чтобы были одинаковы сопротивления двух проводов: 1 и 2.
Наиболее точные ТС имеют четырехпроводную схему подключения. Для этой схемы не требуется равенство в сопротивлениях проводников. Каждый конкретный тип термопреобразователя имеет свой более узкий по сравнению с приведенным в таблице основных характеристик диапазон измеряемой температуры. Это связано с технологией сборки ТС и применяемыми при этом материалами.
Необходимо помнить, что для точного измерения температуры вся погружаемая часть ТС должна находиться в измеряемой среде.
На рис.3.4. показана одна из конструкций термопреобразователя сопротивления.
Платиновая проволока 1 намотана бифилярно на слюдяной каркас 2, на котором имеются мелкие зубцы. Для изоляции провод закрывается с обеих сторон слюдяными пластинами 3. Для улучшения условий теплообмена чувствительного элемента со средой применяются пластинки 4 С-образного сечения из фольги. Пластинки 2, 3 и 4 скрепляются и плотно вставляются внутрь кожуха 5. Выводы выполняются из серебряной ленты или проволоки и вьюодятся в клеммную коробку 7. С помощью гайки 6 термометр сопротивления крепится к корпусу.
Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термоЭДС E(t) и E(to), зависящие от температур этих спаев t и to. Так как эти термоЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, равна E(t) - E(to).
При равенстве температур обоих спаев результирующая термоЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а второй спай - свободным.
У любой пары однородных проводников значение результирующей термоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термоЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 °С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.
Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от -200 до 2200 °С. Для измерения температур до 1100 °С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 °С - тер-мопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур - термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).
Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.
При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрическогго преобразователя. Так, например, функция преобразования медьконстантановых термопар в диапазоне температур от -200 до 300 °С с погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирической формулой
Е = At2 + Bt + С,
где А, В и С - постоянные, определяемые путем измерения термоЭДС при трех известных температурах, t - температура рабочего спая при °С.
Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит в пределах 5-20 секунд и ниже.
Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термоЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термоЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит.
Как указано выше, при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, а следовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, температура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.
Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0-150 °С ту же термоЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина - платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термоЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0-150 °С. Для термопары хромель - алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель - копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.
В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 °С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 °С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 °С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.
На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 °С, мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 °С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термоЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары, полной компенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенно уменьшается.
В лабораторных условиях для точного измерения термоЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием.
Пирометры
Серьезным недостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры - бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел.
Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени и приходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения).
Законы температурного излучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой:
Ra = Aa-5(eB/(aT) - l)-1,
где a - длина волны, Т - абсолютная температура, А и В - постоянные.
Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов.
Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 °С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.
В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. ТермоЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела.
Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры.
Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 °С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя
(фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью.
Напряжение накала лампы (или положение оптического клина) характеризует температуру нагретого тела; для сравнения интенсивностей излучения лишь в узком диапазоне спектра используется специальный светофильтр.
Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.
Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 до °С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами.
Подобные документы
Характеристика одно- и двухканального уровнемера жидкости ВК1700. Датчики уровня (первичные преобразователи) ВК1700. Системы измерительные гамма для объемного учета жидкостей на базе контроллера ГАММА-10. Сигнализатор уровня ультразвуковой СУР-6.
курсовая работа [662,7 K], добавлен 01.10.2011Емкостные датчики измерения влажности: требования и функции. Технические характеристики датчика измерения температуры. Устройство и принцип работы датчиков измерения качества воздуха, основные требования в соответствии с условиями их эксплуатации.
реферат [968,1 K], добавлен 17.06.2014Описание электрической принципиальной схемы усилителя сигнала датчика. Разработка конструкции печатной платы: расчет площади, типоразмер и размеры краевых полей. Расчет минимальной ширины проводника. Расчет надежности блока по внезапным отказам.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 07.07.2012Изучение устройства температурного датчика на основе термопары. Принцип работы металлических тензодатчиков веса (силы). Микросенсоры расхода газа (жидкости), их технические характеристики. Уравнение пироэлектрического эффекта. Способы измерения ускорений.
доклад [977,7 K], добавлен 18.03.2013Разные шкалы и средства измерения температуры. Принцип действия оптической пирометрии как метода измерения температуры. Основные понятия и термины, связанные с влажностью воздуха. Виды гигрометров (датчики влажности), принципы и особенности их работы.
курсовая работа [664,8 K], добавлен 24.10.2011Проектирование устройства, измеряющего температуру в помещении. Выбор датчика температуры, микроконтроллера и отладочной платы. Изучение работы встроенного датчика температуры. Разработка программного обеспечения. Функциональная организация программы.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 26.12.2013Измерительные информационные системы (ИИС) являются симбиозом аппаратных средств и алгоритмов обработки измерительной информации. Рассмотрение различных первичных измерительных преобразователей (датчиков) в ИИС. Классификационные признаки датчиков.
контрольная работа [440,1 K], добавлен 20.02.2011Принцип измерения мощности инфракрасного излучения бесконтактными датчиками температуры. Преимущества терморезистивных термодатчиков. Функции, достоинства пирометров. Технические характеристики современных датчиков температуры отечественного производства.
курсовая работа [771,5 K], добавлен 15.12.2013Последовательность и методика разработки датчиков расстояния и касания. Принцип работы поверяемых датчиков и образцовых приборов (микрометра или индикатора часового типа ИЧ-25). Соотношение показаний поверяемого датчика. Обработка результатов измерений.
дипломная работа [947,7 K], добавлен 10.07.2012Разработка линеаризатора сигнала первого датчика с гладкой и кусочно-линейной аппроксимацией. Определение величины устройства выделения постоянной составляющей из сигнала второго датчика. Разработка аналого-цифрового преобразователя; селекторы сигналов.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 18.02.2011
