Классификация датчиков

В общем виде чувствительность для термопреобразователя сопротивления определяется выражением

S = ARt/At,

при At стремящемся к нулю

S = &Rtfdt,

где d -- символ производной.

По табл. 5.1 погрешность ТС выражается в градусах (At). Она может быть выражена в единицах сопротивления AR, связанных с At (в градусах) через коэффициент преобразования:

AR = At * S.

Арматура ТС бывает двух исполнений: с головкой и без нее. В головке ТС имеются контакты, к которым подсоединяются выводные проводники от ЧЭ и сальниковый ввод для линии связи со вторичным устройством. Внутреннее устройство ТС с головкой представлено на рис. 5.4.

Выводные (от ЧЭ) проводники пропускаются через каналы керамического изолятора, все свободное пространство внутри арматуры засыпается керамическим порошком." В верхней части арматура герметизируется. В головке располагается сборка зажимов, к которой подсоединяются выводные проводники чувствительного элемента и провода внешней линии.

Одна из схем пирометра спектрального отношения представлена . ас. 9.6. Излучение от измеряемого тела 1 поступает в объектив 2 пирометра и затем на фильтр из фосфида индия 3, на котором световой поток частично отражается и через зеркало 4 направляется на кремневый фотоэлемент 5. Под влиянием света на фотоэлементе возникает фотоЭДС Ux. Другая часть светового потока частично пропускается фильтром 3, отражается от внутренней плоскости и через зеркало 6 направляется на фотоэлемент 7, на котором возникает фото ЭДС Ux. Эффективная длина волны отраженного фильтром 3 излучения составляет = 0,888 мкм, а длина волны излучения, прошедшего через фильтр 3, 1,034 мкм. Выходное напряжение U-K фотоэлемента 7 уравновешивается частью выходного напряжения фотоэлемента 5 на реохорде 8 компенсатора напряжений. Положение движка реохорда 8 пропорционально отношению Ux^/U}, т.е. пропорционально отношению спектральных энергетических яркостей Вох т /Вох т, определяемое цветовой температурой Гц измеряемого тела. Если, Ux не уравновешено на реохорде 8, то на вход усилителя 9 поступает сигнал, вращающий реверсивный двигатель 10, перемещающий движок реохорда 8 до наступления уравновешивания. В цепь фотоэлемента 7 дополнительно подается опорное напряжение к резистору 11 от стабилизатора. На рис. 9.7 представлена упрощенная блок-схема пирометра "Cm -с тропир", являющегося наиболее совершенным. В качестве приемников излучения используются германиевые и кремневые фотодиоды 1 и 2. Разделение поступающего от объекта потока излучения осуществляется светоделительным фильтром 3. Каждый из фотодиодов включен в свой измерительный канал с предварительными усилителями 4 и 5. Сигналы с обоих усилителей поступают в устройство преобразования УП, в котором производится вычисление отношения сигналов от фотодиодов. В УП размещены также блоки унифицированных сигналов (токовых или напряжения).

Метран-2700 - микропроцессорные термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом 4-20 или 20-4 мА предназначены для измерения температуры различных сред в газовой, нефтяной, угольной, энергетической, металлургической, химической, нефтехимической, машиностроительной, металлообрабатывающей, приборостроительной, пищевой, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности, а также в сфере ЖКХ и энергосбережения.

Отличительные особенности:

· гальваническая развязка входа от выхода

· самодиагностика технического состояния

· повышенная защита от индустриальных помех

· повышенная вибростойкость

· возможность выносного монтажа измерительного преобразователя на DIN рейке.

· Возможность широкого выбора и индивидуального заказа термопреобразователей с различными сочетаниями конструктивных элементов

· Возможность конфигурирования и настройки технических параметров с использованием программы Prog-Master

Вид взрывозащиты:

· искробезопасная электрическая цепь "ia"

· взрывонепроницаемая оболочка "d"

Межповерочный интервал:

· 2 года - для НСХ: N, 100П, Pt100, 50M, 100M

· 1 год - для НСХ: K, S, B

Инфракрасные датчики температуры или пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию. При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками от -45 С до +3000 С. Причем в диапазоне высоких температур инфракрасным датчикам нет конкуренции. Для измерения в различных диапазонах температур используются различные участки инфракрасного спектра. Так при низких температурах это обычно диапазон длин волн электромагнитного излучения 7 - 14 микрон. В диапазоне средних температур это может быть 3 - 5 микрон. При высоких температурах используется участок о районе 1 микрон. Однако и здесь есть свои особенности, связанные с решением конкретной задачи. Так для измерения температуры тонких полимерных пленок используются датчики, работающих на длинах волн 3,43 или 7,9 микрометров, а для измерения температуры стекла используют датчики, работающие в диапазоне 5 микрон. Для правильного измерения температуры необходимо еще ряд факторов. Прежде всего это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой: E = 1 - R, где Е - излучательная способность, R - коэффициент отражения. У абсолютно черного теля излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 - 0,95. Металлы, особенно полированные напротив имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 - 0,2. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательую способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 С металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 С. Корректировать излучательную способность можно определив ее для различных материалов по справочнику, либо измеряя температуру поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить необходимые поправки. Хорошие результаты при не очень высоких температурах дает окраска специальной термостойкой, черной краской измеряемой поверхности. Второй важной характеристикой инфракрасного датчика является оптическое отношение - это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области с которой эти измерения ведутся. Например, оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры составляет 1 метр. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение достигающие 300:1. Основные достоинства инфракрасных датчиков температуры: малое время отклика. Это самые быстродействующие датчики температуры. Возможность измерения температуры движущихся объектов. Измерения температуры в труднодоступных и опасных местах. Измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают. К достоинствам можно отнести то, что отсутствует непосредственный контакт с объектом и соответственно не происходит его загрязнения. Это может быть важно в полупроводниковой промышленности или фармацевтике.

Датчики расхода

Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных раеходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10~3 См/м (соответствует электропроводности водопроводной воды). Имеются специальные расходомеры, позволяющие измерять расход жидкостей с электропроводностью до 10~5См/м. В настоящее время электромагнитные расходомеры -- это самые распространенные приборы для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром менее 250 мм. Что объясняется их следующими положительными чертами:

• показания не зависят от вязкости и плотности среды;

в динамический диапазон достигает 100 и более;

• преобразователи расхода являются безынерционными;

® они не имеют частей, выступающих внутрь трубы, и, таким образом, не создают потери давления;

• влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем у других расходомеров, поэтому требуемая длина прямых участков для них минимальная; датчик приближение манометр температура

" электромагнитные расходомеры применяются на трубопроводах диаметром от 2 до 4000 мм;

в электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов затруднено или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов.

К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводности измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходомеров. Другой недостаток расходомеров -- низкий уровень информативного сигнала (мкВ) и необходимость тщательной защиты преобразователя и линий связи от внешних помех.

Отечественными и зарубежными фирмами выпускается широкий спектр микропроцессорных электромагнитных расходомеров: МР400 (ф. "Взлет"), ИПРЭ-1 (Арзамасский приборостроит. з-д), РМ-5 (ф. "ТБН"), РОСТ13, ТРЭМ-ПР (з-д "Молния"), ВИС. Т (ф. "Тепловизор"), РСМ-05 (ф. "ТЭМ-прибор"), VA 2305 (ф. Aswega),

Magne W 3000 PLUS (ф. Honeywell), IMT96 (ф. Foxboro), ADMAD (ф. Yokogawa), SITRANS FM (ф. Siemens) и др. Эти приборы помимо

цифровых показаний и токового выходного сигнала могут иметь импульсный выход, интерфейсы RS-232, RS-485, а в ряде случаев HART-, BRAIN- и Prafibus-протоколы.

Принципиальная схема первичного преобразователя электромагнитного расходомера показана на рис. 13.6, а. Рабочий участок трубы преобразователя 2, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2 (резиной, эмалью, фторопластом и т.п.), расположен между полюсами электромагнита. Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов.

В соответствии с законом электромагнитной индукции при осе- симметричном профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС

Е = BDu,

где В -- индукция магнитного поля; и -- средняя скорость жидкости; D -- длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы.

Учитывая, что и = 4G0/(tlD2), получаем:

Е = 4BG0/(nD), где Gq -- объемный расход.

Отсюда следует, что Е прямо пропорциональна объемному расходу. Измерение наведенной ЭДС осуществляется измерительным

Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа.

В последнее время используются две разновидности ультразвуковых расходомеров: расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа приборов-. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения Ах ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока, т.е. скорость ультразвука относительно стенок трубы зависит от скорости потока.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико- химических свойств последней: температуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде. Разность времен прохождения Ат равна 10-6... 10-7 с даже при скоростях потока 10... 15 м/с, причем измерять Ах нужно с погрешностью 10~8...10~9 с. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения сложных электронных. схем в сочетании с микропроцессорной техникой, обеспечивающих компенсацию влияния перечисленных факторов.

Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более широкое распространение благодаря следующим положительным чертам:

* значительному динамическому диапазону, достигающему 25--30;

" высокой точности измерения, составляющей ±(1;2) %:

• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий;

• широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений;

• малой инерционности;

• отсутствию потери давления;

• широкому диапазону температур (от -220 до 600 °С) и давлений.

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;

" влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;

• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;

• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3--4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;

• ограничения по минимальной скорости потока.

Все ультразвуковые расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, интерфейсы RS-232, RS-485, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивируется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять расход реверсивного потока.

Расходомеры по конструктивному исполнению подразделяются на одно- и двухканальные. В одно канальной схеме (рис. 14 Л, а) каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Для увеличения чувствительности ход луча в среде может быть увеличен применением рефлекторов (рис. 14.1, б). Чувствительность ультразвуковых преобразователей также растет с уменьшением угла, а между векторами скорости потока и и ультразвука с. В двухканальной схеме (рис. 14.1, в) каждый пьезоэлемент работает только в одном режиме -- излучателя или приемника. Двух какал ьные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической асимметрии обоих каналов.

Если расстояние между излучателем и приемником обозначить через L, то время распространения импульса по потоку можно записать в виде

tj = L!{c + uLcos а) = Ыс (1 + uLcos а/с),

где uL -- скорость среды, усредненная по длине пути луча от излучателя до приемника.

Время прохождения импульса против потока составляет

т2 - Ы(с - uLcos а) = Ыс (1 - uLcos ale)

Пренебрегая в знаменателе членом u~L cos а , получаем, что разность времен прохождения импульсов

Ат = т2 - I; = 2Lul cos а/с2.

Таким образом, показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости потока uL, усредненной по ходу луча, а не по диаметру трубы, что является характерной особенностью расходомеров с излучением по потоку. В то же время для определения объемного расхода требуется измерение скорости иср, усредненной по диаметру трубы. Для трубопроводов круглого сечения даже для осеси. м метричных потоков мср * uL и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.

Датчики ДРК-3 предназначены для измерения объема и расхода воды: питьевой, технической, речной, сточной, сильнозагрязненной (до 50% твердой фракции) в системах мелиорации, тепло- и водоснабжения и т.д. в полностью заполненных трубопроводах с внутренним диаметром от 80 до 4000 мм.

Приборы могут быть использованы как в технологических целях, так и для проведения расчетных операций (коммерческого учета). По согласованию с изготовителем датчики могут использоваться для измерения других сред - растворов солей, кислот, сильнозагрязненных жидкостей.

Использование интерфейса RS232 позволяет подключать приборы к компьютеру. Одним из основных достоинств прибора является быстрота настройки параметров, которая производится с помощью компьютера, к которому подключается прибор. В комплект поставки входят кабель для подключения к компьютеру и дискета с программным обеспечением.

Во время работы прибора в случае пропадания питания значения накопленного объема и времени наработки сохраняются в энергонезависимой памяти.

На светодиодах, расположенных на верхней панели прибора, отображается общее состояние работы прибора.

Поверка прибора осуществляется беспроливным способом с помощью имитационной установки ИР-ДРК.

Датчики имеют импульсный выходной сигнал (все исполнения), который может передаваться в виде импульсов тока или сниматься с выхода оптопары, а также выходной сигнал постоянного тока, пропорциональный мгновенному расходу (только ДРК-3В).

По виду выдаваемой информации приборы имеют 3 исполнения ДРК-3XX (где XX характеризуют исполнения А1, А2, Б1, Б2, В1, В2):

ДРК-3А - имеет только импульсный выход; за время между двумя импульсами по трубопроводу прокачивается заданный объем жидкости, именуемый ценою импульса;

ДРК-3Б - имеет наряду с импульсным выходом индикатор накопленного объема, мгновенного расхода и времени наработки;

Датчик расхода ДР8 с импульсным выходом, крыльчатый, сухого типа, применяется для дозирования в линиях розлива питьевой воды и для контроля текущего расхода. Устанавливается там, где требуется ротаметр, для контроля расхода. Может быть использован для контроля наличия потока в трубопроводе. Данные с датчиков снимаются на управляющий контроллер, который отображает всю информацию о расходе и управляет внешними устройствами (насосы, клапаны, УФ-лампы).

Защищен от срыва магнитного сцепления между крыльчаткой и счетным механизмом при резких гидравлических ударах;

Монтаж датчика возможен в горизонтальном и вертикальном положении;

Предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от +5 до +50 °С, и относительной влажности не более 80 %;

Установка осуществляется таким образом, чтобы датчик расхода находился в дали от источников мощных магнитных полей (электродвигатели, силовые трансформаторы и т.д.);

Для контроля датчик расхода могут быть использованы блоки: СЛ7-02 кондуктометр/расходомер, СЛ8-01 расходомер, СЛ8-02 расходомер;

По договоренности может быть изменен вид, конструкция датчика, разработаны дополнительные устройства управления и отображения, которые могут входить уже в сам датчик расхода или являться отдельным самостоятельным устройством.

ДРК-3В - имеет импульсный выход, индикатор накопленного объема, мгновенного расхода и времени наработки, а также токовый выходной сигнал 0-5 или 4-20 мА и встроенный источник питания, работающий от сети 220 В, 50 Гц.

Возможно исполнение ДРК-3В с токовым выходным сигналом без индикатора и с индикатором без токового выходного сигнала.

По диаметру трубопровода, в котором производится измерение, приборы имеют два исполнения:

ДРК-3X1 - предназначены для установки на трубопроводах с внутренним диаметром от 80 до 350 мм.

ДРК-3X2 - предназначены для установки на трубопроводах с внутренним диаметром более 300 мм.

Датчик приближения

Среди обширного ряда производимых систем промышленной автоматики у Autonics присутствуют индуктивные и конденсаторные датчики приближения.

Рассмотрим бесконтактные индуктивные датчики фирмы Autonics, которые объединены в семейства: PRD, PRW, PRA, PR.

Серия PRD

Серия PRD позиционируется как семейство датчиков с увеличенной активной зоной - зоной, величина которой прямо пропорциональна расстоянию переключения.

Индуктивные бесконтактные выключатели серии PRD

Датчики этой серии выпускаются двух типов: двух- и трехпроводные постоянного тока. Типовая точность 10%. Внутри серии как двухпроводные, так и трехпроводные исполнения имеют активные зоны по 4, 8, 7 и 14 мм.

Гистерезис выключателей серии PRD характерен и для других семейств - до 10%.

Напряжение питания лежит в стандартном диапазоне от 12 до 24 В (расчетное от 10 до 30 В). Ток холостого хода производитель гарантирует не выше 0,6 мА. Рабочие частоты: 450, 400, 250 и 200 Гц.

Для каждой рабочей частоты датчика с двухпроводным интерфейсом существуют свои зона чувствительности датчика (4, 8, 7 и 14 мм, соответственно) и размер чувствительной металлической пластины толщиной в 1 мм (12х12, 25х25, 20х20 и 40х40, соответственно). Датчики с трехпроводным интерфейсом имеют иной ряд рабочих частот: 500, 400, 300 и 200 Гц, соответственно перечисленным габаритам чувствительной пластины.

Выходной номинальный ток для трехпроводных датчиков - 200 мА, что в два раза превышает максимальный выходной ток двухпроводных, величина которого лежит в диапазоне от 2 до 100 мА.

Сенсоры серии PRD (как и представители других серий индуктивных выключателей Autonics) выполнены в корпусе со степенью защиты IP67. Вес датчиков разных моделей внутри серии колеблется от 42 до 145 грамм. Длина проводника с ответным разъемом стандартна для всей серии и составляет 300 мм.

Датчики серии PRD защищены от переполюсовки питания и оснащены светодиодным индикатором срабатывания.

Трехпроводные выключатели данной серии отличаются меньшим падением напряжения на датчике (1,5 В), большим номинальным током (200 мА) при близких частотах переключения.

Серия PRW

Отличительной чертой серии PRW является повышенная частота переключений по сравнению с PRD-исполнением.

Датчики серии PRW имеют расширенную линейку рабочих частот: 200, 400, 350, 500, 1000, 1500 Гц. Модели, работающие на 1; 1,5 кГц, требуют мишени с малыми габаритами - 8х8х1 мм.

Выходные токи для двух- и трехпроводных интерфейсов аналогичны серии PRD.

В данном семействе представлены двухпроводные модели сенсоров, питающиеся от сети переменного тока 100...240 В. Эти датчики обладают большей инерционностью (частота переключений 20 Гц), падением напряжения до 10 В и током холостого хода на уровне 2,5 мА. Датчики моделей PRW12-2AC/PRW12-2AO...PRW30-15AC/PRW30-15AO (литера А указывает на работу в сети переменного тока) могут встраиваться в бюджетные малопроизводительные системы автоматизации: инерционность окупается снижением затрат на сетевые преобразователи и большей помехоустойчивостью. Подключение нагрузки к датчикам такого типа схематически показано на рис. 6. Есть встроенная защита по напряжению.

Серия PRA

Датчики серии PRA разработаны для применений в области промышленной автоматики, где не исключено попадание брызг расплавленного металла от сварочного робота на металлизированную или пластиковую чувствительную поверхность, что может вызвать ложное срабатывание датчика, неверно указывая на обнаружение измерительной пластины.

Брызгоустойчивые датчики серии PRA (рис. 7) защищены тефлоновым покрытием, позволяющим избежать вышеописанной проблемы.

В целом по своим техническим характеристикам эта серия близка к PRD-исполнению, но она оснащена кабелем длиной 2 м (30 см вместе с разъемом в сериях PRD и PRW).

Метрика головок с датчиком: М12х1; М18х1; М30х1,5. Оконечный выходной разъем - М12х.

Оценить возможности датчиков серии PRA можно по таблице 4, где перечислены модели с двухпроводным интерфейсом. В целом это семейство обладает типовыми характеристиками для индуктивных выключателей Autonics.

Заключение

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления.

Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии -- на объекты иной природы, например, биологические.

Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.

Список литературы

1. Г.М. Иванова Теплотехнические измерения и приборы. Учебник для вузов: Издательство МЭИ, 2005. - 406с., ил.

2. Современные датчики. Справочник. ДЖ. ФРАЙДЕН Перевод с английского Ю.А. Заболотной под редакцией Е.Л. Свинцова ТЕХНОСФЕРА Москва Техносфера-2005

3. Датчики. Перспективные направления развития. Алейников А.Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. Изд-во НГТУ -- 2001.

4. Датчики в современных измерениях. Котюк А.Ф. Москва. Радио и связь -- 2006

5. ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения. раздел 3 "Термины и определения".

Размещено на Allbest.ru