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.