Современные интеллектуальные датчики. Принципы измерения

     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.