Современные интеллектуальные датчики. Принципы измерения

Ротаметры и их характеристики

     Эти приборы используют наиболее простой и дешевый метод измерения объемного расхода газа и жидкости, который заключается в перемещении под влиянием потока вещества поплавка (конической или другой близкой формы) внутри вертикально расположенной цилиндрической трубы, либо цилиндрического или близкого к цилиндру по форме поплавка внутри вертикально расположенной конической трубы. Газ или жидкость движется вверх по трубе, вынуждая поплавок подняться на определенную высоту и образовать такой кольцевой зазор между ним и стенками трубы, при котором все силы, действующие на поплавок, уравновесятся. Указанными силами являются: сила гравитации; выталкивающая сила, постоянная при неизменной плотности среды; динамический напор потока вещества, зависящий от его расхода. Каждое положение поплавка соответствует определенной величине расхода вещества. В зависимости от формы поплавка его показания более или менее чувствительны к изменениям параметров измеряемой среды, но такая зависимость всегда существует и поэтому шкала ротаметра рассчитывается с учетом всех влияющих на показания параметров измеряемой среды: плотности, вязкости, давления и температуры. Занятое поплавком положение, характеризующее объемный расход, передается во внешнюю среду магнитным или индукционным способом. Данный метод измерения достаточно прост и надежен; прямые участки трубы до и после ротаметра либо очень короткие, либо совсем не требуются; потери давления на ротаметре достаточно малы.

Датчики массового расхода.

Принципы  измерения массового  расхода

     Все рассмотренные в предыдущем разделе  датчики объемного расхода могут использоваться и для расчета массового расхода: для этого микропроцессорный вычислитель датчика должен умножить полученный объемный расход на заранее заданную, известную или специально замеряемую отдельным датчиком плотность измеряемой среды. В этом разделе рассматриваются датчики, которые имеют своим выходом массовый расход.

Расходомеры по перепаду давления

     Достаточно  простой и привычный принцип действия: измерение перепада на встроенном в трубопровод сужении. Практически датчики данного типа имеют два или три сенсора: сенсор перепада давления, сенсор статического давления (нужен только, если измеряемая среда – газ или пар) и термометр сопротивления. В качестве сужения, на котором измеряется перепад давления, используется любое из типовых видов сужения. По известной формуле преобразователь датчика определяет объемный расход газа (по данным трех сенсоров) или объемный расход жидкости (по данным двух сенсоров), а затем по заданной плотности измеряемой среды пересчитывает объемный расход в массовый.

Кориолисовы расходомеры

     Принцип действия расходомера - эффект Кориолиса, который в расходомерах реализован по следующей обобщенной схеме. В трубопровод вставляется труба прибора, изогнутая, например, в виде полуовала или другой фигуры и закрепленная в корпусе трубопровода своими концами. С одного конца трубы прибора вещество втекает в нее, затем оно, проходя по трубе, делает изгиб на 180 градусов и вытекает из другого конца трубы в направлении, противоположном входу в трубу. Труба прибора приводится в поперечные колебания электромагнитной катушкой, расположенной в центре изгиба трубы. Колебания трубы аналогичны колебаниям камертона. Измеряемая среда, протекающая через трубу, вместе с ней совершает вертикальные колебания. Когда во время первой половины цикла колебания труба движется вверх, то втекающая в нее среда, сопротивляясь этому движению, давит на трубу вниз. Этот силовой вертикальный импульс поглощается при движении среды вокруг изгиба трубы. В это же время вытекающая из трубы измеряемая среда сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения трубы и толкает трубу вверх. Это приводит к закручиванию трубы. Когда во время второй половины цикла колебания труба движется вниз, то силовые импульсы измеряемой среды противоположны и труба закручивается в противоположную сторону. Этот эффект закручивания трубы носит название эффекта Кориолиса. По второму закону Ньютона угол закручивания трубы прибора пропорционален массе среды, проходящей через трубу в единицу времени. Измерение этого угла закручивания происходит следующим путем. С противоположных концов трубы прибора устанавливаются электромагнитные детекторы скорости колебаний трубы. При отсутствии потока через трубу она не закручивается и между сигналами детекторов нет временной разницы. При наличии потока через трубу она закручивается и при этом возникает разность во времени в поступлении двух сигналов по скорости. Измеряется величина этой разности, которая прямо пропорциональна массовому расходу через трубу прибора.

Тепловые  расходомеры.

     Принцип действия тепловых расходомеров основан на эффекте охлаждения нагретого тела, помещенного в газовый поток. В газовый поток помещаются два сенсора - термосопротивления. Одно из них используется как обычный измеритель температуры газового потока, а другое нагревается проходящим через него током. Сам принцип измерения расхода может реализоваться разными путями. При первом пути ток изменяется так, чтобы разность температур между этими двумя термосопротивлениями сохранялась постоянной. Чем большая масса в единицу времени протекает через нагреваемый сенсор, тем сильнее будет охлаждающий эффект и тем больший ток потребуется для сохранения постоянным разности температур между сенсорами. Измеряемое значение этого тока будет пропорционально массе продукта, протекающего по трубопроводу в единицу времени. При втором пути ток, нагревающий термосопротивление, сохраняется постоянным во времени, а измеряется разница температур между не нагреваемым и нагреваемым термосопротивлениями, которая является функцией массы протекающего продукта. 
 

Датчики плотности.

Принципы  измерения плотности

     Широко  используется определение плотности потока, протекающего в трубопроводе, массовыми расходомерами, основанными на принципе использования кориолисовой силы, которые измеряют плотность как дополнительную характеристику измеряемой среды. Одним и тем же сенсором прибора: вибрирующей трубкой, закрепленной на одном конце, определяются:

-по ее  углу закручивания вокруг своего изгиба (по эффекту Кориолиса) - массовый расход;

-по частоте  резонансных колебаний трубки - плотность проходящего через нее потока.

     Трубка  такого прибора выполнена, например, в виде полуовала с жестко закрепленными концами, находящимися со стороны обреза полуовала, и свободно висящей с другой стороны полуовала трубкой. Такая конструкция, или подобная ей по принципу закрепления трубки, механически является пружиной с массой, которая закреплена на одном конце. Трубка прибора приводится в движение электромагнитной катушкой, расположенной в центре изгиба ее полуовала (у незакрепленного участка трубки). Возникающие колебания трубки подобны колебаниям камертона, она колеблется со своей резонансной частотой (амплитуда менее 1 мм, а частота порядка десятков гц).

     Резонансная частота колебаний трубки является функцией массы самой трубки и находящейся в ней измеряемой среды. Масса самой трубки является постоянной величиной, а масса среды в трубке равняется произведению ее плотности на объем трубки, последний также является постоянной величиной. Таким образом, частота резонансных колебаний трубки однозначно определяется плотностью среды в трубке прибора. Эта частота определяется самой электромагнитной катушкой, а возникающие при изменении температуры измеряемой среды изменение модуля упругости материала трубки учитывается специальным добавочным температурным сенсором, включенным в состав прибора (обычно им является термометр сопротивления). Таким образом, кориолисов массовый расходомер дает три выходных сигнала, характеризующих массовый расход протекающего через него потока, плотность этого потока и его температуру. Кроме того, выпускаются отдельные приборы – плотномеры жидкостей и газов, которые измеряют плотность как в потоке (в трубопроводе), так и в неподвижной среде (в емкости). Распространенным принципом действия плотномеров является тот же принцип резонансных вибраций, который принят при измерении плотности в кориолисовых расходомерах. В измеряемую среду вставляется виброэлемент (типа камертона), резонансные колебания которого поддерживаются возбуждающей силой. Частота этих колебаний определяется колебательной массой, окружающей виброэлемент, которая в свою очередь пропорциональна плотности этой массы. Для измерения плотности жидкости в резервуарах применяют также измеритель дифференциального давления. В резервуаре по его вертикали закрепляют две дистанционные разделительные трубки с мембранами на концах. Эти мембраны разнесены по вертикали резервуара на фиксированное расстояние от 0,5 до 1,0 м. Вторые концы разделительных трубок подведены к датчику дифференциального давления, который таким образом измеряет перепад давления между фиксированными уровнями жидкости по высоте резервуара. Получаемый на выходе сенсора сигнал, определяющий разность давления, пропорционален удельному весу жидкости, т. е. ее плотности. 

Датчики температуры разных производителей

Виды  датчиков температуры

     При необходимости измерять температуру  в диапазонах внутри -200 - +850 гр. С обычно применяют термометры сопротивления разных типов, в которых используется эффект изменения электрического сопротивления металла от его температуры. Никелевые термометры сопротивления имеют диапазон изменения температуры -60-+180 гр. С, медные термометры сопротивления имеют диапазон изменения температуры -360-+220 гр. С, платиновые термометры сопротивления имеют диапазон изменения температуры -200-+850 гр. С. Погрешность термометров сопротивления

лежит в пределах 0,1 — 4,6 гр. С (более высокое значение погрешности при

измерении более  высоких температур). Для измерения температуры в диапазонах внутри 0 -+1800 гр. С применяют разные типы термопар. Точность измерения у термопар несколько ниже, чем у термометров сопротивления и достаточно существенно зависит от температуры холодного спая термопары. Ввиду этого в преобразователе обычно производится компенсация температуры холодного спая. Сами используемые повсеместно общепромышленные температурные чувствительные элементы: термопары и термометры сопротивления подверглись за последние годы наименьшим изменениям. В зависимости от свойств измеряемой среды и конструктивного места помещения в ней чувствительного элемента, термопары и термометры сопротивления размещаются в разнообразных корпусах, варианты которых предлагают производители. Корпуса могут быть существенно разными по размерам, быть жесткими и гибкими, иметь различные способы крепления к конструкции объекта измерения, быть стойкими к химической агрессивности и абразивности среды, иметь гигиеническое исполнение, отличаться по динамическим свойствам и т. п..

     Интеллектуальные  датчики температуры, независимо от типа используемого в них чувствительного элемента, подразделяются на два класса:

-точечные  датчики - производят измерение  в одной точке объекта;

-многоточечные  (многозонные) датчики - имеют  в своем составе от нескольких до более десятка температурных чувствительных элементов и применяются для измерения профиля температуры в объекте или определения определенных функций от ряда температурных сенсоров (например, средней температуры объекта).

Преобразователь интеллектуального температурного датчика, обычно, как минимум, получает текущие данные от всех чувствительных элементов датчика, производит усиление милливольтных сигналов чувствительных элементов, линеаризацию показаний, компенсацию температуры холодного спая термопары, заданные вычислительные операции с измеренными данными (особенно существенные при использовании в датчике ряда температурных элементов), преобразование сигналов в типовые аналоговые и цифровые выходные данные, обмен информацией с типовыми полевыми сетями. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

     Сопоставим  современные интеллектуальные датчики  с обычными, традиционными датчиками.

1.Технические  особенности использования современных  интеллектуальных датчиков:

1.1.Резкое  уменьшение искажений измерительной  информации на пути от датчика  к контроллеру, т. к. вместо  низковольтного аналогового сигнала  по кабелю, соединяющему датчики с контроллером, идут цифровые сигналы, на которые электрические и магнитные промышленные помехи оказывают несравнимо меньшее влияние.

1.2.Увеличение  надежности измерения за счет  самодиагностики датчиков, т. к.  каждый датчик сам оперативно сообщает оператору факт и тип возникающего нарушения, тем самым исключая использование для управления некачественных и/или недостоверных измерений.

1.3.Возможность  использования принципов измерения,  требующих достаточно сложной вычислительной обработки выходных сигналов сенсора, но имеющих ряд преимуществ перед традиционно используемыми принципами измерения по точности, стабильности показаний, простоте установки и обслуживания датчика в процессе его эксплуатации.

1.4.Возможность  построения мультисенсорных датчиков, в которых преобразователь получает и перерабатывает сигналы ряда однотипных или разнотипных чувствительных элементов.

1.5.Возможность  проведения всей необходимой  первичной переработки измерительной информации в датчике и выдачи им искомого текущего значения измеряемой величины в заданных единицах измерения.

1.6.Возможность  передачи в систему автоматизации  не только текущего значения измеряемой величины, но и добавочных сигналов о выходе его за пределы заданных норм, а также возможность передачи по сети не каждого текущего измеряемого значения, а только изменившегося по сравнению с предыдущим значения, или вышедшего за пределы заданных норм значения, или значения, требующего управляющего воздействия.

1.7.Наличие  в датчике базы данных для  хранения значений измеряемой величины за заданный длительный интервал времени.

1.8.Возможность  дистанционно с пульта оператора  в оперативном режиме выбирать  диапазон измерения датчика.

1.9.Возможность,  путем программирования работы  датчика на достаточно простом  технологическом языке, реализовывать в нем простые алгоритмы регулирования, программного управления, блокировок механизмов.