Дипломная работа: Интеллектуальные датчики

В некоторых случаях интеллектуальные интерфейсы могут поддерживать желаемые сетевые возможности, не требуя от технологии изготовления датчиков технической совместимости.

Интеллектуальный интерфейс объединяет функциональные возможности схем обработки сигналов и сетевых схем в единый интерфейс ИД. который служит промежуточным звеном между сетью и датчиком.

Микросенсорные кластеры.

Одиночные интеллектуальные датчики весьма полезны во многих ситуациях. Однако очень часто для реализации некоторых функции

требуется множество датчиков, В таких случаях необходима интеграция группы датчиков с несколькими вспомогательными компонентами. В результате появляется микропроцессорный кластер. Компоненты микропроцессорный кластера изображены на рис,2.1.Необходимы семь составляющих: несколько сенсоров, интерфейсная электроника, микроконтроллер или другие средства вычисления, (с ассоциированной памятью), средства передачи информации и, возможно, получения команд или новых программ, источник питания, печатная плата и корпус. Наряду с концепцией микропроцессорного кластера имеет место и другой распространенный подход к многосеннсорным системам. Многие серийные системы имеют узлы, включающие большинство означенных функций, но сенсоры связаны между собой, а не интегрированы

В ближайшем будущем сети датчиков будут развиваться по двум, направлениям. Во-первых, появятся сенсорные кластеры с большими функциональными возможностями, более компактные и с меньшим энергопотреблением. Во-вторых, станут доступными усовершенствованные средства беспроводной передачи данных.

Сверхзадача искусственного интеллекта датч1ош - увеличение сю срока службы в метрологическом исправном состоянии

В качестве определяющего признака ИД предполагают принять наличие избыточности, обеспечивающей восприятие и переработку дополнительной информации и на этой основе выполнение функций метрологического самоконтроля.

Способность метрологическому самоконтролю позволяет ИД осуществлять функции самокоррекций и обеспечения живучести.

Одним из определяющих признаков ИД состоит в выполнении им, помимо основной функции, функции автоматического метрологического самоконтроля - контроля метрологической исправности.

Для повышения эффективности проектирования интеллектуальных датчиков необходимо создание баз данных, касающихся:

1. физических и химических процессов в чувствительных элементах датчиков, порождающих рост опасных составляющих погрешности;

2. динамики изменения погрешности датчиков на многолетнем интервале с учетом условий их эксплуатации;

3.методов испытаний, позволяющих выявлять производственные источники роста погрешности датчика

4. методов организации метрологического диагностического самоконтроля.

Интеллектуальные датчики - стратегическое направление в измерительной технике, гарантирующее значительный экономический эффект.

2.2 Устройство и работа некоторых современных датчиков

Устройство и работа датчиков «Сапфир-22МП»

Электронный блок ЭБ датчика смонтирован на одной плате, размещенной в корпусе прибора. Структурная схема электронного блока представлена на рис. 2.3.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует выходное напряжение тензопреобразователя ТП в цифровой код. При этом обеспечивается исключение влияния тока питания ТП на результат преобразования и осуществляется эффективное подавление помех (в первую очередь промышленной частоты). АЦП управляется микропроцессором МП и имеет встроенную систему автоматической коррекции погрешностей. Кроме того, АЦП преобразует в код сигнал с ТП, несущий информацию о температуре. Этот код используется для автоматической цифровой коррекции температурных погрешностей измерительного блока, АЦП и цифроаналогового преобразователя ЦАП.

Микропроцессор МП управляет работой всех узлов электронного блока с учетом индивидуальных характеристик измерительного блока. Он производит коррекцию нелинейности функции преобразования и коррекцию температурных погрешностей всех звеньев датчика. Индивидуальные параметры звеньев, а также параметры требуемой функции преобразования датчика записываются и хранятся в запоминающем устройстве ЗУ. Записанные данные сохраняются при отключении энергопитания, поэтому при включении питания датчик сразу готов к работе. Скорректированный код передается в ЦАП, где преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5