Дипломная работа: Интеллектуальные датчики

Другим типом датчиков является датчик давления с чувствительным элементом в виде мембраны с закрепленными на ней тензодатчнками. Как правило, мембрана изготавливается из нержавеющей стали или другого стойкого металла. Тензодатчики обычно делают металлическими – из манганина или константана – или кремниевыми.

Относительно недавно стали широко использоваться датчики давления с мембраной из керамики, с пьезорезистивными датчиками. Датчики с такой мембраной имеют большую долговременную стабильность показаний и высокую устойчивость к перегрузкам давления. Развитие электроники позволяет в большей мере применять микропроцессорные технологии в системах обработки сигналов о датчиков давления, реализуя цифровые интерфейсы вывода информации с датчиков или их перестройку по диапазону. Датчики давления PF2057 производства IFM Electronic имеют керамическую фронтальную мембрану, позволяющую использовать их для измерения давления вязких сред и суспензий, а также в пищевой промышленности. Кроме токового выхода 4–20 мА датчик имеет пороговый транзисторный выход, светодиодный дисплей и может перестраиваться по диапазону в 4 раза.

Датчики состава газов применяются в химическом производстве для контроля за ходом технологического процесса, а также для мониторинга состояния атмосферы и обеспечения безопасности в производственных цехах и жилых помещениях.

Датчики, определяющие наличие и концентрацию взрывоопасных газов, таких как метан, пропан, водород, ацетилен, обычно используют каталитический принцип. В таких устройствах поверхность чувствительного элемента покрыта тонким слоем катализатора, в качестве которого может использоваться, например, платина, палладий или диоксид олова. Попадающий на слой катализатора газ окисляется кислородом воздуха и вызывает дополнительный нагрев этого слоя. Изменение температуры приводит к появлению электрического сигнала, который усиливается электронной схемой.

Датчики для определения концентраций токсичных газов, таких, например, как аммиак или сероводород, используют электрохимический принцип измерения. Газ поступает в измерительную ячейку, где под действием электрического тока происходит химическая реакция. Выбирая материал электродов и разделительной мембраны в измерительной ячейке, а также силу тока, можно добиться того, что в реакцию будет вступать только определенный газ, концентрацию которого необходимо измерить.

Третьим типом датчиков газа можно назвать ИК-датчики газа. Принцип измерений основан на поглощении газами определенных длин волн ИК-диапазона. Тот или иной газ поглощает лишь определенные длины волн и коэффициент поглощения пропорционален концентрации газа. ИК-датчики газа имеют ряд преимуществ, таких как долговременная стабильность, отсутствие чувствительности к другим газам, высокая точность. Несмотря на то что этот тип датчиков был разработан давно, его широкое применение сдерживалось высокой стоимостью оборудования. С появлением новых приемников и излучателей ИК-диапазона стоимость таких приборов приближается к стоимости обычных датчиков газа.

Вода. Датчики расхода, уровня жидкости, датчики анализа жидкости.

Электронные расходомеры можно четко разделить по принципу действия, причем каждый тип расходомеров имеет свои особенности и занимает соответствующую нишу на рынке.

Кориолисовы расходомеры используют физический принцип, открытый французским математиком Густавом Кориолисом, который показал, что при движении тела относительно вращающейся системы отсчета на него действует сила инерции. В кориолисовом расходомере расположены вибрирующие трубки, через которые идет поток жидкости. Частота вибрации пропорциональна массовому расходу жидкости. Этот тип расходомеров может работать как с жидкостями, так и с газами, и обеспечивает очень высокую точность измерений. Основной недостаток данных приборов - высокая стоимость.

Электромагнитные расходомеры используют принцип генерации электрического тока при движении проводника в магнитном поле. Из самого принципа ясно, что электромагнитные расходомеры измеряют расход только проводящих жидкостей. Однако высокая точность, устойчивость к тяжелым условиям эксплуатации, отсутствие перепада давлений и низкая стоимость приборов делает их незаменимыми там, где необходимо измерить расход воды или продуктов на водной основе. Электромагнитными расходомерами невозможно измерить расход непроводящих жидкостей, например нефтепродуктов, однако эти приборы хорошо подходят для измерения расхода вязких жидкостей или даже пастообразных веществ, например йогурта или творога в пищевой промышленности.

Ультразвуковые расходомеры используют ультразвук для измерения скорости потока жидкости или газа. Расход вычисляется путем измерения либо времени распространения ультразвука, либо изменения частоты ультразвуковых колебаний (эффект Доплера). Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расход как газов, так и жидкостей, независимо от их электропроводности.

Вихревые расходомеры используют принцип измерения расхода, основанный на том, что вокруг погруженного в поток жидкости тела появляются турбулентные завихрения, частота возникновения которых пропорциональна скорости потока. Вихревые расходомеры имеют среднюю точность измерений и не работают при слишком малых потоках жидкости. Однако эти приборы широко применяются, например, для измерения расхода пара.

Тепловые расходомеры измеряют перенос тепла потоком газа или жидкости от нагревателя к термочувствительному элементу. Тепловые расходомеры фиксируют массовый расход газов или жидкостей (в кг/час), как и кориолисовы датчики, в отличие от остальных, измеряющих объемный поток (в м3/час). Эти приборы имеют невысокую точность измерений, однако они могут работать при низких скоростях потока жидкостей или газов, где другие типы расходомеров неприменимы.

Земля. Датчики расстояния, наличия предметов, датчики положения и ориентации

Датчики расстояния, положения и наличия занимают центральное место в автоматизированных сборочных производствах, линиях по розливу и упаковке продуктов – то есть там, где необходимо определить наличие объекта или расстояние до него. Конкретный тип датчиков выбирается в зависимости от требований.

Индуктивные датчики определяют положение только металлических объектов. Причем, если ранние модели индуктивных датчиков были более чувствительными к деталям из железа и магнитных материалов, то в настоящее время выпускаются модели датчиков, имеющих одинаковую чувствительность как к черным, так и к цветным металлам. Совсем недавно появились и обратные датчики – чувствительные только к черным металлам. Например, модель IGC211 производства компании IFM Electronic. Такие датчики применяются, например, на конвейерах, где детали из латуни или дюраля не должны давать ложных срабатываний.

При необходимости определять положение неметаллических предметов выбираются емкостные, ультразвуковые или фотоэлектрические датчики. Емкостные датчики реагируют на изменения в электростатическом поле. Такие изменения вызывает практически любой предмет – будь то твердое вещество или жидкость. Однако расстояние, на котором работают емкостные датчики, невелико и составляет максимум 80 мм. Для измерения на больших расстояниях используются ультразвуковые датчики, измеряющих время, за которое ультразвук проходит расстояние от датчика до объекта и обратно.

Пожалуй, фотоэлектрические датчики наиболее разнообразны по своим характеристикам и сфере применения, однако их принцип работы одинаков. Излучаемый датчиком свет рассеивается, отражается или поглощается объектом, и эти изменения воспринимаются фотоприемником. Благодаря тому, что в последних моделях фотоэлектрических датчиков применяется микропроцессорная обработка сигнала, удалось воплотить новые функции приборов, среди которых – автоматическое обучение в процессе работы. Например, для того чтобы перенастроить датчики контрастных меток серии KT5G производства компании Sick нет необходимости останавливать технологическую линию, как это делалось ранее. Перенастройка прибора происходит в процессе работы. С другой стороны, многие функции датчиков, ранее доступные только для дорогих моделей, в настоящее время стали функционировать и в более дешевых изделиях. Примером тому являются датчики контрастных меток, стоимость которых снизилась в 2 - 3 раза.

интеллектуальный датчик преобразователь температура

3.1 Основные характеристики датчиков температуры

В этом разделе под термином датчик подразумевается преобразователь.

Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.

Перечислим основные из этих характеристик:

1. Функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины: y = f(x)

Зависимость представляется в именованных величинах: у – в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, х – в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры – Ом/°С или мВ/К.

2. Чувствительность – отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины: S = dy/dx

Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.

3. Порог чувствительности – минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.

4. Предел преобразования – максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования по крайней мере на 10 %.

5. Метрологические характеристики – определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств, применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.

Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики. Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из результатов измерения.

Основными видами систематических погрешностей являются:

-  погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры;

-  погрешности, обусловленные вариацией функции преобразования вследствие изменения направления действия входной величины (для датчиков температуры это нагрев-охлаждение);

-  погрешности, обусловленные несоответствием динамических возможностей датчика скорости воздействия входной величины. Может быть учтено введением коэффициента термической инерции;

-  дополнительные погрешности, обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобразования;

-  погрешности, обусловленные нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.

6. Надежность – рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.

7. Эксплуатационные характеристики – к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.

8. Стоимость и возможность серийного производства.

3.2 Основные типы полупроводниковых датчиков температуры

Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости. На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качестве полупроводниковых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, где изменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока, протекающего через полупроводниковый прибор.

Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь.

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от – 260 до 1100 °С. В диапазоне температур от 0 до 650 °С их используют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причем нестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 °С.

Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры определяется следующими формулами:

Rt = Ro(l + At + Bt2) при 0 < t < 650 °С;

Rt = Ro[l + At + Bt2 + Ct3(t – 100)] при – 200 < t < 0 °C,

где Rt – сопротивление терморезистора при температуре t, °С; Ro – сопротивление при 0°С; А = 3,96847*10-3 (0С)-1; В = -5,847*10-7(°С)-2; С = -4.22*10-12(0С)-4.

Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерений температур в соответствующем диапазоне.

Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры:

Rt = Ro(l + at) при -50 < t <180 °С,

где а = 4.26*10-3(°С)-1.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 °С. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.

Тепловая инерционность стандартных термометров сопротивления характеризуется показателем тепловой инерции (постоянной времени), значения которого лежат в пределах от десятков секунд до единиц минут. Постоянная времени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивления может быть уменьшена до 0,1 с.

Находят применение также никелевые термометры сопротивления. Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только до температур не выше 100 °С, температурный коэффициент сопротивления никеля в этом диапазоне равен 6,9*10-3(°С)-1.

Медные и никелевые терморезисторы выпускают также из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, высокостабильны, малоинерционны и при малых габаритных размерах могут иметь сопротивления до десятков килоом.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (рис. 3.1).

Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 °С составляет (2–8)*10-2(°С)-1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца).

Термисторы имеют линейную функцию преобразования, которая описывается следующей формулой:

Rt = AeB/T,

где Т – абсолютная температура, А – коэффициент, имеющий размерность сопротивления, В - коэффициент, имеющий размерность температуры.

Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве, является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого).

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от – 100 до 200 °С.

Измерительная схема с участием термопреобразователей сопротивления чаще всего является мостовой; уравновешивание моста осуществляется с помощью потенциометра. При изменении сопротивления терморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра, положение которого относительно шкалы формирует показание прибора; шкала градуируется непосредственно в единицах температуры. Недостатком такой схемы включения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность; поскольку из-за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна, применяют трехпроводную схему включения проводов, при использовании которой сопротивления подводящих проводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительно уменьшается.

На рис.3.2 приведены схемы соединений внутренних проводников ТС с ЧЭ и их условные обозначения.

При использовании схемы 2 (двухпроводная схема) сопротивление соединительных проводов ТС не должно превышать 0,1 % номинального значения сопротивления термопреобразователя при 0°С. В двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавлено сопротивление соединительных проводников, что приводит к сдвигу характеристики при 0°С и уменьшению W100.

На практике эта проблема решается за счет измерительного прибора, к которому подключается ТС, путем задания соответствующих корректировок по смещению и наклону характеристики.

Термопреобразователь с двухпроводной схемой подключения внутренних проводников может подключаться к прибору по трехпроводной схеме с использованием трехжильного кабеля.

При использовании термопреобразователей сопротивления с трехпроводной схемой подключения, прибор автоматически вычитает из сопротивления полной цепи сопротивление соединительных проводов. Сопротивление внутренних проводов и жил кабеля при этом должны быть между собой одинаковы.

Если входная электрическая схема прибора представляет собой мост, в одно плечо которого подключается ТС, то достаточно, чтобы были одинаковы сопротивления двух проводов: 1 и 2.

Наиболее точные ТС имеют четырехпроводную схему подключения. Для этой схемы не требуется равенство в сопротивлениях проводников. Каждый конкретный тип термопреобразователя имеет свой более узкий по сравнению с приведенным в таблице основных характеристик диапазон измеряемой температуры. Это связано с технологией сборки ТС и применяемыми при этом материалами.

Необходимо помнить, что для точного измерения температуры вся погружаемая часть ТС должна находиться в измеряемой среде.

На рис.3.4. показана одна из конструкций термопреобразователя сопротивления.

Платиновая проволока 1 намотана бифилярно на слюдяной каркас 2, на котором имеются мелкие зубцы. Для изоляции провод закрывается с обеих сторон слюдяными пластинами 3. Для улучшения условий теплообмена чувствительного элемента со средой применяются пластинки 4 С-образного сечения из фольги. Пластинки 2, 3 и 4 скрепляются и плотно вставляются внутрь кожуха 5. Выводы выполняются из серебряной ленты или проволоки и вьюодятся в клеммную коробку 7. С помощью гайки 6 термометр сопротивления крепится к корпусу.

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термоЭДС E(t) и E(to), зависящие от температур этих спаев t и to. Так как эти термоЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, равна E(t) – E(to).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термоЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а второй спай – свободным.

У любой пары однородных проводников значение результирующей термоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термоЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 °С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.

Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 °С. Для измерения температур до 1100 °С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 °С – тер-мопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрическогго преобразователя. Так, например, функция преобразования медьконстантановых термопар в диапазоне температур от –200 до 300 °С с погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирической формулой

Е = At2 + Bt + С,

где А, В и С – постоянные, определяемые путем измерения термоЭДС при трех известных температурах, t – температура рабочего спая при °С.

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит в пределах 5–20 секунд и ниже.

Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термоЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термоЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит.

Как указано выше, при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, а следовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, температура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.

Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0–150 °С ту же термоЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термоЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0–150 °С. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5