Первичный преобразователь. Основные характеристики датчика. Требования к датчикам

Средство измерения, вырабатывающее сигнал в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не позволяющее наблюдателю осуществить непосредственное восприятие, называют измерительным преобразователем. Измерительные преобразователи являются составными частями приборов и измерительных систем. По месту, занимаемому в приборе, они бывают первичные, промежуточные и передающие. Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, к которому подводится измеряемая величина (среда); он установлен в измерительной цепи первым. Примерами первичных измерительных преобразователей могут служить: преобразователь термоэлектрический (термопара), сужающее устройство для измерения расхода. Первичные преобразователи часто называют датчиками.Промежуточным измерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем) называется элемент измерительного устройства, занимающий в измерительной цепи место после первичного преобразователя. Основное назначение промежуточного преобразователя – преобразование выходного сигнала первичного преобразователя в форму, удобную для последующего преобразования в сигнал измерительной информации для дистанционной передачи. Примером промежуточного измерительного преобразователя может служить мембранный блок дифманометра – расходомера. В измерительной цепи измерения расхода он занимает место непосредственно после сужающего устройства и преобразует перепад давления на сужающем устройстве в соответствующее перемещение мембраны мембранного блока и связанной с нею механической системой прибора. Передающим измерительным преобразователем (или сокращенно передающим преобразователем) называется элемент измерительного устройства, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Примером передающего преобразователя могут служить разные электрические или пневматические преобразователи, встраиваемые в дифманометры – расходомеры. С их помощью, например, перемещение мембраны, изменяющее положение сердечника дифференциального трансформатора дифманометра, преобразуется в выходной унифицированный сигнал постоянного тока 0…5 мА (электрический преобразователь).В последнее время в связи с применением в измерительной технике различных ЭВМ и микропроцессоров получают распространение аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Первые – служат для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, изменяющиеся дискретно во времени с постоянным шагом; вторые – для преобразования дискретных по времени сигналов в аналоговые. В теплотехнических измерениях чаще всего применяют АЦП.

Чувствительный элемент – элемент измерительного преобразователя, находящийся под непосредственным воздействием измеряемой или регулируемой величины. В промышленных условиях в качестве чувствительных элементов применяют плоские и гофрированные упругие мембраны, гармониковые мембраны (сильфоны), трубчатые пружины, поплавки, биметаллические пластины и другое.Условно измерительный прибор конструктивно можно разделить на три самостоятельных узла: датчик, измерительное устройство и указатель (или регистратор), которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяться между собой кабелем или другой линией связи, которым передаются результаты измерений от преобразователя ко вторичному прибору (рис. 2.1).

Измерительное устройство

Указатель

Датчик

Рис. 2.1. Простейшая функциональная схема измерительного прибора

Главным элементом измерительного прибора является первичный измерительный преобразователь или датчик. В САК датчик называют первичным прибором. Он соединяется линией связи со вторичным прибором, объединяющим измерительное устройство и указатель. Вторичные приборы применяют для передачи, обработки, хранения информации. Один и тот же вторичный прибор может использоваться для контроля нескольких параметров.Датчики являются одним из основных функциональных элементов всякой системы контроля. Их свойства и характеристики часто во многом определяют работу САК в целом.

Государственная система промышленных приборов.
Стандартизация и унификация средств автоматизации Большим достижением в области развития приборостроения явилось создание единой Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП).Государственная система приборов и средств автоматизации представляет собой сочетание максимально унифицированных блоков, приборов, элементов и устройств с широким диапазоном возможностей – отосуществления автоматического контроля и регулирования отдельных процессов до решения задач комплексной автоматизации, предусматривающих использование новейших средств вычислительной техники. В соответствии с разработанными принципами, ГСП предусматривает единую классификацию средств контроля и управления; унификацию входных и выходных сигналов, параметров питающих устройств; введение единого ряда требований к точности технических средств, надежности, условия.

Введение ГСП вызвано экономическими, техническими и эксплуатационными соображениями. Переход от огромного числа (более 10000 типов) индивидуальных приборов, каждый из которых имел свои специфические особенности, позволил унифицировать приборы и организовать их массовое производство.Унификация приборов по техническим характеристикам позволила реализовать блочно-модульный принцип построения систем автоматизации технологических процессов, существенно упрощающий их проектирование, монтаж и наладку, снижающий эксплуатационные затраты. Основу блочно-модульного построения систем автоматизации составляет принцип унификации выходных сигналов. Применение принципа унификации выходных сигналов обеспечивает взаимозаменяемость, типизацию конструктивных решений и гибкость комплектации систем автоматизации. Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме представления информации.

По виду носителей информации приборы ГСП можно разделить на две группы:

1. Энергетическую. В рамках энергетической группы (энергии) носителя сигналов приборы ГСП делятся на ветви: электрическую: токовую (выходной сигнал – постоянный ток 0…5 и 0…20 мА), частотную (выходной сигнал – частота 1500…2500 Гц); пневматическую (выходной сигнал – давление сжатого воздуха 20…100 кПа). Развитие пневматической ветви ограничивается относительно низкой скоростью преобразования и передачи пневматических сигналов;гидравлическую. Меньшее развитие получила гидравлическая ветвь средств ГСП; гидравлические средства применяются главным образом в котельных установках.Наиболее распространенной является электрическая ветвь приборов ГСП.

2. Вещественную. Вещественный вид носителей информации реализуется с дисков, бланков и т. д.

Классификация приборов связана с иерархической структурой изделий ГСП. Классификационная схема представлена в виде четырехуровневой системы (рис. 2.2), отображающей контур управления – от средств получения информации о технологическом процессе до средств воздействия на процесс.

Приборы нижнего уровня, средства получения информации о процессе (датчики) и воздействия на процесс (управляющие органы) непосредственно взаимодействуют с технологическим процессом.

На втором уровне размещаются средства автономного контроля и регулирования. В ряде случаев датчики и управляющие органы не отделимы от средств автономного контроля и регулирования, поэтому технологический объект управления (ТОУ) может быть связан непосредственно со вторым уровнем.

Третий уровень приборов ГСП включает в себя средства централизованного контроля и управления. Эти средства составляют основу автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). На четвертом уровне размещаются средства автоматизации управления, входящие в состав автоматизированных систем управления (АСУ) и предназначенные для управления организационно-экономическими процессами.

По функциональному признаку приборы ГСП делятся на четыре группы.

К первой группе относятся устройства, обеспечивающие получение информации о состоянии технологического объекта управления. Это датчики, нормирующие устройства, формирующие унифицированный сигнал, анализаторы, реагирующие на определенные значения измеряемых параметров и выдающие дискретные сигналы, устройства формирования и передачи по каналам связи алфавитно-цифровой информации.

Во вторую группу входят приборы, обеспечивающие преобразование информации о состоянии ТОУ – преобразователи сигналов и кодов, коммутаторы измерительных цепей, устройства телеизмерения и телесигнализации.

Третья группа содержит приборы, осуществляющие хранение и обработку информации с формированием управляющих воздействий. Приборы этой группы – функциональные и операционные преобразователи, анализаторы сигналов, запоминающие устройства, задатчики, регуляторы, микропроцессоры и управляющие вычислительные системы.

В четвертую группу входят устройства выдачи управляющей информации, обеспечивающие исполнение команд, – электрические, гидравлические и комбинированные исполнительные механизмы.

 

Тема 3.2. Системы автоматического контроля. Методы и средства для измерения давления, температуры, объема и массы, расхода, уровня жидкости в резервуарах и технологических аппаратах. Измерение вязкости.

МЕТОДЫИПРИБОРЫДЛЯИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Приборы для измерения температуры вещества основаны на изменении его свойств при изменении температуры и классифицируются: По изменению объёма тела                    - термометры расширения;По изменению линейного размера        - дилатометры;По изменению давления рабочего вещества в замкнутой камере - манометрические термометры. По изменению электрического сопротивления:термометры сопротивления:(термометры из благородных металлов - платины; из неблагородных металлов и полупроводниковые термометры (термисторы).

1. Основанные на явлении термоэффекта - термопары.

2. Использующие оптические свойства вещества - оптические термометры или пирометры:радиационные пирометры;яркостные пирометры;цветовые пирометры.

3. Использующие прочие свойства вещества:шумовые термометры, использующие зависимость уровня шума от температуры (для измерения низких температур);резонансные термометры, использующие зависимость резо­нансной частоты от температуры;

Жидкостные термометры. Измерение температуры жидкостными термометрами различии коэффициентов объемного расширения материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в ней. Оболочка термометров изготовляется из специальных термометрических сортов стекла с малым коэффициентом расширения расширения основано на

Дилатометрические термометры. Принцип действия стержневого дилатометрического термометра основан на использовании разности удлинений трубки 1 и стержня 2 при нагревании вследствие различия коэффициентов их линейного расширения. Движение стержня передается стрелке прибора с помощью механической передачи 3.

 Стержневой дилатометрический термометр

 

Биметаллические термометры. Чувствительный элемент термометра (рис. 3.2) выполнен в виде спиральной или плоской пружины, состоящей из двух пластин из разных металлов, сваренных по всей длине. Внутренняя пластина имеет больший коэффициент линейного расширения, чем внешняя, поэтому при нагревании такая

 МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ Действие манометрических термометров основано на свойстве изменения давления вещества в замкнутом объёме под действием температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды - металлического термобаллона1, рабочего манометра 2 для измерения давления в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего изменившееся давление заставляет перемещаться стрелку по шкале манометра, отградуированного в градусах Цельсия.

Манометрические термометры подразделяют на три основные разновидности: жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жид­костью;конденсационные, в которых термобаллон заполнен частич­но жидкостью с низкой температурой кипения и частично - её насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр -насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной переда­точной жидкостью;газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

Термоэлектрические термометры. Данные измерительные устройства состоят из термоэлектрического преобразователя температуры – термопары, электроизмерительного прибора и соединительных проводов. В основе: термоэлектрический эффект, который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если места соединения (спая) нагреты до разной температуры.

Термометры сопротивления Электрическое сопротивление тел изменяется с изменением их температур. Эта особенность позволила создать устройства, называемые термометрами сопротивления. Чувствительным элементом термометра является тонкая металлическая проволока. Проволоку наматывают на каркас и заключают в защитную арматуру. Измеряя электрическое сопротивление такой проволоки, можно судить о температуре, до которой она нагревается.Термометрами сопротивления можно измерять температуру с передачей на значительное расстояние от места измерений.

Полупроводниковые термометрысопротивления (термисторы) изготавливаются из окислов различных металлов с добавками и используются для измерения температур в пределах отминус 90 до +180 °С. В отличие от металлических термометров сопротивления в этих термометрах происходит экспоненциальное уменьшение сопротивления при увеличении температуры, благодаря чему они обладают высокой чувствительностью. Преимуществами полупроводниковых термометров являются: более высокая чувствительность, большее номинальное сопротивление, меньшие габариты и инерционность. Недостатками полупроводниковых термометров сопротивления являются меньшая точность, нестабильность их характеристик во времени и отсутствие взаимозаменяемости.

Неконтактный метод измерения температуры В рассмотренных ранее термометрах (термометры расширения, термоэлектрические, сопротивления) предусматривается непосредственный контакт между их чувствительным элементом и измеряемой средой. Верхний предел таких контактных методов измерения ограничивается температурой 1800 °С. Для определения более высоких температур без непосредственного контакта термометров с измеряемой средой применяют пирометры. По принципу действия различают пирометры оптические (монохроматические) и радиационные (полного излучения).

Методы и средства измерения давления Давление – физическая величина, равная нормальной поверхностной силе, приходящейся на единицу площади. В зависимости от начальной точки отсчета одно и то же давление можно определить как абсолютное, избыточное, атмосферное, дифференциальное давление и вакуум. Все тела, находящиеся на земной поверхности, испытывают со всех сторон одинаковое давление - оно называется атмосферным. Измеряется, как правило, барометром и определяется как барометрическое давление. Абсолютное давление – полное давление с учетом давления атмосферы, отсчитываемое от абсолютного нуля. Рабс = Ризб + Ратм

Избыточное (манометрическое) давление – давление сверх атмосферного, равное разности между абсолютным и атмосферным давлением. Избыточное давление отсчитывается от условного нуля, за который принимается атмосферное давление. Вакуум (разрежение) – давление ниже атмосферного. Обычно определяется как избыточное давление прибором, измеряющим разность между неизвестным давлением и атмосферным. Дифференциальное давление – разность двух измеряемых давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды.В СИ за единицу давления принят паскаль (Па). Паскаль – давление силы в один ньютон на площадь в один квадратный метр (Па = 1 Н/м²).

Различают приборы давления в зависимости от измеряемой величины: барометры – для измерения барометрического (абсолютного) атмосферного давления; манометры – для измерения избыточного давления – положительной разности между абсолютным и барометрическим давлением; вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления; моновакуумметры – для измерения избыточного и вакуумметрического давления; напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры – для измерения небольших избыточных или вакуумметрических давлений до 40 кПа в газовых средах; дифференциальные манометры – для измерения разности двух давлений (перепада), ни одно из которых не является давлением окружающей среды.

По принципу действия приборы для измерения давления классифицируют следующим образом: жидкостные, в которых измеряемое давление (разрежение) уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты; пружинные, в которых измеряемое давление уравновешивается силой, возникающей за счет деформации различного рода упругих элементов. Пружинные приборы могут быть подразделены на приборы, в которых чувствительным элементом является одновитковая пружина, многовитковая пружина, мембрана и сильфон (гармониковая мембрана); грузопоршневые приборы, в которых сила, создаваемая измеряемым давлением уравновешивается силой, действующей на поршень определенного сечения. Эти приборы применяются в основном для лабораторных условий; электрические манометры, действие которых основано на зависимости электрических параметров манометрического преобразователя от измеряемого давления.

Жидкостные манометры Жидкостные (трубные) манометры отличаются простотой конструкции, небольшой стоимостью изготовления и относительно высокой точностью измерения, благодаря чему нашли широкое применение. Принцип действия этих манометров основан на уравновешивании измеряемого давления столба жидкости. Манометры выпускают нескольких типов: U-образные, однотрубные (чашечные), кольцевые, колокольные и поплавковые.Жидкостные U-образные манометры применяют для измерения небольших давлений и их перепадов.

Простейший жидкостной U-образный манометр состоит из U-образной стеклянной трубки, заполненной жидкостью,и прямолинейной миллиметровой шкалы (рис. 3.14, а). Шкала чаще всего бывает двусторонней, с нулевой отметкой посередине. Нижняя часть трубки заполнена до нулевой отметки. К одному концу трубки по гибкой резиновой или пластмассовой трубке подводится давление измеряемой среды. Под действием этого давления жидкость в одном колене трубки понижается, а в другом – повышается. Разность уровней, определяемая по шкале, показывает избыточное давление измеряемой среды. Погрешность отсчета показаний составляет ± 2 мм столба рабочей жидкости и не зависит от диаметра трубок.

Пружинные манометры Приборы для измерения давления, основанные на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемой величины. В качестве упругих чувствительных элементов этих приборов применяют мембраны, мембранные коробки, сильфоны, трубчатые пружины. Соответственно по этим принципам конструктивного исполнения выпускаются манометры одновитковыми трубчатыми пружинами; многовитковыми трубчатыми пружинами; плоскими мембранами;гармониковыми мембранами.

В сильфонных манометрах чувствительным элементом является гармониковая мембрана – сильфон, выполненный из упругого металла (нержавеющая сталь, томпак и другие сплавы).

Сильфонные манометры используют для измерения небольших давлений и вакуума и в качестве показывающих (индекс «П») и самопишущих (индекс «С») приборов.Чувствительным элементом прибора является гармониковая мембрана – сильфон 4,который представляет собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, изготовленную из высокопрочного сплава.

Сильфоны преобразуют измеряемое давление в тяговое усилие, перемещающее стрелку манометра. Один конец сильфона закреплен на жестком неподвижном основании 5, другой герметически закрыт. Давление подводят внутрь сильфона через основание. Если давление больше атмосферного, то длина сильфона увеличивается, вследствие чего стрелка 1 (или перо) прибора через систему рычагов 2движется по шкале 6.Пружина 3 увеличивает жесткость сильфона.Основная погрешность приборов находится в пределах ± 1,5 %.

 

Сильфонный манометр: 1 – стрелка; 2 – рычаги; 3 – пружина; 4 – сильфон; 5 – основание; 6 – шкала

Электрические манометры. Кроме первичных приборов давления и приборов со встроенными преобразователями (давление – перемещение – унифицированный электрический сигнал) существуют электрические приборы давления, в чувствительных элементах которых происходит прямое преобразование давления в электрический измерительный сигнал.Рассмотрим электрические манометры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления веществ от измеряемого давления. Их называют тензопреобразователями.

Тензопреобразователи изготавливают из полупроводников, платины, сплавов меди и никеля. В приборах давления их используют в качестве чувствительных элементов, механически соединенных с мембраной или пружиной прибора, которая деформируется под действием измеряемого давления. В качестве примера рассмотрим принцип действия манометра «Сапфир-22ДИ» (рис. 3.21). Он предназначен для измерения избыточного давления и состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 10.Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10.

Основное свойство тензорезисторов – способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя.Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреобразователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователяпередается от измерительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6.Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления.

Эти манометры предназначены для работы в системах автоматизации в качестве измерительных преобразователей давления или разрежения со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой и автоматическими регуляторами, работающими от стандартного электрического входного сигнала 0...5, 0...20 или 4... 20 мА постоянного тока.

Рис. 3.21. Мембранный манометр САПФИР-22ДИ: 1 – прокладка; 2 – основание;.3 –полость; 4 – измерительный блок; 5 – электронное устройство; 6 – гермовывод; 7 – мембранный тензопреобразователь; 8 – полость тензопреобразователя; 9 – фланец; 10 – мембрана; 11 – камера

Недостатки: необходимость индивидуальной градуировки и зависимость показаний прибора от температуры измеряемого объекта. Из-за последнего недостатка приходится вводить в измерительную схему приборов с тензопреобразователями устройства термокомпенсации.

Напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры используют для измерения малых давлений и разрежений: напоромеры – для избыточных давлений до 40 кПа, тягомеры – для малых разрежений (вакуума), тягонапоро­меры – для малых давлений и разрежений.

Мановакуумметры. Эти приборы служат для измерения избыточного и вакуумметрического давления. С правой стороны от нулевой отметки шкалы ведут отсчет избыточного давления, а с левой – вакуума.