Классификация датчиков

Введение

 

Датчик, сенсор (от англ. sensor) -- термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал. [1]

В настоящее время различные датчики широко используются при построении систем автоматизированного управления.

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик -- устройство управления -- исполнительное устройство -- объект управления. Специальный случай представляет использование датчиков в автоматических системах регистрации параметров, например, в системах научных исследований.

Широко встречаются следующие определения:

• чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например -- пневматический сигнал;
• законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика сам по себе может называться сенсором.
• датчиком называется часть измерительной или управляющей системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала, размещенную в зоне действия влияющих факторов объекта и воспринимающий естественно закодированную информацию от этого объекта.

Датчик - конструктивно обособленная часть измерительной системы, содержащая один или несколько первичных преобразователей, а также один или несколько промежуточных преобразователей.

Эти определения соответствуют практике использования термина производителями датчиков. В первом случае датчик это небольшое, обычно монолитное устройство электронной техники, например, терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для создания более сложных электронных приборов. Во втором случае -- это законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных интерфейсов к системе автоматического управления или регистрации. Например, фотодиоды в матрицах (фото) и др. В третьем и четвертом определении акцент делается на том, что датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы, воспринимающей информацию, а следовательно обладающий самодостаточностью для выполнения этой задачи и определенными метрологическими характеристиками.

Классификация датчиков

Классификация по виду выходных величин

• Активные (генераторные)
• Пассивные (параметрические)

Классификация по измеряемому параметру

1. Датчики давления

• абсолютного давления

• избыточного давления
• разрежения
• давления-разрежения
• разности давления
• гидростатического давления

2. Датчики расхода

• Механические счетчики расхода
• Перепадомеры
• Ультразвуковые расходомеры
• Электромагнитные расходомеры
• Кориолисовые расходомеры
• Вихревые расходомеры

3. Температуры

• Термопара
• Термометр сопротивления
• Пирометр

4. Датчик концентрации

• Кондуктометры

5. Радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений)

• Ионизационная камера
• Датчик прямого заряда

6. Перемещения

• Абсолютный шифратор
• Относительный шифратор
• LVDT

7. Положения

• Контактные
• Бесконтактные

8. Фотодатчики

• Фотодиод
• Фотосенсор

9. Датчик углового

• Сельсин
• Преобразователь угол-код
• RVDT

10. Датчик вибрации

• Датчик Пьезоэлектрический
• Датчик вихретоковый

11. Датчик механических величин

• Датчик относительного расширения ротора
• Датчик абсолютного расширения

Классификация по характеру выходного сигнала

• Дискретные
• Аналоговые
• Цифровые
• Импульсные

Классификация по количеству входных величин

• Одномерные
• Многомерные

Классификация по технологии изготовления

• Элементные
• Интегральные

 

Датчики давления

 

Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствительные элементы (сенсоры) представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый. отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. В западной литературе тензопреобразователи давления обычно называют пьезопреобразователями, поскольку на греческом языке piezo означает давлю

В настоящее время в РФ выпускаются преобразователи давления на базе КНС -- структуры (кремний на сапфире). В преобразователях давления фирмы Siemens используется КНК-структура (кремний на кремнии). Характерным представителем преобразователей с КНС-структурой является «Сапфир-22», разработанный НИИТеи- лоприбором, его модификации в аналоговом и микропроцессорном вариантах в настоящее время выпускаются многими заводами РФ. В этих приборах для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами. Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис. 10.21, а. Чувствительным элементом манометра является тензопреобразователъ 1 с двухслойной мембраной. Измеряемое давление действует на титановую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке 2.

Существуют два типа тензопреобразователей: давления (рис. 10.21, а) и силы (рис. 10.21, б). В тензопреобразователях давления измеряемое давление действует непосредственно на мембрану, поскольку при измерении давления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразователями диаметром 6...8 мм развиваются усилия, достаточные для ее деформации. В тензопреобразователях силы 4 нижняя металлическая мембрана имеет рычаг 3, к которому прикладывается сила, развиваемая мембранным блоком под действием давления. В преобразователях с диапазоном измерения менее 0,4 МПа (см. рис. 10.21, б) используются в качестве чувствительных элементов блоки из двух мембран 1, 2, жестко соединенных между собой и находящихся под воздействием атмосферного и измеряемого давлений (разрежения), либо разности давлений.

Жесткость мембранного блока в значительной мере определяется жесткостью мембранно-рычажного тензопреобразователя (преобразователя силы). Смещение центров мембран приводит к изгибу рычага 3 и сапфировой мембраны с тензорезисторами 4. Усилитель и элементы измерительной схемы находятся в блоке 5. Ряд давлений ниже 0,4 МПа перекрывается четырьмя моделями преобразователей, имеющими четыре различных площади мембран. При минимальных пределах измерения от 0,16 до 1,6 кПа (модель 10) диаметр мембранного блока составляет 90 мм, при пределах от 25 до 250 кПа (модель 40) он равен 64 мм, при этом соотношение площадей составляет 2:1.

Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны представлена на рис. 10.22, а. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой, приведенной на рис. 10.22, б, касательные напряжения ст, имеют постоянный знак, тогда как радиальные аг его меняют. В связи с этим у размещенных, радиально вблизи края мембраны тензорезисторов с ростом давления сопротивление снижается, а у размещенных касательно увеличивается. Выбирая точки размещения тензорезисторов, обеспечиваем увеличение чувствительности измерительной схемы.

В датчиках давления Rosemount 3051S применяется конструкция SuperModule™. Она представляет собой полностью герметичный узел, обеспечивающий самую высокую защиту от проникновения пыли и воды (IP68). В состав узла входит плата электроники и емкостный преобразователь давления, выполненный по сенсорной технологии Saturn™. Основной и дублирующий сенсоры емкостной ячейки, выполненные по этой технологии, увеличивают надежность работы датчика и значительно улучшают метрологические характеристики.

Использование датчика в беспроводном исполнении для измерения параметров технологического процесса позволяет увеличить количество собираемой информации для более эффективного управления.

Применение датчика с корпусом PlantWeb позволяет встраивать дополнительные платы расширения и модули, что увеличивает функциональность датчика, обеспечивает удобство диагностики, значительно снижает стоимость обслуживания

Измеряемые среды: жидкости, в т.ч. нефтепродукты; пар, газ, газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

• минимальный 0-0,025 кПа;
• максимальный 0-68,9 MПа

Диапазон температур:

• окружающей среды от -51 до 85°С;
• измеряемой среды от -75 до 205°С;

с выносными разделительными мембранами 1199 от -75 до 350°С