Датчики

Датчики в электротехнике и автоматизированных системах управления: классификация, принципы действия, применение

Датчик (сенсор, первичный преобразователь) – это техническое устройство, предназначенное для преобразования контролируемой физической величины (температуры, давления, перемещения, уровня, расхода и т.д.) в унифицированный выходной сигнал, удобный для передачи, дальнейшей обработки, регистрации и воздействия на управляющие органы. В современных АСУ ТП и системах учета энергоресурсов датчики являются ключевыми элементами, формирующими информационную основу для принятия решений.

Классификация датчиков по типу выходного сигнала

Данная классификация является одной из основных, так как определяет способ интеграции датчика в систему сбора данных.

• Аналоговые: Выходной сигнал изменяется непрерывно и пропорционально измеряемой величине.
  • Токовый сигнал: 0…5 мА, 0…20 мА, 4…20 мА (наиболее распространен, так как менее подвержен влиянию помех и позволяет диагностировать обрыв цепи).
  • Напряженческий сигнал: 0…5 В, 0…10 В, ±10 В.
  • Сопротивление: изменение омического сопротивления (термометры сопротивления, тензорезисторы).
  • Стандартизированный сигнал термопар (ТХК, ТЖК и др.) или термопреобразователей сопротивления (Ом).
• Цифровые: Выходной сигнал представлен в цифровом коде. Обладают высокой помехозащищенностью.
  • С последовательным интерфейсом: RS-485 (Modbus RTU, Profibus DP), CAN, HART (совмещает аналоговый сигнал 4-20 мА и цифровую коммуникацию).
  • С импульсным выходом: частота или скважность импульсов пропорциональна измеряемой величине (тахометры, расходомеры).
  • С интерфейсами полевого уровня: IO-Link, AS-i.
• Дискретные (релейные): Выходной сигнал имеет два состояния: «Включено»/«Выключено» (логическая «1» или «0»). Используются как концевые выключатели, датчики уровня, присутствия.
  • Бесконтактные: индуктивные, емкостные, оптические.
  • Контактные: поплавковые, реле давления, герконы.

Классификация по измеряемому параметру и принципу действия

1. Датчики температуры

Наиболее широко применяемая группа в энергетике и промышленности.

• Термопреобразователи сопротивления (ТС, RTD): Принцип действия основан на изменении электрического сопротивления металла при изменении температуры.
  • Платиновые (Pt100, Pt500, Pt1000): Высокая точность, стабильность, линейность. Рабочий диапазон: -200…+850°C.
  • Медные (Cu50, Cu100): Хорошая линейность, но низкое удельное сопротивление и склонность к окислению. Диапазон: -50…+150°C.
  • Никелевые (Ni100): Высокий ТКС, но нелинейная характеристика.
• Термопары (ТП): Принцип действия основан на эффекте Зеебека – возникновении ЭДС в цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температуры.
  

  Тип	Материалы	Диапазон, °C	Особенности
  K (ТХА)	Хромель-Алюмель	-200…+1300	Наиболее распространенный, универсальный.
  J (ТЖК)	Железо-Константан	-100…+1200	Высокая чувствительность, подвержены коррозии.
  S (ТПП10)	Платина-Родий (10%)/Платина	0…+1600	Высокая точность, для высоких температур.
  T (ТМКн)	Медь-Константан	-200…+400	Стабильность при низких температурах.

• Полупроводниковые датчики (термисторы): NTC (с отрицательным ТКС) и PTC (с положительным ТКС). Высокая чувствительность, но узкий диапазон и нелинейность.
• Пирометры (бесконтактные): Измеряют температуру по тепловому излучению объекта.

2. Датчики давления

Преобразуют давление жидкости или газа в электрический сигнал. Ключевой элемент – чувствительный элемент (мембрана, сильфон, трубка Бурдона).

• По типу измеряемого давления:
  • Абсолютного давления (относительно вакуума).
  • Избыточного (относительно атмосферного).
  • Дифференциального (перепада) давления.
  • Гидростатические (для измерения уровня).
• По принципу преобразования давления в сигнал:
  • Пьезорезистивные: На мембране формируется мостовая схема из тензорезисторов. Широкий диапазон, высокая надежность.
  • Емкостные: Мембрана является обкладкой конденсатора. Высокая чувствительность и стабильность.
  • Резонансные: Частота колебаний чувствительного элемента зависит от давления. Высокая точность.
  • Индуктивные и реостатные: Механическое перемещение мембраны преобразуется в изменение индуктивности или сопротивления.

3. Датчики расхода

Измеряют объемный или массовый расход вещества.

Тип датчика	Принцип действия	Преимущества	Недостатки	Типовые среды
Тахометрический (турбинный)	Скорость вращения турбинки пропорциональна расходу.	Простота, низкая стоимость.	Наличие подвижных частей, чувствительность к загрязнениям.	Чистые жидкости, газы.
Ультразвуковой	Измерение разности времени прохождения ультразвука по потоку и против потока.	Беспрепятственный проток, высокая точность.	Высокая стоимость, требования к прямолинейным участкам.	Жидкости, газы.
Электромагнитный	Наведение ЭДС в проводящей жидкости, движущейся в магнитном поле (закон Фарадея).	Нет потерь давления, измерение агрессивных сред.	Только для электропроводных жидкостей.	Вода, пульпы, кислоты, щелочи.
Вихревой	Измерение частоты вихрей, срывающихся с обтекаемого тела.	Нет подвижных частей, широкий диапазон.	Чувствительность к вибрациям, требования к чистоте среды.	Пар, газы, жидкости.
Кориолисовый	Измерение фазового сдвига колебаний U-образной трубки, вызванного силой Кориолиса.	Прямое измерение массового расхода, высочайшая точность.	Очень высокая стоимость, большие габариты, потери давления.	Жидкости, сжиженные газы.

4. Датчики уровня

• Поплавковые и буйковые: Механическое перемещение поплавка преобразуется в сигнал.
• Емкостные: Измеряют изменение емкости между электродом и стенкой резервуара в зависимости от уровня диэлектрика.
• Гидростатические: Измеряют давление столба жидкости. Датчик давления, установленный на дне емкости.
• Ультразвуковые и радарные: Бесконтактное измерение времени прохождения отраженного сигнала от поверхности продукта.
• Радиоизотопные: Измерение ослабления гамма-излучения в зависимости от уровня среды.

5. Бесконтактные датчики положения и присутствия

Критически важны в системах автоматизации производственных линий.

• Индуктивные: Реагируют на приближение любого металлического объекта. Нечувствительны к загрязнениям. Рабочая зона до 100 мм.
• Емкостные: Реагируют на приближение любых объектов (металл, жидкость, дерево, пластик). Могут использоваться как датчики уровня сыпучих сред. Чувствительны к влажности.
• Оптические: Состоят из излучателя и приемника. Типы: барьерные (на проход), диффузные (на отражение от объекта), рефлекторные (на отражение от световозвращателя).
• Ультразвуковые: Аналогичны оптическим, но менее чувствительны к запыленности, прозрачности среды.

Критерии выбора и особенности монтажа

Выбор датчика определяется требованиями технологического процесса и условиями эксплуатации.

• Диапазон измерений и точность: Рабочий диапазон должен перекрывать возможные значения параметра с запасом. Точность определяется классом точности (например, 0.5, 0.1).
• Выходной сигнал и интерфейс: Должны соответствовать входным модулям контроллера или системы сбора данных (АСУ ТП).
• Условия эксплуатации:
  • Температура окружающей среды и среды измерения.
  • Рабочее давление (для датчиков давления и расхода).
  • Степень защиты корпуса (IP65, IP67, IP68).
  • Взрывозащищенное исполнение (Ex d, Ex i, Ex m).
  • Химическая стойкость материалов контактных частей (мембраны, корпуса).
• Монтажные характеристики: Резьбовое соединение (G1/2″, M20x1.5, фланцевое), длина погружной части (гильзы), ориентация.
• Питание: Напряжение питания (24 В DC, 220 В AC), потребляемый ток.

Важность правильного монтажа: Несоблюдение требований монтажа (прямые участки до и после датчика расхода, правильное место установки датчика температуры, виброразвязка) может привести к значительным погрешностям измерения или выходу датчика из строя.

Тенденции развития

• Интеллектуализация: Датчики с микропроцессорами, встроенной диагностикой, возможностью самокалибровки и компенсации влияния внешних факторов (температуры, давления).
• Цифровизация и сетевые интерфейсы: Преобладание датчиков с цифровыми выходами (IO-Link, беспроводные сети), позволяющими передавать не только измеренное значение, но и расширенную диагностическую информацию.
• Миниатюризация и повышение надежности.
• Развитие беспроводных технологий передачи данных (WirelessHART, ISA100.11a) для сложных или расширяемых систем.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что надежнее и точнее: термопара или термосопротивление?

Термопреобразователи сопротивления (Pt100) обеспечивают более высокую точность и стабильность в диапазоне от -200 до +600°C. Они менее чувствительны к деградации. Термопары типа K, S, B незаменимы для измерений при очень высоких температурах (свыше 1000°C), но требуют применения удлиняющих (компенсационных) проводов и имеют меньшую точность. Выбор определяется диапазоном и требуемой точностью.

2. Почему в аналоговых выходных сигналах чаще всего используется ток 4-20 мА, а не 0-20 мА?

Сигнал 4-20 мА является «живущим» (live zero). Значение 4 мА соответствует нижнему пределу измерения, а 0 мА однозначно указывает на обрыв цепи или неисправность датчика/линии связи. Это важная функция диагностики. Сигнал 0-20 мА такой возможности не дает.

3. В чем разница между датчиками абсолютного и избыточного давления?

Датчик абсолютного давления измеряет давление относительно абсолютного вакуума (нулевая точка). Используется для измерений, где необходимо учесть атмосферное давление (например, в вакуумных системах, барометрическое давление). Датчик избыточного давления (манометр) измеряет давление относительно текущего атмосферного давления. Если сбросить его на атмосферу, он покажет 0. Это наиболее распространенный тип для технологических процессов (давление в трубопроводе, емкости).

4. Что такое взрывозащита типа «искробезопасная цепь» (Ex i)?

Это вид взрывозащиты, при котором электрическая энергия в цепи (в датчике и подводящих проводах) настолько мала, что ее недостаточно для воспламенения взрывоопасной смеси даже при искрении или коротком замыкании. Это позволяет производить подключение и отключение датчиков под напряжением («на горячую») во взрывоопасной зоне, что упрощает обслуживание. Для работы такой цепи требуется применение барьеров безопасности или изолирующих преобразователей, устанавливаемых в безопасной зоне.

5. Как правильно выбрать длину погружной гильзы (погружаемую часть) для датчика температуры?

Длина погружной части должна быть достаточной для того, чтобы чувствительный элемент находился в зоне истинной температуры среды, а не в зоне влияния стенки резервуара или фланца. Минимальная глубина погружения обычно составляет не менее 10-15 диаметров гильзы. Необходимо также учитывать скорость потока и глубину расположения технологического трубопровода или аппарата. Неправильный выбор приведет к значительной динамической и статической погрешности измерения.

6. Почему для датчиков расхода часто указывают требования к прямым участкам трубопровода до и после датчика?

Турбулентные потоки, вихри, возникающие за счет местных сопротивлений (задвижки, отводы, тройники), искажают профиль скорости потока, что напрямую влияет на точность измерения большинства типов расходомеров (особенно тахометрических, вихревых, ультразвуковых). Прямые участки позволяют стабилизировать поток и обеспечить условия, близкие к калибровочным. Требования могут составлять от 5 до 20 диаметров трубопровода до датчика и от 3 до 5 после него, в зависимости от типа датчика и типа возмущающего элемента.