Датчики и преобразователи (температуры, давления, уровня, расхода)

Датчики и преобразователи являются основным звеном в системах автоматического управления, контроля и регулирования технологическими процессами. Они преобразуют контролируемые физические величины (температуру, давление, уровень, расход) в унифицированные сигналы, удобные для передачи, обработки и регистрации.

1. Основные понятия и классификация

1.1. Определения

• Датчик (Sensor): Устройство, воспринимающее контролируемый параметр и преобразующее его в соответствующий выходной сигнал (часто не унифицированный).
• Преобразователь (Transducer/Transmitter): Устройство, преобразующее выходной сигнал датчика в стандартизированный сигнал (токовый 4-20 мА, цифровой HART, Profibus PA, Foundation Fieldbus), пригодный для передачи на большие расстояния.

1.2. Классификация

• По виду выходного сигнала: Аналоговые, цифровые, дискретные.
• По принципу действия: Механические, электрические, оптические, пьезоэлектрические.
• По исполнению: Обычные, взрывозащищенные (Ex), пылевлагозащищенные (IP).

2. Датчики температуры

2.1. Термопреобразователи сопротивления (ТСП, RTD)

• Принцип действия: Изменение электрического сопротивления чистых металлов (платины, меди) в зависимости от температуры.
• Платиновые (Pt100, Pt1000):
  • Диапазон: -200…+850°C
  • Точность: Классы AA, A, B, C (от ±0.1°C до ±0.3°C при 0°C)
  • Преимущества: Высокая точность, стабильность, линейность.
  • Недостатки: Сравнительно высокая стоимость, необходимость исключения паразитных сопротивлений подводящих проводов (используется 2-, 3- или 4-проводная схема подключения).
• Медные (ТСМ):
  • Диапазон: -50…+150°C
  • Применение: Для измерения температуры обмоток электродвигателей, трансформаторов.

2.2. Термоэлектрические преобразователи (Термопары, ТПП)

• Принцип действия: Возникновение термо-ЭДС в месте спая двух разнородных проводников.
• Типы и характеристики:
  • Тип K (хромель-алюмель): Диапазон -200…+1200°C. Наиболее универсальный.
  • Тип J (железо-константан): Диапазон 0…+750°C. Высокая чувствительность.
  • Тип S (платнородий-платина): Диапазон 0…+1600°C. Для высоких температур.
• Преимущества: Широкий диапазон, высокая стабильность, малая инерционность.
• Недостатки: Необходимость компенсации температуры свободных концов («холодного спая»), относительно низкая точность.

2.3. Полупроводниковые датчики (термисторы)

• Принцип действия: Сильное изменение сопротивления полупроводников с температурой.
• NTC-термисторы: Сопротивление уменьшается с ростом температуры. Используются для точных измерений в узком диапазоне.
• PTC-термисторы: Сопротивление резко возрастает при достижении определенной температуры. Используются как датчики перегрева.

3. Датчики давления

3.1. Классификация по виду измеряемого давления

• Абсолютного давления (Abs): Отсчет от вакуума.
• Избыточного давления (Gauge): Отсчет от атмосферного давления.
• Дифференциального давления (Differential): Разность двух давлений.
• Гидростатические уровнемеры: Для измерения уровня жидкости путем измерения давления столба жидкости.

3.2. Типы первичных преобразователей

• Тензометрические (с мембраной):
  • Принцип: Деформация чувствительной мембраны, на которую наклеены тензорезисторы, изменяющие свое сопротивление.
  • Преимущества: Высокая точность, широкий диапазон измерений.
  • Недостатки: Чувствительность к перегрузкам.
• Емкостные:
  • Принцип: Изменение емкости конденсатора при прогибе мембраны, являющейся одним из его электродов.
  • Преимущества: Высокая чувствительность, стабильность.
• Пьезоэлектрические:
  • Принцип: Возникновение электрического заряда на гранях пьезокристалла при его деформации.
  • Применение: Для измерения быстропеременных, динамических давлений (например, в цилиндрах ДВС).
• Резонансные (с кремниевым чувствительным элементом):
  • Принцип: Изменение резонансной частоты кремниевой диафрагмы при ее нагружении давлением.
  • Преимущества: Высокая точность и стабильность, цифровой выходной сигнал.

4. Датчики уровня

4.1. Контактные методы

• Поплавковые: Механический поплавок, перемещающийся вместе с уровнем, замыкает контакты или изменяет положение постоянного магнита.
• Емкостные: Изменение емкости между электродом (зондом) и стенкой емкости при изменении уровня диэлектрической среды.
• Гидростатические: Преобразование давления столба жидкости над точкой измерения в сигнал, пропорциональный уровню. По сути, являются датчиками давления.
• Буйковые (дислерные): Измерение выталкивающей силы, действующей на погруженный буй.

4.2. Бесконтактные методы

• Радарные:
  • Принцип: Измерение времени прохождения высокочастотного электромагнитного импульса от антенны датчика до поверхности продукта и обратно.
  • Преимущества: Высокая точность, не зависит от давления, температуры, свойств среды.
  • Типы: Импульсные (FMCW) для жидкостей, сыпучих материалов; волноводные (TDR) для сложных сред.
• Ультразвуковые:
  • Принцип: Аналогичен радарному, но использует звуковую волну.
  • Недостатки: Зависит от состава газовой среды над уровнем (температура, давление, влажность, запыленность).
• Микроволновые (рефлексные):
  • Принцип: Измерение затухания СВЧ-излучения, излучаемого датчиком, при достижении им поверхности продукта.

5. Датчики расхода

5.1. Расходомеры переменного перепада давления

• Принцип: Создание местного сужения трубопровода (стандартная диафрагма, сопло, труба Вентури) и измерение перепада давления на нем, который пропорционален квадрату расхода.
• Достоинства: Простота, надежность, стандартизированность.
• Недостатки: Низкая точность, ограниченный диапазон измерений, значительные потери давления.

5.2. Электромагнитные расходомеры (ЭМР)

• Принцип: По закону электромагнитной индукции Фарадея, проводник (жидкость), движущийся в магнитном поле, индуцирует ЭДС, пропорциональную скорости потока.
• Условия: Измеряемая среда должна быть электропроводной (минимум 5 мкСм/см).
• Преимущества: Отсутствие потерь давления, высокая точность, измерение сильно загрязненных и абразивных сред.

5.3. Вихревые расходомеры

• Принцип: Образование вихрей («дорожка Кармана») за обтекаемым телом, помещенным в поток. Частота срыва вихрей пропорциональна скорости потока.
• Преимущества: Универсальность для жидкостей, газов и пара, высокая точность.
• Недостатки: Чувствительность к вибрациям, требуют прямых участков до и после себя.

5.4. Ультразвуковые расходомеры

• Принцип: Измерение разности времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока (разностно-временной метод) или измерения доплеровского сдвига частоты.
• Преимущества: Отсутствие потерь давления, возможность работы с коррозионными средами.
• Недостатки: Требовательны к качеству монтажа, точности расположения преобразователей.

5.5. Кориолисовые расходомеры

• Принцип: Измерение фазового сдвига колебаний измерительной трубки, вызванного силой Кориолиса, возникающей при движении массы жидкости. Позволяют одновременно измерять массовый расход, плотность и температуру.
• Преимущества: Прямое измерение массового расхода (наиболее точное), высочайшая точность, независимость от свойств среды.
• Недостатки: Высокая стоимость, чувствительность к внешним вибрациям, ограничения по давлению и температуре.

6. Тенденции и будущее

1. Интеллектуализация: Датчики со встроенной диагностикой, самокалибровкой, возможностью удаленной настройки по цифровым протоколам (HART, WirelessHART).
2. Цифровизация и беспроводная связь: Переход на полевые шины (Profibus PA, Foundation Fieldbus) и беспроводные сети для снижения затрат на кабельную инфраструктуру.
3. Миниатюризация и повышение надежности (MEMS-технологии): Создание микроэлектромеханических систем для датчиков давления и расхода.
4. Многопараметрические преобразователи: Один прибор измеряет несколько величин (например, давление и температуру).

Заключение

Правильный выбор датчиков и преобразователей является фундаментом для построения эффективной, надежной и точной системы автоматизации. Выбор зависит от множества факторов: требуемой точности, диапазона измерений, свойств технологической среды (агрессивность, вязкость, электропроводность), условий эксплуатации (давление, температура, взрывоопасность) и, конечно, бюджета проекта. Современные тенденции ведут к созданию «умных» измерительных устройств, которые не только собирают данные, но и активно участвуют в диагностике состояния всего технологического процесса.