Интеллектуальные датчики

Введение
Одной из наиболее важных проблем, возникающих при создании и эксплуатациисудовых технических систем, является обеспечение требуемого качества инадежности управления в условиях возмущающих факторов, к которым относятсяизменения параметров регулируемого процесса и среды функционирования системы.
Для управления сложными динамическими объектами используются методы и технологииискусственного интеллекта как средства борьбы с неопределенностью внешнейсреды.
Бурное развитие интегральной схемотехники привело к созданию принципиальноновых измерительных преобразователей-интеллектуальных датчиков, содержащих водном корпусе преобразователь и микропроцессор, что позволяет выполнятьосновные операции по преобразованию и повышению достоверности измерительнойинформации в месте ее возникновения.
Использование интеллектуальных датчиков (ИД) дает возможность по-новомуподойти к распределению функций между основными элементами систем контроля иуправления, в частности освободить центральный процессор от необходимости обработкибольших объемов первичной информации.
ИД позволяет обеспечить выполнение соответствующих функций, повышающихинформативность выходного сигнала, формирование потока данных с необходимойдостоверностью на основе анализа достаточно большого числа результатовотдельных, относительно недостоверных измерителей.
ИД представляет собой совокупность аппаратных и программных средств,обеспечивающих отображение свойств объекта контроля или управления в виденекоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходногосигнала измерительного преобразователя по определенному алгоритму.
Можнодать следующее определение интеллектуального датчика: это датчик, обладающийспособностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среды, атакже способностью контролировать свои функции, корректировать ошибкиизмерений.
Интеллектуальныйдатчик представляет собой электронное устройство, основанное на объединениичувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средствмикропроцессорной техники.
Использованиемикропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ непосредственно в составе датчиковобеспечивает возможность улучшения метрологических и эксплуатационныххарактеристик.
Однимиз основных принципов интеллектуального подхода к созданию исполнительныхмеханизмов нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки отмеханических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным иинформационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новыезадачи.
Дляреализации интеллектуальных ИМ используются четыре основных функциональныхблока:
• информационно-электрическийфункциональный преобразователь (ФП), включающий в себя контроллер управлениядвижением и силовой электрический преобразователь;
• электромеханический ФП,включающий в себя электродвигатель и механическое передаточное устройство;
• электро-информационныйФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики напряжения итока силового преобразователя;
• механико-информационныйФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики перемещения,частоты вращения, момента, силы.
Извыше сказанного следует, что при использовании новых технологий и методовобработки сигналов на хорошо известных принципах измерения создаются датчики созначительно лучшими свойствами.

Раздел 1. Понятиеинтеллектуального датчика. Принцип работы. Требования PC кинтеллектуальным датчикам
1.1 Понятие об интеллектуальных датчиках
Новейшиесредства микроэлектроники позволили помимо измерительных и подстроечныхэлементов интегрировать в датчики аналого-цифровые преобразователи имикропроцессоры, по-новому подойдя к проблеме распределения функций междуэлементами систем контроля и управления.
Объединениецифровых схем и микропроцессоров в одном устройстве позволяет производить нетолько усиление и коррекцию, но и часть обработки информации в самом датчике.
Такиеинтегральные датчики могут не только контролировать измеряемые величины, но иосуществлять их оценку, коррекцию по определенным критериям, контролироватьсвои собственные характеристики, работать в режиме диалога с центральнойсистемой управления, принимать команды, передавать измеренные значения вцифровой форме, а также аварийные сообщения.
В отличие отинтегральных датчиков, в которых на базе новых технологий осуществляетсяобъединение чувствительных элементов со схемами их включения, а такжелинеаризация характеристик и термокомпенсация, датчики с встроеннымивычислительными средствами принято называть интеллектуальными, учитываямногообразие их функций, возможности самоконтроля и двустороннего обменаинформацией с системой управления.
Интеллектуальныйдатчик в силу особенностей своей структуры и расширенных функциональныхвозможностей позволяет обеспечить либо выполнение соответствующих функций,повышающих информативность выходного сигнала до необходимого уровня, либоформирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большогоколичества результатов отдельных, относительно недостоверных измерений. Врезультате реальные метрологические характеристики интеллектуальных ИПоказываются существенно выше характеристик датчиков в традиционном исполнении.Это связано с тем, что интеллектуальный датчик (ИД) является не простодатчиком, а представляет собой совокупность аппаратных и программных средств,обеспечивающих отображение свойств объекта в виде некоторой структуры данных,формируемых в результате обработки выходного сигнала первичного чувствительногоэлемента по определенному алгоритму.
Помещениетехнических средств обработки информации непосредственно к датчику логическиоправдано тем, что каждый шаг обработки измерительного сигнала вдали от объектаизмерения связан с увеличением погрешности измерения. В данном случае уместнозаметить, что, интеллектуальный датчик имеет возможность согласованияизмерительного тракта с источником сигнала по чувствительности, динамическомудиапазону, избирательности и подавлению помех различного вида. Он адаптируетсвои параметры к внешним факторам и условиям, обеспечивает автоматическийсамоконтроль функционирования, осуществляет операции юстировки и тарировки,производит коррекцию погрешностей.
Вавтоматических системах управления и контроля интеллектуальные датчики выполняют следующие основныефункциональные задачи:
-преобразованиевходного сигнала в сигнал требуемого вида с воспроизводимой функциональнойсвязью между ними;
-преобразованиеполученного сигнала в форму, обеспечивающую помехозащищенную передачу кустройству обработки данных по каналу связи;
-избирательнуюрегистрацию и предварительную обработку выходного сигнала;
-подавлениесущественных для решения данной задачи помех (возмущающих воздействий);
-реагированиена изменяющиеся условия в точках контроля;
-обеспечениеи контроль собственного функционирования.
Эти задачипредопределяют те интеллектуальные свойства, которыми должен обладать датчик, а именно:-способность к самонастройке, т.е. изменению чувствительности и динамическиххарактеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения выходнойвеличины, а также подавлению помех; -адаптивность к условиям окружающей среды;
Способностьдатчика или системы датчиков к самодиагностике, включая коррекцию ошибок. Исходя из этогоможно дать следующее определение интеллектуального датчика- это датчик, обладающийспособностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среде, а также способностью контролировать своифункции, корректировать ошибки измерений, и представляющий собой электронноеустройство, основанное наобъединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорнойтехники».
Интеллектуальныйдатчик представляет конструктивно объединенную совокупность ИП и электронного компьютера, размещенную в зоне действияизмеряемых величин, воспринимающую заключенную в объекте информацию о размере этих величин, обеспечивающую автоматическоесогласование собственных параметров с параметрами измеряемых величин и внешними условиями, а также автоматический контроль собственногофункционирования и компенсациюотдельных составляющий погрешностей.
Структурные схемы интеллектуальных датчиков.
Структурнаясхема ИД зависит от структурных схем измерительных преобразователей, входящих всосшв.датчика,
Ни рисЛ .ia представлено функциональная схема ИД,соотие-иггвующая структурной схеме датчика прямого преобразования. На рис. 1-1а введенм следующие обозначения:
· первичныйизмерительный преобразователь с неэлектрическимвходным сигналом
· промежуточныйизмерительный преобразователь.;
· электронныйблок подготовки и первичной обработки измерительного преобразователя;
· аналого-цифровой преобразователь;
· источник питания;
· микро-ЭВМ:
· интерфейс.
Выходной сигнал первичного МП можетнепосрсдствено преобразоваться в цифровую форму. Перличиый ИП можетбыть объединен с аналого-цифровымпреобразователем.
Соответствующаяструктура ИД представлена на рис.1.1б, где 1 — первичный ИП; 2 -аналого-цифровой преобразователь; 3 — устройство выборки ихрапения; 4 — кодирующее устройство;5-источник питания; 6- микро-ЭВМ; 7 — интерфейс.
Длядискретных измерительных сигналовобычно применяетется более простая структура ИД, которая отличается несколькоменьшими аппаратными затратами (см. Рис. 1.1 в, где 1 – чувствительный элемент; 2 — преобразователь иформировитнль счетного сигнала; 3 — блок формировании нормированных электрическихимпульсов; 4 -счетчик; 5 — микро-ЭВМ;
6 — интерфейс). Для связи ИД, реал читанных согласно структурным схемам на рис. 1.1с внешними блоками и управляющей ЭВМ обычно используются последовательные стандартные интерфейсы различныхтипов.
Развернутаяструктурная схема ИД представлена нарис.1.2, где 1 — первый и второй преобразователи с фильтрами; 2 — источникпитания ячеек помята и электронных блоков; 3 — мультиплексор; 4 — блокуправления маршрутами пересылки данных; 5 — блок определения отношения сигнал/шум;6 — блок регулирования отношения сигнал/шум; 7 -усилитель; 8 — блок управленияусилением (АРУ); 9 — аналого-цифровой преобразователь (АЦП); Ю — внутренняяшина датчика; 11 — программируемое постоянное запоминающее устройство (ПШУ) дляхранения данных идентификации, коэффициентов калибровки, предыстории измененияопераций во времени и др.; 12 — ППЗУ для хранения пр01рамм и другой информации;13 — память с произвольной выборкой; 14 — микропроцессор; 15 -связной интерфейс(последовательный или параллельный); 16 — портативный пульт управления; 17 — коммуникационная шина или сеть.
Метрологические характеристики интеллектуальных датчиков
Можноуказать на следующие особенности использования ИД по сравнению с традиционнымидатчиками.
Точностьизмерений зависит от внутренних погрешностей ИП (нелинейности, гистерезиса, недостаточнойповторяемости), внешних условий, точности калибровки, степени воспроизводимостирезультатов, местоположения значения измеряемой величины в диапазоне измерения,точности, обеспечиваемой линиями передачи, приема и обработки сигнала.
Влияниеэтих фактором приводит к тому, что точность датчики класса 0,25% в реальныхусловиях составляет всею 1%. Однако точность измерений существенно повышаетсяза счет внутренних вычислений, которые может выполнять ИД. Алгоритмы улучшениястатических характеристик ВД позволяют производить коррекцию начального смещения и крутизны для строи»линейных статических характеристик, корректировку масштаба измерительноготракта, линеаризацию статических характеристик табличным методом, аппроксимациюс помошью полиномов, интерполяцию и т.д.
Благодарявозможностям самонастройки датчик выбирает наилучший диапазон измерения и посылает соответствующую информацию на верхнийиерархический уровень. В случае выхода за границы диапазона измерений подается аварийный или предупредительныйсигнал.
В ИДвозможна коррекция влияния помех и различных возмущений за счет реализации дифференциальных методов измерений программными способами, использованияитерационных методов обработки для нелинейных зависимостей, применения адаптивныхметодов коррекции с формированием скорректированною: шачении по результатампоследнего измерения.
Интслпектушп.ныйдатчик надежней традиционных, так как они позволяют:
· упроститьизмерительный преобразователь, используя возможности его характеристик с помощью программногообеспечения, в том числе корректируя масштабы и внося поправки на температуру с помощьювычислительного устройспиц
· увеличитьколичество однотипных смертельных ячеек; свести к минимуму аналоговую часть — источник неисправности и искажений;
· ввестисистемы автоматическою контроля старения комитентов, повышающие надежность датчика в целом (обнаружениеперенапряжений, разогрева, избыточного статическою давления и т.п.);
· контролироватьсостояние окружающей среды для обнаружения отклонений и исключения работы датчика ннеустановленных пределов; — контролировать работоспособность отдельных элементови узлов, в том числе напряженияпитания ни прецизионных элементах, уровни срабатывания, токи и напряжениясмещения; • осуществлять автоматическуюсамо калибровку по внешним или встроенным эталонным источникам.
Программноеобеспечение позволяет антоматически управлять процессом измерений:включением/выключением, сменой диапазонов, переключением каналов измерений, частотой калибровки,порядком адресования. Выбор алгоритма, тест-сигналов, точек и времени измерений идр., а также выбор фильтров в соответствии с параметрами помех осуществляется в сооветствии с задачами измеренийили по командам управляющей ЭВМ. Связь ИД с управляющей ЭВМ и другимипериферийными устройствами реализуется программными способами по общей шине;передача сигналов осуществляется в режимах квитирования, с прерыванием иконтролем программных средств, с последовательным и параллельным опросом, прежиме передачи и приема сигналом управления. ИД позволяет обрабатыватьрезультаты измерений с целью сжатия пересылаемой информации, реализуя контрольпредельных значений, а также выполняя заданные математические и логическиеоперации в соответствии с поставленной задачей измерения.
Интеллектуальныедатчики обеспечивают доступ к внутренней информации, которая может бытьиспользована в цепях диагностики и профилактического обслуживания. Датчик черезпортативный пульт или посредством дистанционного управления с верхнегоиерархического уровня дает оператору сведения о:
1. мгновенных значенияхнапряжений питания, промежуточных величинах, результатах вторичных измерений;
2.совокупности параметров,'занесенных и намять перед возникновением неисправности;
3.дате последнего контроля,(калибровки, проверки нуля и т.п.);
4.причинах устраненных отказов;
5.вторичных параметрах,превмеишних допустимые пределы (внутренней температуре, абсолютном давлении и др.).
Интеллектуальныедатчики, объединенные микропроцессорами, позволяют поднять на новыйкачественный уровень возможности создаваемых средств измерений. Идеальнымуровнем «интеллектуалыикггн» датчика является интеграция его функций, котораяне приводит к увеличению общих материальных затрат на разработку и созданиесредств измерений.
 
1.2 Обработка сигнала датчика
Несмотряна то, что сигнал на выходе чувствительного элемента может быть слабым,передаваемый сигнал должен иметь высокий уровень и, по возможности, лежать вподходящем диашпоне значений для того, чтобы дойти до основных устройств внеискаженном виде и упростить вычисление измеряемой неличины. Поэтому, в общемслучае, сигнал сенсора должен пройти предварительную обработку, котораяпозволяет осуществи! ь многие важные задачи (рис.1.3), такие как:
· специальныемеры обеспечения безопасности;
· соединениес другими компонентами последовательно, параллельно или в замкнутом контуре;
· усилениесигнала;
· масштабирование,
· линеризация
· преобразованиесигнала
В настоящее время вошло в практику преобразование сигнала датчики пцифровую форму в самом датчике. В силу возрастающего применения распределенныхсистем с шинной архитектурой это становится нее более необходимым. В дополнениек ран рузке системы в целом достоинством янляется и то, что данные измерениямогут передаваться без потери точности иезинисимо от расстояния между датчикоми устройствами обработки данных более высокою уровня. Переносфункцийобработки сигналов с аппаратуры на программное обеспечение упрощает повышениеточности измерений. Производственные отклонения можно учитывать путем простойпараметризации вместо того, чтобы проводим, механическую или электрическуюподстройку. Используя физические или Mint магические модели, описывающие поведение датчика, можно проводить болееточные измерении, учитывая влияние различных факторов. В зависимости от физической природыизмеряемой величины датчики делятся на две группы: датчики плекзрическихвеличин, и датчики неэлетричюских величин, К первой группе относятся датчики,реагирующие на изменение напряжения, тока, частоты, мощности, ко иторой-дзршки, реагирующие на изменение температуры, давления, крутящего момент,частоты вращения и т.д. По родувыходной величины датчики делятся на электрические и неэлектрические.Электрические н зависимости от характера выходной величины подразделяют на дватипа- параметрические и генераторные. Параметрические датчики преобразуютнеэлектричсские измеряемые величины в параметры электрических цепей L, С, R. Такие преобразователи включаются вразличные измертильные схемы, которые имеют дополнительный источник питания. Вгенераторных происходи! преобразование энергии измеряемой неличины в ЭДСпостоянного или переменною тока Системы,состоящие из одного датчика, могут давать лишь частичную информацию о состояниивнешней среды, тогда как системы с множеством датчиков объединяют связанныеданные от нескольких одинаковых и/или разных датчиком. Смысл применениямногосенсорных систем состоит в создании синергстичсских эффектом, понышанпцихкачество и доступность информации о состоянии измеряемого объекта. Цель обработки сигналов вмногосенсорной системе — получить определенную информацию, используянеобходимую совокупность данных измерения. В общем, требуется достичьопределенного уровня, например, точности или надежности, коицют нельзя достичь,имея лишь один датчик. Например, для обнаружения присутствия используютультразвуковые датчики с высокой чувствительностью к шуму, турбулентностивоздуха из-за тепловых воздействий и колебаний штор и растений. Микроволновыедатчики могут обнаружили, движение объектов вне наблюдаемою помещения или бытьвведены в заблуждение другими электромагнитными полями (от мобильных телефонови т.п.). Комбинация обоих типов датчиков и применение специальных процедуробработки сигналов позволяет дост ичь более высокой надежности обнаружения засчет различия зависимостей да пиков от внешних воздействий. Результатсвидетельствует о более качественной работе системы из нескольких датчиков посравнению с системой с одним датчиком Сложная обработка сигналов, осиоваинаи на методах слияния данных может-повысит ь точность измерения более, чем используемый обычно простой пороговыйалгоритм. Процесс слияния данных, поступающих от многих датчиков, должнапросктироватт^и специально для каждого конкретного случая с учетом спецификиприменения для тою, чтобы обеспечить правильное определение всех требуемыхизмеряемых величин или решений (рис.1.4). Типичнымиподходами тдесь являются теория статистических решении, методы усреднения,калмановская фильтрация — -для слияниянеточных данных датчиков; нечеткая логика – для сформулированных на качественном уровне задач и нейронныесети — для задач, где ожидаемому повелению можно обучить, используя наборхарактеризующих параметров.
Например,при измерениях концентрации шчои, н го время как отдельные датчики необеспечивают достаточной точности, использование высококачественныханалитических устройств дорого и поэтому во многих случаях неприемлемо. Испильгмжание системы, включающей а себя несколько недорогих датчиков, позволяетсущественно повысить надежность и точность измерений концентрации Газа.Существенными обстоятельствами при слиянии данных в этом случае яшоптимвзаимная чувствительность датчиков и влияние таких факторов, как температура,книжность и давление. Значимые- влияющие факторы должны измеряться ранним идатчиками. В процессе калиброаки н|н>веряется реакция системы из несколькихдатчиков на различные основные газы. К зависимости от этой реакции комбинациядатчиков для слияния данных определяется блоком управления датчиками такимобразом, чтобы в результате стало возможным проведение точных измеренийконцентрации, несмотря на недостатки отдельных датчиков.
Сегоднямногосенсорные системы незаменимы в задач аварийного предупреждена, таких какохрана свободною пространства путем оценивания видеосигнала, обнаружениележащего человека или ранее обнаружение пожара, и: ни фебуемого высокого уровнянадежности. Например, для раннего обнаружения пожара предложены матрицыдатчиков, включшощие в себя оптические детекторы рассеянного света и датчикиконцентрации газа. В пом случае обработка сигнала должна позволить различитьситуации пожара, отсутствия пожара и беспокоящего события путем идентификациихарактерных признаков пожара по измерениям выходных сигналов длчикин.
Блок выделенияпризнаков необходим для понижения размерности измерительною пространства иизвлечения соответствующей информации, характеризующей ситуации, связанные свозникновением пожара. Выделенные признаки далее классифицируются с помощьюнейронных сетей с целью оценить к какому классу относятся данные измерения иследует ли посылать пожарной команде сигнал тревоги..
1.3 Разработка требований правил PCк интеллектуальным датчикам, как элементамповышенной надежности,предназначенным для реализации ответственных функций
Интеллектуальныедатчики, исполнительные механизмы и регуляторы относится к м и к ^процессорнымсредствам автоматизации судовых технических средств, по лому предлшявммелюбовании Правил PC соответствуют раздел}' 7части XV Правил PC.
1.Для ответственных судовыхустройств: сланные двигатели, балластные, топливные и осушительные устройства,подруливающие, устройства и т.п.; интеллектуальные средства автоматизациидолжны иметь избыточную конфигурацию.
2.Функции управления, аварийнойсигнализации и безопасной остановки должны быть выполнены таким образом, чтобыодиночные неисправности или нарушения в работе электронной» оборудования недолжны влиять более чем на одну из этих функций. Это может быть достигнутовыбором специального оборудования для выполнения каждой из этих функций, илиобеспечением резервною оборудования, или другими эффективными средствами.
3. Неиспрпппости н интеллектуальныхсредствах автоматизации не должны приводить к аварийному состояниюобслуживаемого судового оборудования или всего судна в целом.
4. Для поддержания безопаснойработы судил электронные регуляторы (ИР) главных дизелей должны обладатьизбыточностью с помощью резервирования.
5.При наличии резервногооборудования переключающие устройства должны быть такими, чтобы предотвратитьнарушения в работе резервной электронной сиоемы и механизмов при их управлении.
6. Переключения междуизбыточными интеллектуальными средствами автоматизации должны происходитьавтоматически и не приводить к нарушению постоянного функционирования в случае неисправности. Требованияпереключения кпользователюдолжны быть простыми и легко выполнимы без затраты времени.
7.Электронные рмупяторы должныиметь энергонезависимый исшчник питания.
8.Для избежания возможнойпотери или искажения данных в результате отключения источника питания,программы и соответствующие запоминающие устройства, ответственные за работуИР. должны иметь энергонезависимую память или Miepi«зависимую память с обеспечением бесперебойного источника питания.
9.Работа бесперебойного источникапитания должна контролироваться. Неисправности должны индицироваться ссопровождением аварийного сигнала.
10. Интеллектуальные регуляторы(ИР) должны работать в режиме реальною времени. Время in клика должно соответствоватьпостоянным времени судового оборудования.
11. ИР совместно сисполнительными механизмами должны быть сконструированы 1иким образом, чтобы эффекты отнеисправностей и сбоев в работе приводили к расчетному состоянию техническихсредств с наименьшими критическими последствиями.
12. Средства        безопасностипри неисправностях или сбоев в работе компонентов интеллектуальных устройствдолжны автоматически возвращать выходную величину в предопределенное расчетомсостояние с наименьшими критическими последствиями.
13. Интеллектуальные  регуляторы,обеспечивающие постоянное функционирование при постоянной готовности(работоспособности) не позволяют прерывать функционирование как при нормальныхрежимах работы, так и в случае одиночной неисправности системы.
14. Самоконтролирующиеинтеллектуальные устройства должны обнаруживать неисправности следующих типов:
· неиепраипосги;
· неисправностидитчикон и исполнительных элементов:
· неисправностикомпьютерною аппаратного обеспечения;
· нарушениеныполнеиия программного обеспечения;
· нарушениелогических действий программного обеспечения.
15. Устройства, с помощью которыхпользователь может ныходть на вход ИР, включая ручки, кнопки, выключатели,клавиши, джойстики и т.д., должны быть рассчитаны и устроены таким образом,чтобы избежать небрежных действий. Для ответственного оборудования должныиспользоваться специальные клавиши.
16.Интсллектупльные устройствадолжны быть рассчитаны таким образом, чтобы неисправности электронныхкомпонентой не нызывали опасных действий устройства.
17. Системы программною и аппаратного обеспечениядолжны быть рассчитаны таким образом, чтобы при восстановлении питания посленеиепраипосги источника питания возможность автоматического или дистанционногоуправления и контроль наступили немедленно.
18. Изменение     параметров должнобыть возможно при выполнении средств, ограничивающих доступность неподготовленному персоналу. В качестве таких средств могут использоватьсякнопочные переключатели, перфокарты, пароли и г.п. Аналогично измененияпрограммы и конфигурации системы должны выполняться только подготовленнымперсоналом.
19. В устройствах ввода-вывода должныиспользоваться стандартизированные устройства сопряжения с объектом.
20. Конструкция аппаратногообеспечения должна быть простой. Должен быть обеспечен доступ к «вменяемым частям для ремонта иобслуживания.
21. Разъемы         в платах исоединениях должны иметь специальную конструкцию для шщитм от неумышленнойперестановки, установки в неверное положение. Разъемы не должны повреждаться ивызывать нарушения в работе, которые могут привести к опасности.
22. Разьемы         в платах исоединениях должны иметь специальную конструкцию для зашиты от неумышленной перестановки,установки в неверное положение. Разъемы не должны повреждаться и вызыватьнарушения в работе, которые могут привести к опасности
23. Интеллектуальны с устройствадолжны быть защищены против неумышленных или неправильных модификаций программ иданных. Требуемые меры зависят от конфигурации устройстваВид готовности
Максиамальное время Постоянная Высокая
30 сек С ручным восстановлением
10 мин Ремонтопригодных систем
3 час

24. Максимальное время восстановления, необходимое дляприведения интеллектуальных устройств в рабочее состояние после неисправности определяется требованиями к их избыточности.

Раздел2. Обзоринтеллектуальных датчиков
 
2.1 Описание современных интеллектуальных датчиков
В литературе под термином « интеллектуальные датчики» понимают разные по возможности классы датчиков, часто любой датчик, имеющий всвоем составе микропроцессор называют интеллектуальным датчиком независимо o r функций, выполняемых микропроцессором.
СтруктураИД состоит из двух взаимосвязиiiimx блоков: элемента (сенсора) и прсобрамнипеля. Последнийкомплектуется из программируемою микропроцессора с оперитиипым и постоянныммодулем памяти, аналого- цифрового преобразователя, сетевого контроллера связис типовыми полевыми сетями. Как сенсор, так и преобразователь дотчика, обычно, имеют ряд вариантов исполнения,рассчитанных на различные свойства измеряемой и окружающей среды.
Вариантыисполнения сенсора: различные методы восприятия измеряемых величин: разноесоединение сенсора с конструкцией объекта измерения; разный тип корпусасенсора, определяемый давлением, температурой, помехами в месте измерения:разный материал корпуса сенсора (под обычную, химически агресеиипую, активную,взрывоопасную, гишеническую среды).
Вариантыисполнения преобразователя: питание от внутреннею или внешнего источника;разные виды выходных сигналов и коммутационных свя зей с полевыми сетями, разноезащитное исполнение от возможных помех и свойств окружающей среды.
Большинствопроизводителей комплектуют датчики из сочетания разных нариантов сенсоров сразными вариантами преобразователей,
рассчитанныхна работу с данной серией сенсором, благодаря этому удается наиболее точки и полно удовлетворить отдельнымконкретным требоианиям к прибору.
Кпоследнее время получают распространение мулы исенсорные датчики, когда кодному преобразователю подключается ряд сенсоров, воспринимающих различные илиоднотиш! ые неличины.
Кромеобычных функций восприятия искомой неличины и преобразовать сигнала,современные интеллектуальные датчики выполняют ряд других функций, сущест неннорасширяющих их возможности и улучшающих их технические хорнктеристики.
В ИДпроводятся необходимые преобразования измерительной информации: усилениесигналов сенсора, стандартизация диапазонов выходных аналоговых сигналов,линеаризация и фильтрация, расчет выходных значений но заданным алгоритмам,аналого-цифровое преобразование значений измеряемой неличины.
В процессеработы датчики выполняют анализ своей работы: при возникновении различныхсбоин, нарушений и неисправностей фиксируют их место возникновения и причину, определяют выход погрешности прибора заустановленное значение, анализируют работу балы данных датчика, рассматриваютправильность учета факторов, которые корректируют выходные показания датчика.Датчик может выдавать оператору до 30-ти различных сообщений, конкретизирующихтекущие особенности его работы и речко облегчающих и ускоряющих егообслуживание. Обычно информация, выдаваемая датчиком об отдельных егонеисправностях, подразделяется на два типа:
1-  некритическая информация,когда датчик требует определенного обслуживания, нпоо измеряемым им значения могутиспользоваться для управления;
2-  критическая информация, когдавыходные данные датчики неверны и либо требуется немедленное вмешательствооператора по приостановке использования его показаний, либо сям датчик переводит свой выход в постоянноебезопасное дляуправления процессом значение, и сообщает о необходимости срочного обслуживания прибора.
Датчикихранят в своей памяти и по дистанционному запросу пользователя ныданп нееданные; определяющие свойства, характеристики, параметры данного конкретногоприбора: его тип, заводской номер, технические показатели, возможные диапазоныизмерения, устаможенную шкалу, заданные параметры настройки сенсора, работающуюверсию программной» обеспечения, архив проведенных метрологических поверок,срок проведения следующей поверки датчика и т.п. Кроме того датчики могут иметьархив текущих измеряемых и вычисляемых ими значений величин за заданныйинтервал времени.
В ИДосуществляется дистанционное формирование или модификацияпользователем основных настроечных параметров датчики: установка нуля прибора,выбор заданного диапазона измерения, фильтрация текущих значений, выборнаименования единиц измерения, в которых датчик должен выдавать информацию ит.п. действия.
ИДвыполняет автоматический анализ изменений измеряемой величины и текущего состояниясрсды измерения: определение кыходов значений измеряемой величины за заданныенормы, выдача различных сообщений об изменениях значений измеряемой величины,проверка нахождения в допустимых диапазонах параметров измеряемой среды. Всеэти функции дистанционно настраиваются пользователем.
Впоследнее время на ИД возлагают упршшяющие функции (особенно при ихиспользовании с полевой сетью Foundation Ficldbus).
Дляреализации этих функций в памятьмикропроцессора датчика прошивается соответствующий набор типовых программныхмодулей, а их инициация и параметризация проводится дистанционно оиеритром спомощью простейшего графического конфигуратора. В качестве типовых программныхмодулей используются простейшиеарифметические и логические операции, таймер, элемент чистою запаздывания, mnei-parop, варианты регуляторов: Р, 1, PI, PD, PED и т.п. функции, из которых легконабираются конкретные алгоритмы регулирований разных видов, блокировочныеэазисимости, алгоритмы смешивания и другие алгоритмы управления технологическимипроцессами.
Коммуникационносовременные интеллектуальные датчики поддерживают три стандарта полевых сетей:сеть с HART-протоколом, сеть Frofibus, Foundation Fieldbus. Протокол HAST основан на аналоговой 4-20 мАтехнологии и имеет два вариантасвязи.
При первомварианте реализуется связь каждого прибора с контроллером по отдельной парепроводов, по которой могут проходить как аналоговый (например, 4...20 мА), таки цифровые сигналы,
Последниесодержаг дополнительную информацию о работе прибора: диапазон и единицыизмерения, дату калибровки, результаты самодиагностики и т.д.
Приповторном варианте связи реализуется соединение ряда приборов с контроллером поодной паре проводов, в этом случае по паре проводов могут проходить толькоцифровые сигналы. Питание прибора осуществляется от блока питания контроллерапо пой же паре проводов.
Основныехарактеристики сети: метод доступа — ведущий/ведомый (в сети может быть до двухведущих узлов); физическая среда передач — последовательный порт RS-232C и витаякара; топология сети — зиезда (при соединении к контроллеру датчиков саналоговыми выходными сигналами или шина (при цифровых выходных сигналахдатчиков); режимы работы — асинхронный (кодирующий узел посылает зал tpoc, а ведомый — ответ или синхронный(когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу); при шиннойархитектуре к сети может быть подключены 15 ведомых узлов (обычно подключают довосьми приборов); длила линии связи до 1500 м; скорость передачи данных 1200 бит/с; протокол HART реализует по общей модели числа,наименования и состава уровней любого протокола — модели OSI первый (физический), второй(канальный), седьмой (прикладной) уровни; команды от аедущих узлов могут быть трехвидов: универсальные на лее ведомые узлы, типовые на многие узлы специфическиена конкретные ведомые узлы.
Каждоесообщение от прибора может содержать информацию двух типов: текущие данные,статус прибора. Статус определяет оперативное состояние прибора: так называемый«нормальный последовательный статус», когда данные от него могут бытьиспользованы для вычисления, управления; нормальный непоследовательный статус,когда данные от него корректны, но с прибором связана какая-то тревога;«неопределенный статус», когда данные не полностью корректны, но все же могутбыть использованы; «плохой статус», когда данные не могут быть использованы.
Стандартнаясеть PROFIBUS. Данная сеть (международный стандарт1ЕС 6115S) получает все более широкоераспространение среди европейских производителей средств автоматизации.
На полевомуровне сеть поддерживает два вида протоколов: протокол Profibus DP для быстрой коммуникации контроллеровс удаленными блоками вода/вывода и с интеллектуальными приборами; протокол Profibus РА, который используется для тех жеделей" во взрывоопасных средах. Последний имеет иную физическуюреализацию: безопасное низковольтное исполнение. По сети может передаватьсяцитание от контроллера к приборам, подключенным к сети.
Основныехарактеристики сети PROFIBUS: физически передача данных всети осуществляется через порт RS-4S5 и экранированную витую пару, либочерез оптоволоконный кабель; сеть обеспечивает любые виды соединений (шина,дерево, звезда, кольцо); метод доступа к сети — ведущий/ведомый: в сетивозможно наличие нескольких веяуших устройств, общающихся между собою с помощью маркера; но модели OSI протокол сети использует первый(физический), второй (канальный), седьмой (прикладной) уровни; общее числоустройств на сети до 126- из которых 32 узла могу! быть аедущими: скоростьпередачи данных на витой паре варьируется от 9.6 Кбиг/с до 1.5 Мбита/с (припротоколе Profibus РА скорость передачи данных на витойпаре до 31 Кбит/с): длина сети на витой паре до 1.2 км или до 4.В км с повторителями, на оптоволокне — до 23 км.
Передаваемыеустройствами диагностические сообщения имеют три уровня иерархии; диагностикавсего устройства (например, упало напряжение литания), диагностика модуляустройства (например, отказал восьмикаъалыгай цифровой модуль выходныхсигналов), диагностика канала (например, а канале А модуля Б не проходитсигнал). В сети реализована коррекция ошибок: в любой посылке данных триошибочных бита будут обнаружены, а один ошибочный бит может бытьвосстановлен.
Стандартнаясеть Foundation Fieldbus. В нее «ходят порядка 90%производителей средств и услуг в области автоматизации. Сейчас зга сетьвключена в международный стандарт EEC 63158, принятый в 1999 г. И по многимдалее перечисленным ее свойствам может считаться наиболее перспективнойстандартной полевой сетью.
Сетьобеспечивает связь контроллеров с выносными блоками вводе/вывода и синтеллектуальными приборами при учете специфики работы приборов вовзрывоопасной среде. По сети передается питание от контроллера к приборам,подключенным к сети.
Для болееполного и рационального использования все возрастающей мощностимикропроцессоров, встраиваемых в кшеллекгуальные приборы, применительно к сети Foundation Fieldbus, разработка специальная идеология Fieldbus Foundation, которая ставит своей целью перенос типовыхалгоритмов переработки измерительной информации (фильтрации, масштабирования,линеаризации и т.п.), регулирования (стабилизации,слежения, каскадного управления и т.п.), логического управления пуска,остановка, блокировки группы механизмов в т.п.) на самый нижний уровеньуправления: уровень интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. Всоответствии с этой идеологией и стандарт Foundation Fcldbusвнесены специальные правила работы и обмена информацией между интеллектуальнымитаборами в сети при учете, что каждый прибор в сети, кроме обычных функцийаналого-цифрового или цифро-аналогового преобразования может реализовыватьтиповые функции контроля и управления.
Базовый вариант сети — Foundation Fieldbus HI (FTHI); он реализует безопасную работу приборов вовзрывоопасной среде. Кроме него существует вариант Foundation fieldbusН2 (FF Н2); близкий по характеристикам к варианту FFЮ, в котором специфика работы приборов во взрывоопасной среде не учитывается.
Основные характеристики сет» FF HI: топология сети — шина или дерево; физически передачаданных в сети осуществляется через «орт RS-485и экранированную витую пару; длина линии передачи — 1,9 км; скорость передачи данных — 31,25 Кбита/с; число подключаем их к сети устройств до 32;протокол сети использует три уровня по модели OSI: первый (физический уровень), второй (канальныйуровень) и седьмой (прикладной уровень), а также добавочный пользовательскийуровень, на котором фиксируется ряд важных функций и правил; метод доступа ксети — маркет; управление сетью может быть распределено между несколькимиактивными планировщиками связей, которые могут резервировать Друг друга; периодическийцикл передачи информации с учетом отработки в приборах контуров управлениясоставляет 50 мс; аналогично HARTпротоколу здесь используется понятие «статус», которое каждый цикл можетпередаваться каждым прибором по сети вместе с его данными.
Встандарт FF HIвведен пользовательский уровень. Опопределяет связи, с помощью которых оператор может взаимодействовать с приборамилибо через, так называемую, серию блоков, либо через описатели приборов.
Современныеинтеллектуальные датчики обеспечивают;
· резкое уменьшениеискажений измерительной информации на пути от датчика к контроллеру, т.к. вместонизковольтного аналогового сигнала по кабелю, соединяющему датчики сконтроллером, идут цифровые сигналы, на которые электрические и магнитныепромышленные помехи оказывают несравнимо меньшее влияние;
· увеличение надежностиизмерения благодаря самодиагностике датчиков, тле. каждый датчик сам оперативносообщает оператору факт и тип возникающего нарушения, тем самым, исключаяиспользование дня управления некачественных и/или недостоверных измерении;
· возможностьиспользования принципов измерения, требующих достаточно сложной вычислительной обработкивыходных сигналов сенсора, но имеющий рад и ре имущее тв перед традиционноиспользуемыми принципами измерения по точности, стабильности показаний,простота установки и обслуживания датчика в процессе его эксплуатации;
· возможность построениямулътисенсорных датчиков, в которых преобразователь получает и перерабатывает сигналыряда однотипных или разнотипных чувствительных элементов;
· возможность проведениявсей необходимой первичной переработки измерительной информации в датчике ивыдачи им искомого текущего значения измеряемой величины в заданных единицахизмерения;
· возможность передачи всистему автоматизации не только текущего значения измеряемой величины, но идобавочных сигналов о выходе его за пределы заданных норм, а также возможностьпередачи
· посети не каждого текущего измеряемогозначении, а только изменившегося по сравнению с предыдущим значения, иливышедшего за пределы заданных норм значения, или значения, требующегоуправляющего воздействия;
· наличие в датчике базы данных для хранениязначений измеряемой величины за заданный длительный интервал времени;
· возможность дистанционно с пультаоператора а оперативном режиме выбирать диапазон измерения датчика,устанавливать ноль прибора;
· возможность, путем программирования работыдатчика на достаточно простом технологическом языке, реализовать в нем простыеалгоритмы регулирования, программного у правлении, блокировок механизмов;
· возможность строить достаточно простыецепи регулирования, программного управления, блокировок на самом нижнем уровнеуправления из трех компонентов: интеллектуальных датчиков, полевой сети иинтеллектуальных исполнительных механизмов, не загружая память вычислительнымиоперациями контроллеры, что позволяет использовать мощность контроллеров дляреализации в них достаточно сложных и совершенных алгоритмов управления.
В настоящее время наблюдаются следующие тенденции развития ИД. Развитиемногофункциональных свойств датчика. Перспективные разработки ведутся пореализации в датчике функции прогнозирования значения измеряемой величины, поуглублению текущей самодиагностики датчика и на ее базе по прогнозированию всамом датчике возможной некорректной его работы и по составлению рекомендацийпо его обслуживанию, a также по адаптациишкалы датчика к диапазону изменения измеряемой величины. Кроме того, всебольший объем задач по расчету показателей, по обнаружению заданных событий.
Пореализации задач управления перекладываете я с контроллера на датчик. Ввидуэтого сам термин «датчик» становится все более неполным и условным.
Миниатюризация датчика. Создание миниатюрных датчиковна базе ряда известных и частично новых методов измерения с использованиемминиатюрных по размерам микропроцессоров позволяет выпускать промышленноеоборудование с встроенными в него датчиками и создавать системы автоматическогомониторинга работы машин и механизмов, кттгорые определяют текущий износотдельных узлов оборудования и, следовательно, повышают надежность его работы исовершенствуют имеющуюся на предприятиях систему обслуживания н ремонтаоборудования.
Расширение видов связи датчика с контроллером. Внастоящее время датчик связывается с контроллером либо через самостоятельный проводнойканал аналоговых сигналов, либо через общую для ряда датчиков цифровуюпроводную сеть. В случае значительною удаления датчиков от основных средствсистемы автоматизации датчик с помощью отдельных специальных средствтелемеханики может общаться с контроллером по радиоканалу. В ряде фирм сейчасведутся работы по созданию беспроводных датчиков, в которые встраиваются блоки коротковолновойрадиосвязи (аналогичными блоками оснащаются и контролеры). Предпосылкамиразвития указанных типов датчиков служат с одной стороны наблюдающееся снижениестоимости средств коротковолновой радиосвязи и повышение надежности работы этихсредств, а с другой стороны возникающая экономия затрат на проводную связь,упрощение монтажа системы и расширение возможных мест установки датчиков.
Часто материалы, процессы изготовления или отдельныеоперации сенсорных технологам несовместимы с материалами, производственнымипроцессами или эксплуатационными требованиями технологий, обеспечивающих «интеллектуальные»способности на основе микроэлектроники. Процесс тесной интеграции интеллекта а датчикахтребует сочетания сметанных технологий изготовления интегральных схем спроизводственной технологией, применяемой при создании соответствующихдатчиков.
При изготовлении ИД может возникнуть технологическаянесовместимость в процессе интеграции.
Очевидный пример подобной технологическойнесовместимости -случай термопары. Рассчитанной' на работу в температурномдиапазоне 300...500 «С. Не говоря уже о том, что большинствомикроэлектронных устройств не могут работать при температурах выше 150 'С, материалы,используемые для создания термопар, как правило, несовместимы с материаламитщательно контролируемой высокой чистоты, используемыми в процессах созданиякремниевой микроэлектроники. Ничтожные количества металлов, используемых обычнои термопарах, таких как хром, никель, железо, платина, медь и алюминий, могутсыграть роль легирующих примесей в полупроводниках. Присутствие микроскопическихколичеств этих металлов на некоторых стадиях изготовления микроэлектроникиможет испортить весь процесс.
В некоторых случаях интеллектуальные интерфейсы могутподдерживать желаемые сетевые возможности, не требуя от технологии изготовлениядатчиков технической совместимости.
Интеллектуальный интерфейс объединяет функциональныевозможности схем обработки сигналов и сетевых схем в единый интерфейс ИД.который служит промежуточным звеном между сетью и датчиком.
Микросенсорные кластеры.
Одиночные интеллектуальные датчики весьма полезны вомногих ситуациях. Однако очень часто для реализации некоторых функции
требуетсямножество датчиков, В таких случаях необходима интеграция группы датчиков снесколькими вспомогательными компонентами. В результате появляется микропроцессорныйкластер. Компоненты микропроцессорный кластера изображены на рис,2.1.Необходимысемь составляющих: несколько сенсоров, интерфейсная электроника,микроконтроллер или другие средства вычисления, (с ассоциированной памятью),средства передачи информации и, возможно, получения команд или новых программ,источник питания, печатная плата и корпус. Наряду с концепцией микропроцессорногокластера имеет место и другой распространенный подход к многосеннсорным системам.Многие серийные системы имеют узлы, включающие большинство означенных функций,но сенсоры связаны между собой, а не интегрированы
В ближайшем будущем сети датчиков будут развиваться по двум, направлениям.Во-первых, появятся сенсорные кластеры с большими функциональнымивозможностями, более компактные и с меньшим энергопотреблением. Во-вторых,станут доступными усовершенствованные средства беспроводной передачи данных.
Сверхзадачаискусственного интеллекта датч1ош — увеличение сю срока службы в метрологическом исправном состоянии
В качестве определяющегопризнака ИД предполагают принять наличие избыточности, обеспечивающейвосприятие и переработку дополнительной информации и на этой основе выполнениефункций метрологического самоконтроля.
Способность метрологическомусамоконтролю позволяет ИД осуществлять функции самокоррекций и обеспеченияживучести.
Одним изопределяющих признаков ИД состоит в выполнении им, помимо основной функции,функции автоматического метрологического самоконтроля — контроляметрологической исправности.
Для повышенияэффективности проектирования интеллектуальных датчиков необходимо создание базданных, касающихся:
1. физических и химических процессов в чувствительных элементах датчиков,порождающих рост опасных составляющих погрешности;
2. динамики изменения погрешности датчиков на многолетнем интервале сучетом условий их эксплуатации;
3.методов испытаний, позволяющих выявлять производственные источники ростапогрешности датчика
4. методов организации метрологического диагностического самоконтроля.
Интеллектуальныедатчики — стратегическое направление в измерительной технике, гарантирующеезначительный экономический эффект.

2.2 Устройство иработа некоторых современных датчиков Устройствои работа датчиков «Сапфир-22МП»
Электронный блок ЭБ датчика смонтирован на одной плате,размещенной в корпусе прибора. Структурная схема электронного блокапредставлена на рис. 2.3.
/>
Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует выходноенапряжение тензопреобразователя ТП в цифровой код. При этом обеспечиваетсяисключение влияния тока питания ТП на результат преобразования и осуществляетсяэффективное подавление помех (в первую очередь промышленной частоты). АЦПуправляется микропроцессором МП и имеет встроенную систему автоматическойкоррекции погрешностей. Кроме того, АЦП преобразует в код сигнал с ТП, несущийинформацию о температуре. Этот код используется для автоматической цифровойкоррекции температурных погрешностей измерительного блока, АЦП ицифроаналогового преобразователя ЦАП.
Микропроцессор МП управляет работой всех узлов электронногоблока с учетом индивидуальных характеристик измерительного блока. Он производиткоррекцию нелинейности функции преобразования и коррекцию температурных погрешностейвсех звеньев датчика. Индивидуальные параметры звеньев, а также параметрытребуемой функции преобразования датчика записываются и хранятся в запоминающемустройстве ЗУ. Записанные данные сохраняются при отключении энергопитания,поэтому при включении питания датчик сразу готов к работе. Скорректированныйкод передается в ЦАП, где преобразуется в унифицированный токовый выходнойсигнал.
Особенностью датчиков «Сапфир-22МП» является применениеспециального пульта управления ПУ. Пульт универсален, что позволяет емуработать с любыми моделями датчиков Саифир-22МП. В него входит микропроцессорМП, клавиатура К и цифробуквенное индикаторное табло ИТ. ПУ предназначен длянастройки, калибровки и контроля параметров датчика. Он представляет собойотдельное устройство с автономным питанием (батарея типа «Крона») иподключается к плате электронного блока датчика с помощью трехпроводной линиисвязи. Следует отметить, что ПУ не является аналогом коммуникатора (устройстворучного управления), который входит в комплект интеллектуальных датчиков модели1151 фирмы Fisher-rosemount. В интеллектуальных датчиках коммуникатораподключается непосредственно в информационную линию (цепь 4...20 мА) ипозволяет осуществлять обмен данными по HART протоколу. Цифровой и аналоговыйсигналы передаются, но одной паре проводов, и обмен сообщениями между датчикоми коммутатором происходит путем простого наложения HART на токовую петлю. Приэтом не нарушаются условия взрывобезопасностиУстройство и работа датчиков «Сапфир-22Р»
Аналоговый электронный блок датчика спроектирован на новыхпринципах, схема блока защищена патентом Российской Федерации. Электронный блокунифицирован для всех моделей измерительных блоков системы и выполнен на однойплате с двухсторонним расположением элементов поверхностного монтажа иDIP-элементов. Сборка электронного блока осуществляется на самом современномтехнологическом оборудовании, сертифицированном по ISO 9002, со 100 % контролемкак собственно сборки, так и электрических характеристик. Это значительноповышает качество и надежность датчиков в целом. Электронный блок полностьювыполнен на радиоэлементах производства США и западной Европы. Структурнаясхема электронного преобразователя датчиков «Сапфир-22Р» представлена на рис.2.4.
Формирователь питающих и опорных напряжений и токовобеспечивает напряжения питания, опорные напряжения для схем сравнения икоммутации и ток питания чувствительного элемента измерительного блока.
Измерительный усилитель преобразует выходное напряжение чувствительногоэлемента измерительного блока в нормированный сигнал.
Корректор температурной погрешности «нуля» принимаетинформацию о температуре измерительного блока, и, используя опорные напряжения,обеспечивает «N точек излома температурной характеристики «Нуля», чемдостигается глубокая коррекция температурной погрешности «нуля».
Корректор статической нелинейности измерительного блока,используя пороговую схему, которая обеспечивает «М» точек излома,аппроксимирует нелинейное выходное напряжение измерительного блока «М+1»линейными участками, каждый из которых имеет свой коэффициент ±Км и синтезируетлинейное (с необходимой точностью, определяемой значением «М») выходноенапряжение электронного блока.
Корректор температурной погрешности «диапазона», используяинформацию об изменении температуры и опорные напряжения, обеспечивает «К»точек излома температурной характеристики «диапазон» и аппроксимируеттемпературную зависимость, чем достигается глубокая коррекция температурнойпогрешности «диапазона».
Коммутатор пределов измерения обеспечивает переключениепределов измерения 1:10.
Формирователь выходных токов электронного блока преобразуетнормированное напряжение в выходной ток.
Элементы коммутации и потенциометры оперативной регулировкиудобно и доступно расположены на плате электронного блока. Специальный канал вкорпусе электронного блока служит для доступа к корректору «ноль тонко»,позволяющему настраивать начальное значение выходного сигнала после монтажадатчика. В зависимости от назначения датчик имеет сальниковый кабельный вывод(основное исполнение), электрический разъем в исполнении «для АЭС» илиспециальный кабельный вывод для вида взрывозащиты «взрывонепроницаемаяоболочка».
Для предотвращения несанкционированного доступа к токонесущимэлементам взрывозащищенных датчиков служит пломбируемый винт.
Электронный блок позволяет осуществлять контроль выходноготокового сигнала без разрыва цепи нагрузки при помощи миллиамперметра иливольтметра, которые подключаются к специальным тестовым клеммам. Клеммнаяколодка аналогична применяемым в системах «Сапфир-22» и «Сапфир-22М», т.к.используется корпус электронного блока от системы «Сапфир-22». Более того, этоустройство привычно в эксплуатации для таких крупных потребителей, как АЭС.
При необходимости с помощью органов регулирования датчикможет быть перенастроен на любое нижнее и верхнее предельное значения выходногосигнала и любой вид выходной характеристики.
Для датчиков, настроенных на любой «младший» предел измеренияp/pmах
Допустим, по технологическому процессу необходимоконтролировать давление в диапазоне от 9 до 10 кПа, что соответствуетприменению датчика этой модели. В этом случае датчик настраивается на «младший»верхний предел измерения – 1 кПа и начальное значение выходного сигналасмешается на давление 9 кПа. Тогда полное значение изменения выходного сигнала(например, 0...5 мА) будет соответствовать 10% шкалы изменения измеряемого параметра.Устройство и работа датчика давленияGerabar S (Endress+Hauser)
Датчик представляет собой программируемое средство измерения.Настройка датчика осуществляется оперативно с помощью кнопок на самом датчикеили удалено в программном режиме через интерфейс цифровой коммуникации.Измерительная информация отображается на аналого-цифровом жидкокристаллическомдисплее датчика, на мониторе компьютера, контроллере, устройстве регистрации.
Датчик представляет результаты измерения в различных единицахдавления. В датчике производится самодиагностика и индикация неисправностей.Устройство и работа  Гидростатическогодатчика уровня Delta-pilot S (Endress+Hauser)
Датчик основан на измерении гидростатического давления столбажидкости. Уровнемер представляет собой программируемое средство измерения. Настройкадатчика выполняется на месте с помощью 4-х кнопок самого датчика илидистанционно в программном режиме через интерфейс цифровой коммуникации.
В уровнемере производится самодиагностика и индикациянеисправностей. Фирма Endress+Hauser выпускает интеллектуальные датчикирасхода. Интеллектуальные датчики расхода также выпускают фирмы „PANAMETRICS“, «Теплоприбор».Устройство и работа интеллектуальногодатчика температуры ТСТП
Датчик температуры ТСТП предназначен для измерениятемпературы различных газообразных, сыпучих и жидких сред.
ИД ТСТП измеряет температуру с помощью термометровсопротивления ТСМ, ТСП и термопреобразователей ТХА и преобразует аналоговыйсигнал в цифровой.
С помощью последовательного интерфейса RS-485 можноодновременно подключить до 255 устройств в одной сети.
Датчик изготавливается ЗАО ПК «Промконтроллер».
Фирмой Siemens Schweiz разработана новая технология,реализующая концепцию интеллектуального встраивания датчиков в средуавтоматизации.
Для коммуникации датчиков с децентрализованной перифериейиспользована полевая шина Profibus DP, что позволило передавать параметры иданные диагностики па значительное расстояние от управляемой установки.
Предусмотрена настройка датчиков прямо из системы управления,что позволило отказаться от настройки каждого датчика в отдельности.
Новая технология обеспечивает автоматическую диагностикуповреждений, в т.ч. обрыва проводов, короткого замыкания, наличия загрязнений ивыхода из строя датчика.
Данные диагностики передаются по 2-проводной линии вместе синформацией о коммутационных состояниях.
Основу конструкции ИД тока (электроизмерительные клещиКЭИ-0,6) составляет кольцевой магнитопровод из феррита марки 2000 НМ и датчикХолла.
В датчике измеряется магнитное поле протекающего тока.
Внешне конструкция такого датчика практически не отличаетсяот известных конструкций токоизмерительных клещей с разъемными губками,автономным питанием и индикацией значений тока на экране индикатора. Основнымэлементом электронной схемы подобного датчика является так называемый«пик-процессор» (ГШ). Это однокристальная микро-ЭВМ, которая и обеспечиваетинтеллектуальную часть клещей. ПИК-процессор обладает памятью EEPROM объемом1Кх14 для записи программ, памятью EEPROM данных объемом 64x8, восьмиуровневымаппаратным стеком, четырьмя источниками прерываний; поддерживает АССЕМБЛЕР,состоящий всего из 35 словесных инструкций, и внутрисъемный эмулятор. Эти жеинструменты поддерживает и IBM PC. Последнее позволяет разработать и отладитьпрограмму работы 1111 и IBM PC, записать ее в память ПП.
Использование ПП позволило существенно сократить числоорганов управления токовыми клещами, не ухудшая при этом основных параметровприбора. Так. Значительно упрощается процедура настройки клещей в процессе ихизготовления, снижается погрешность измерения и т.д.
Но, самое главное, наличие в схеме электроизмерительныхклещей такого ПП обеспечивает реализацию принципиально новых возможностей и,как следствие, расширение диапазона применения таких клещей, причем теперь дляизменения алгоритма работы клещей, получения новых функций вовсе не нужноменять «железо», все это решается программно.
Конструктивные особенности клещей КЭИ-0,6. Простая механика,используемая в конструкции, позволяет легко раскрывать губки клещей левойрукой, при этом правая рука свободна для записи измеренных значений и другихдействий. На лицевой панели клещей расположен экран жидкокристаллическогоиндикатора (ЖКИ), куда выводится мгновенное значение измеряемого тока илидругие измеряемые параметры. Род измерений устанавливается ползунковымпереключателем. Рядом находится миниатюрный кнопочный переключатель, с помощьюкоторого можно запомнить максимальное значение измеряемого параметра.
В качестве автономного источника питания в клещахиспользуется две пальчиковые батарейки на 9 В. Малое энергопотреблениепозволяет работать с одним комплектом батареек больше месяца непрерывно. Врежиме «спячки» один комплект прослужит около года.
Измерение постоянного и переменного токов. Разработанные ипредлагаемые для реализации клещи КЭП-0,6 предназначены для измеренияпостоянного, переменного и импульсного токов в диапазоне 0...600 А. Органыуправления включают в себя движковый переключатель и две кнопки: «Уст. О» и«Память». Движковый переключатель устанавливает режим работ: измерение тока вамперах; измерение напряжения в вольтах, либо измерение тока в амперах,измерение температуры в градусах Цельсия.
Кнопки «память» позволяет запоминать последнее значениеизмеряемого параметра или находить его максимальное значение за определенныйпромежуток времени. Клещи КЭИ-0,6 включаются нажатием на любую из кнопок. Передначалом работы рекомендуется установить «О» нажатием на кнопку «Уст. О».
При измерении тока движковый переключатель устанавливается вположение «Ток, А». Теперь, чтобы измерить ток в шине, достаточно, разжавгубки, пропустить шину в отверстие клещей. Жидкокристаллический индикаторпокажет величину постоянного тока со знаком в старшем разряде либо действующеезначение переменного тока (50 Гц) с соответствующим значком в старшем разряде.
Для запоминания величины тока в желаемый момент временинеобходимо нажать на кнопку «Память» и отпустить ее. Если кнопку не отпускать,запомнится максимальное значение тока за время удержания кнопки.
Измерение напряжения или температуры. При измерениинапряжения движковых переключателей устанавливается в положение «Напряжение,В». Клеммы на корпусе «I» и » предназначены для выносных кабелей со щупами.Манипуляция с кнопками такие же, как и для измерения тока.
При измерении температуры движковый переключательустанавливается в положение «Температура». Окно термочувствительной области нагубках клещей контактирует с предметом, температуру которого необходимоизмерить. При этом на ЖКИ высвечивается температура в градусах Цельсия.
Дополнительные функции клещей КЭИ-0,6. Наличиепрограммируемого ПП позволяет по требованию заказчиков расширить функциональныевозможности клещей. Так, например, компенсируя нелинейность каждого конкретногодатчика Холла путем задания функции преобразования для определенных клещей,можно в несколько раз снизить погрешность измерений. Используя напряжение какопорную величину, можно измерять угол сдвига между током и напряжением в цепи ит.д.2.6 Российский рынок промышленных датчиков
Автоматические системы управления современным производством –это комплекс сложного многоуровневого оборудования, нацеленный на обеспечениемаксимальной производительности и высокого качества выпускаемой продукции.Взаимодействие систем управления с технологическими процессами при производствепродукции, контроль за параметрами, количеством и качеством продуктаосуществляется различными датчиками и аналитическим оборудованием. Применениедатчиков позволяет постоянно контролировать ход технологического процесса иоптимизировать его, что улучшает качество продукции и повышаетконкурентоспособность производства. Рост цен на энергоносители и материалыповышает требования к их учету и эффективному использованию, а значит, и в этомслучае возникает потребность в приборах учета.
В середине 90-х гг. в России началась активная модернизацияпроизводственного оборудования, установленного зачастую еще в 70-е и 80-е гг.Началось строительство новых производств с высоким уровнем автоматизациитехнологических процессов. Устойчивый рост промышленного производства в Россииначиная с 1999 г. означает в том числе и увеличение темпов внедрениясовременных технологий и систем управления.
Рост потребности в датчиках и аналитическом оборудованиипроисходит сейчас опережающими темпами по сравнению с общим ростом отраслейпромышленности. Это связано с тем, что помимо создания новых производственныхмощностей идет активная модернизация оборудования, установленного еще 20 или 30лет назад и уже давно не отвечающего современным требованиям. Значительную долюзанимает также плановая замена и ремонт датчиков на уже работающихпроизводствах.
Ниже проводится анализ положения на российском рынкепромышленных датчиков, перспективы развития и новинки сенсорных технологий.
Для простоты все типы датчиков и аналитического оборудованияразделены по типу измеряемой величины и сгруппированы в пять разделов, смыслкоторых понятен интуитивно: огонь, воздух, вода, земля и человек.
Огонь. Датчики температуры, оптические датчики и датчикипламени
Датчики температуры, пожалуй, один из самых распространенныхтипов датчиков. Температуру необходимо измерять везде: в сталеплавильной печи,химическом реакторе или в квартире, в системе отопления. Используемые впромышленности датчики температуры можно разделить по типу измерения наконтактные и бесконтактные датчики температуры. Бесконтактные датчикииспользуют принцип измерения мощности инфракрасного излучения, идущего откаждого объекта, будь то расплавленный металл или кусок льда. Инфракрасноеизлучение с длиной волны 3–14 мкм от измеряемого объекта попадает начувствительный элемент бесконтактного датчика температуры и преобразуется вэлектрический сигнал, который затем усиливается, нормируется, а в новых моделяхдатчиков и оцифровывается для передачи по сети.
Бесконтактные датчики температуры применяются там, гдезатруднен доступ к измеряемым деталям, а также необходима мобильность и малаяинерционность измерений. Кроме того, бесконтактные датчики температурынезаменимы там, где необходимо измерять высокие температуры – от 1500 до 30007С. К особому виду ИК-датчиков температуры можно отнести ИК-камеры, которыепозволяют получать картину распределения температуры на поверхности измеряемогообъекта. Современные технологии позволяют создать недорогие камеры безохлаждаемых и движущихся частей. Например, прибор Thermo View Ti30 производстваRaytek, воспроизводящий изображения в ИК-спектре с разрешением 160x160 точек иточностью 2 % при температуре в диапазоне от 0 до 2507 С. Прибор имеетсобственную память изображений и снабжен USB-портом для передачи их файлов вкомпьютер.
Интересны также модели бесконтактных датчиков температуры,разработанные для измерения температуры прозрачных объектов – стекла ипластиковой пленки, датчики для работы в запыленной или задымленной среде,датчики для измерения температуры пищевых продуктов в холодильных камерах.
Контактные датчики температуры – это прежде всего термопары итермосопротивления. Основным преимуществом данного типа датчиков являетсявысокая точность измерения и их относительная дешевизна.
Наибольшее применение получили термопары Хромель-Копель (типL) и Хромель-Алюмель (тип J). Эти типы термопар обеспечивают высокую точность истабильность измерений в широком диапазоне температур.
Измерение температуры термосопротивлением основано на том,что такие материалы, как полупроводники и металлы изменяют свое электрическоесопротивление с изменением температуры. Полупроводниковые термосопротивления,обычно называемые термисторами, имеют среднюю точность и стабильностьпоказаний, однако такие датчики весьма дешевы и применяются там, гдеотсутствует необходимость в высокой точности измерений. Напротив, термосопротивленияс металлическим чувствительным элементом обеспечивают высокую точность истабильность измерений. В качестве металлов для термосопротивлений используетсяплатина, медь, реже никель.
Принцип измерения кремниевыми датчиками температуры основанна том, что кремний как полупроводник в значительной степени изменяет своесопротивление с температурой. Поскольку кремний также применяется дляпроизводства интегральных микросхем, то такие датчики температуры могут иметьсхемы усиления и обработки сигнала, схемы цифровых интерфейсов, позволяющиенапрямую подключать датчик к компьютеру или микропроцессору.
Воздух. Датчики давления, датчики состава газа, датчикискорости потока и расхода газа
Приборы для измерения давления применяются практически вовсех отраслях промышленности, особенно в машиностроении, химической, пищевойпромышленности и энергетике. Датчики давления можно разделить на следующиенесколько групп по типу измеряемого давления.
Датчики абсолютного давления. Точкой отсчета для них служитнулевое давление, т.е. вакуум. Такие датчики применяются в основном нахимических, пищевых производствах, в фармацевтике – там, где параметрытехнологического процесса зависят от абсолютного значения давления. Измеряемоеабсолютное давление обычно не превышает значения 50–60 бар.
Датчики относительного давления. Показания этих датчиковотсчитываются от значения внешнего атмосферного давления. Это наиболеераспространенный тип датчиков давления. Датчики относительного давленияизмеряют давление в системах водоснабжения, различных трубопроводах и емкостях.
Датчики дифференциального давления. Датчики имеют два входа,и результатом измерений является разница давлений между этими входами. Этаразница может быть как положительной, так и отрицательной, однако некоторыемодели датчиков дифференциального давления измеряют только односторонниеизменения дифференциального давления. Датчики дифференциального давленияприменяются для контроля загрязнения фильтров при фильтрации газов илижидкостей. Они используются как датчики уровня жидкости при измерении уровнягидростатическим методом. С помощью датчиков дифференциального давленияизмеряется расход жидкости.
Датчики давления разделяются по типу используемогочувствительного элемента. Это разделение предъявляет существенные требования кобластям применения датчиков давления.
Одним из первых типов датчика давления был датчик счувствительным элементом емкостного типа (имеются в виду устройства, имеющиеэлектрический выходной сигнал). Такие датчики применяются, например, в приборахдля измерения кровяного давления. Датчики давления с емкостным чувствительнымэлементом обладают высокой точностью измерений, большим диапазоном идолговременной стабильностью. Например, датчики давления серии 3015производства компании Rosemount обладают точностью измерения 0,15 %,долговременной стабильностью 0,125 % в течение пяти лет эксплуатации иперестраиваемым диапазоном 100:1.
Другим типом датчиков является датчик давления счувствительным элементом в виде мембраны с закрепленными на ней тензодатчнками.Как правило, мембрана изготавливается из нержавеющей стали или другого стойкогометалла. Тензодатчики обычно делают металлическими – из манганина иликонстантана – или кремниевыми.
Относительно недавно стали широко использоваться датчикидавления с мембраной из керамики, с пьезорезистивными датчиками. Датчики стакой мембраной имеют большую долговременную стабильность показаний и высокуюустойчивость к перегрузкам давления. Развитие электроники позволяет в большеймере применять микропроцессорные технологии в системах обработки сигналов одатчиков давления, реализуя цифровые интерфейсы вывода информации с датчиковили их перестройку по диапазону. Датчики давления PF2057 производства IFMElectronic имеют керамическую фронтальную мембрану, позволяющую использовать ихдля измерения давления вязких сред и суспензий, а также в пищевойпромышленности. Кроме токового выхода 4–20 мА датчик имеет пороговыйтранзисторный выход, светодиодный дисплей и может перестраиваться по диапазонув 4 раза.
Датчики состава газов применяются в химическом производстведля контроля за ходом технологического процесса, а также для мониторингасостояния атмосферы и обеспечения безопасности в производственных цехах и жилыхпомещениях.
Датчики, определяющие наличие и концентрацию взрывоопасныхгазов, таких как метан, пропан, водород, ацетилен, обычно используюткаталитический принцип. В таких устройствах поверхность чувствительногоэлемента покрыта тонким слоем катализатора, в качестве которого можетиспользоваться, например, платина, палладий или диоксид олова. Попадающий наслой катализатора газ окисляется кислородом воздуха и вызывает дополнительныйнагрев этого слоя. Изменение температуры приводит к появлению электрическогосигнала, который усиливается электронной схемой.
Датчики для определения концентраций токсичных газов, таких,например, как аммиак или сероводород, используют электрохимический принципизмерения. Газ поступает в измерительную ячейку, где под действиемэлектрического тока происходит химическая реакция. Выбирая материал электродови разделительной мембраны в измерительной ячейке, а также силу тока, можнодобиться 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 волнИК-диапазона. Тот или иной газ поглощает лишь определенные длины волн икоэффициент поглощения пропорционален концентрации газа. ИК-датчики газа имеютряд преимуществ, таких как долговременная стабильность, отсутствиечувствительности к другим газам, высокая точность. Несмотря на то что этот типдатчиков был разработан давно, его широкое применение сдерживалось высокойстоимостью оборудования. С появлением новых приемников и излучателейИК-диапазона стоимость таких приборов приближается к стоимости обычных датчиковгаза.
Вода. Датчики расхода, уровня жидкости, датчики анализажидкости.
Электронные расходомеры можно четко разделить по принципудействия, причем каждый тип расходомеров имеет свои особенности и занимаетсоответствующую нишу на рынке.
Кориолисовы расходомеры используют физический принцип,открытый французским математиком Густавом Кориолисом, который показал, что придвижении тела относительно вращающейся системы отсчета на него действует силаинерции. В кориолисовом расходомере расположены вибрирующие трубки, черезкоторые идет поток жидкости. Частота вибрации пропорциональна массовому расходужидкости. Этот тип расходомеров может работать как с жидкостями, так и сгазами, и обеспечивает очень высокую точность измерений. Основной недостатокданных приборов — высокая стоимость.
Электромагнитные расходомеры используют принцип генерацииэлектрического тока при движении проводника в магнитном поле. Из самогопринципа ясно, что электромагнитные расходомеры измеряют расход толькопроводящих жидкостей. Однако высокая точность, устойчивость к тяжелым условиямэксплуатации, отсутствие перепада давлений и низкая стоимость приборов делаетих незаменимыми там, где необходимо измерить расход воды или продуктов наводной основе. Электромагнитными расходомерами невозможно измерить расходнепроводящих жидкостей, например нефтепродуктов, однако эти приборы хорошоподходят для измерения расхода вязких жидкостей или даже пастообразных веществ,например йогурта или творога в пищевой промышленности.
Ультразвуковые расходомеры используют ультразвук дляизмерения скорости потока жидкости или газа. Расход вычисляется путем измерениялибо времени распространения ультразвука, либо изменения частоты ультразвуковыхколебаний (эффект Доплера). Ультразвуковые расходомеры позволяют измерятьрасход 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 появляютсятурбулентные завихрения, частота возникновения которых пропорциональна скоростипотока. Вихревые расходомеры имеют среднюю точность измерений и не работают прислишком малых потоках жидкости. Однако эти приборы широко применяются,например, для измерения расхода пара.
Тепловые расходомеры измеряют перенос тепла потоком газа илижидкости от нагревателя к термочувствительному элементу. Тепловые расходомерыфиксируют массовый расход газов или жидкостей (в кг/час), как и кориолисовыдатчики, в отличие от остальных, измеряющих объемный поток (в м3/час).Эти приборы имеют невысокую точность измерений, однако они могут работать принизких скоростях потока жидкостей или газов, где другие типы расходомеровнеприменимы.
Земля. Датчики расстояния, наличия предметов, датчикиположения и ориентации
Датчики расстояния, положения и наличия занимают центральноеместо в автоматизированных сборочных производствах, линиях по розливу иупаковке продуктов – то есть там, где необходимо определить наличие объекта илирасстояние до него. Конкретный тип датчиков выбирается в зависимости оттребований.
Индуктивные датчики определяют положение только металлическихобъектов. Причем, если ранние модели индуктивных датчиков были болеечувствительными к деталям из железа и магнитных материалов, то в настоящеевремя выпускаются модели датчиков, имеющих одинаковую чувствительность как кчерным, так и к цветным металлам. Совсем недавно появились и обратные датчики –чувствительные только к черным металлам. Например, модель IGC211 производствакомпании IFM Electronic. Такие датчики применяются, например, на конвейерах,где детали из латуни или дюраля не должны давать ложных срабатываний.
При необходимости определять положение неметаллическихпредметов выбираются емкостные, ультразвуковые или фотоэлектрические датчики.Емкостные датчики реагируют на изменения в электростатическом поле. Такиеизменения вызывает практически любой предмет – будь то твердое вещество илижидкость. Однако расстояние, на котором работают емкостные датчики, невелико исоставляет максимум 80 мм. Для измерения на больших расстояниях используютсяультразвуковые датчики, измеряющих время, за которое ультразвук проходитрасстояние от датчика до объекта и обратно.
Пожалуй, фотоэлектрические датчики наиболее разнообразны посвоим характеристикам и сфере применения, однако их принцип работы одинаков.Излучаемый датчиком свет рассеивается, отражается или поглощается объектом, иэти изменения воспринимаются фотоприемником. Благодаря тому, что в последнихмоделях фотоэлектрических датчиков применяется микропроцессорная обработкасигнала, удалось воплотить новые функции приборов, среди которых –автоматическое обучение в процессе работы. Например, для того чтобыперенастроить датчики контрастных меток серии KT5G производства компании Sickнет необходимости останавливать технологическую линию, как это делалось ранее.Перенастройка прибора происходит в процессе работы. С другой стороны, многиефункции датчиков, ранее доступные только для дорогих моделей, в настоящее времястали функционировать и в более дешевых изделиях. Примером тому являютсядатчики контрастных меток, стоимость которых снизилась в 2 — 3 раза.
Раздел 3. Первичные измерительные  преобразователитемпературы
интеллектуальный датчик преобразовательтемпература3.1 Основные характеристики датчиков температуры
В этом разделе под термином датчик подразумеваетсяпреобразователь.
Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может бытьописан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчикимежду собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующиеконкретным задачам.
Перечислим основные из этих характеристик:
1. Функция преобразования (градуировочная характеристика)представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины отизмеряемой величины: y = f(x)
Зависимость представляется в именованных величинах: у – вединицах выходного сигнала или параметрах датчика, х – в единицах измеряемойвеличины. Для датчиков температуры – Ом/°С или мВ/К.
2. Чувствительность – отношение приращения выходной величины датчикак приращению его входной величины: S = dy/dx
Для линейной части функции преобразования чувствительностьдатчика постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенствапроцесса преобразования в нем измеряемой величины.
3. Порог чувствительности – минимальное изменение значениявходной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительностисвязан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процессапреобразования измеряемой величины в датчике.
4. Предел преобразования – максимальное значение измеряемойвеличины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результатерабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше пределапреобразования по крайней мере на 10 %.
5. Метрологические характеристики – определяютсяконструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств,применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика сизмеряемым объектом.
Метрологические характеристики, в свою очередь, определяютхарактер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могутбыть случайными и они учитываются методами математической статистики.Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены изрезультатов измерения.
Основными видами систематических погрешностей являются:
-  погрешности, обусловленныенелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковыхдатчиков температуры;
-  погрешности, обусловленные вариациейфункции преобразования вследствие изменения направления действия входнойвеличины (для датчиков температуры это нагрев-охлаждение);
-  погрешности, обусловленныенесоответствием динамических возможностей датчика скорости воздействия входнойвеличины. Может быть учтено введением коэффициента термической инерции;
-  дополнительные погрешности,обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определяласьего функция преобразования;
-  погрешности, обусловленныенестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.
6. Надежность – рассматривается в двух аспектах: механическаянадежность и метрологическая надежность.
7. Эксплуатационные характеристики – к их числу могут бытьотнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочностьэлектрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а такжестойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность ит.д.
8. Стоимость и возможность серийного производства. 3.2Основные типы полупроводниковых датчиков температуры
Влияние температуры на электрофизические параметрыполупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителейзаряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости.На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качествеполупроводниковых 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 проводникови полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которогоизготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурнымкоэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивленияот температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиямокружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяетплатина; в чуть меньшей – медь.
Платиновые терморезисторы предназначены для измерениятемператур в пределах от – 260 до 1100 °С. В диапазоне температур от 0 до 650°С их используют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причемнестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей непревышает 0,001 °С.
Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов оттемпературы определяется следующими формулами:

Rt = Ro(l + At + Bt2)при 0
Rt = Ro[l + At + Bt2+ Ct3(t – 100)] при –200
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 ивоспроизводимостью характеристик. Их недостатками являются высокая стоимость инелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точныхизмерений температур в соответствующем диапазоне.
Широкое распространение на практике получили более дешевыемедные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления оттемпературы:
Rt = Ro(l + at)при -50
где а = 4.26*10-3(°С)-1.
Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивлениеи легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный пределприменения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 °С.По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторыуступают платиновым.
Тепловая инерционность стандартных термометров сопротивленияхарактеризуется показателем тепловой инерции (постоянной времени), значениякоторого лежат в пределах от десятков секунд до единиц минут. Постояннаявремени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивленияможет быть уменьшена до 0,1 с.
Находят применение также никелевые термометры сопротивления.Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость егосопротивления 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 литогомикропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторыгерметизированы, высокостабильны, малоинерционны и при малых габаритныхразмерах могут иметь сопротивления до десятков килоом.
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокойчувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (рис. 3.1).
/>
Они имеют отрицательный температурный коэффициентсопротивления, значение которого при 20 °С составляет (2–8)*10-2(°С)-1,т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторыпри весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Дляизмерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторытипов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди имарганца).
Термисторы имеют линейную функцию преобразования, котораяописывается следующей формулой:

Rt = AeB/T,
где Т – абсолютная температура, А – коэффициент, имеющийразмерность сопротивления, В — коэффициент, имеющий размерность температуры.
Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим сдостаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве,является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличиехарактеристик одного экземпляра от другого).
Полупроводниковые датчики температуры обладают высокойстабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур вдиапазоне от – 100 до 200 °С.
Измерительная схема с участием термопреобразователейсопротивления чаще всего является мостовой; уравновешивание мостаосуществляется с помощью потенциометра. При изменении сопротивлениятерморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра,положение которого относительно шкалы формирует показание прибора; шкалаградуируется непосредственно в единицах температуры. Недостатком такой схемывключения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность;поскольку из-за изменения сопротивления проводов при изменении температурыокружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна, применяюттрехпроводную схему включения проводов, при использовании которой сопротивленияподводящих проводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительноуменьшается.
На рис.3.2 приведены схемы соединений внутренних проводниковТС с ЧЭ и их условные обозначения.

/>
При использовании схемы 2 (двухпроводная схема) сопротивлениесоединительных проводов ТС не должно превышать 0,1 % номинального значениясопротивления термопреобразователя при 0°С. В двухпроводной схеме ксопротивлению ЧЭ добавлено сопротивление соединительных проводников, что приводитк сдвигу характеристики при 0°С и уменьшению W100.
На практике эта проблема решается за счет измерительногоприбора, к которому подключается ТС, путем задания соответствующихкорректировок по смещению и наклону характеристики.
Термопреобразователь с двухпроводной схемой подключениявнутренних проводников может подключаться к прибору по трехпроводной схеме сиспользованием трехжильного кабеля.
При использовании термопреобразователей сопротивления стрехпроводной схемой подключения, прибор автоматически вычитает изсопротивления полной цепи сопротивление соединительных проводов. Сопротивлениевнутренних проводов и жил кабеля при этом должны быть между собой одинаковы.
Если входная электрическая схема прибора представляет собоймост, в одно плечо которого подключается ТС, то достаточно, чтобы былиодинаковы сопротивления двух проводов: 1 и 2.
Наиболее точные ТС имеют четырехпроводную схему подключения.Для этой схемы не требуется равенство в сопротивлениях проводников. Каждыйконкретный тип термопреобразователя имеет свой более узкий по сравнению сприведенным 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 всяпогружаемая часть ТС должна находиться в измеряемой среде.
На рис.3.4. показана одна из конструкций термопреобразователясопротивления.
Платиновая проволока 1 намотанабифилярно на слюдяной каркас 2, на котором имеются мелкие зубцы. Для изоляциипровод закрывается с обеих сторон слюдяными пластинами 3. Для улучшения условийтеплообмена чувствительного элемента со средой применяются пластинки 4С-образного сечения из фольги. Пластинки 2, 3 и 4 скрепляются и плотновставляются внутрь кожуха 5. Выводы выполняются из серебряной ленты илипроволоки и вьюодятся в клеммную коробку 7. С помощью гайки 6 термометрсопротивления крепится к корпусу.Термоэлектрические преобразователи(термопары)
Принцип действия термопар основан на термоэлектрическомэффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двухразнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаевпроводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящийиз разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термоЭДСE(t) и E(to), зависящие от температур этих спаев t и to.Так как эти термоЭДС оказываются включенными встречно, то результирующаятермоЭДС, действующая в контуре, равна E(t) – E(to).
При равенстве температур обоих спаев результирующая термоЭДСравна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концомтермопары, а второй спай – свободным.
У любой пары однородных проводников значение результирующейтермоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и независит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрическийконтур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколькоразнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединенийнаходятся при одинаковой температуре, то результирующая термоЭДС, действующая вконтуре, не изменяется. Это используется для измерения термоЭДС термопары.Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ накаждые 100 °С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.
Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200до 2200 °С. Для измерения температур до 1100 °С используют в основном термопарыиз неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 °С –тер-мопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измеренияболее высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (на основевольфрама).
Наибольшее распространение для изготовлениятермоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель,алюмель.
При измерениях температуры в широком диапазоне учитываетсянелинейность функции преобразования термоэлектрическогго преобразователя. Так,например, функция преобразования медьконстантановых термопар в диапазонетемператур от –200 до 300 °С с погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирическойформулой
Е = At2 + Bt + С,
где А, В и С – постоянные, определяемые путем измерениятермоЭДС при трех известных температурах, t – температура рабочего спая при °С.
Постоянная времени термоэлектрических преобразователейзависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопарысо средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известныконструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит впределах 5–20 секунд и ниже.
Электроизмерительный прибор (милливольтметр) илиизмерительный усилитель термоЭДС могут подключаться к контуру термопары двумяспособами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходнаятермоЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит.
Как указано выше, при измерении температуры свободные концытермопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило,свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, аследовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, температуракоторых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой,применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металловили сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродамитермометра.
Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие проводаизготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды,тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющиепровода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазонетемператур 0–150 °С ту же термоЭДС, что и электроды термопары. Так, длятермопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды измеди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термоЭДСтермопаре платина-платинородий в диапазоне 0–150 °С. Для термопары хромель –алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, адля термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды,но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключенииудлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.
В лабораторных условиях температура свободных концовтермопары поддерживается равной 0 °С путем помещения их в сосуд Дьюара,наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температурасвободных концов термопары обычно отличается от 0 °С. Так как градуировкатермопар осуществляется при температуре свободных концов 0 °С, то это отличиеможет явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указаннойпогрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборепоправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значениеизмеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопарынелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.
На практике для устранения погрешности широкое применениенаходит автоматическое введение поправки на температуру свободных концовтермопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, однимиз плеч которого является медный терморезистор, а остальные образованыманганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары,равной 0 °С, мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободныхконцов термопары от 0 °С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируетсяс термоЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправкирегулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функциипреобразования термопары, полной компенсации погрешности не происходит, ноуказанная погрешность существенно уменьшается.
В лабораторных условиях для точного измерения термоЭДСприменяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручнымуравновешиванием.Пирометры
Серьезным недостатком рассмотренных вышетермопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователейявляется необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результатечего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того,непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность егохарактеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивныхсредах. От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики,основанные на использовании излучения нагретых тел.
Тепловое излучение любого тела можно характеризоватьколичеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени иприходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляетсобой спектральную плотность и называется спектральной светимостью(интенсивностью монохроматического излучения).
Законы температурного излучения определены совершенно точнолишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютночерного тела от температуры и длины волны выражается формулой:
Ra = Aa-5(eB/(aT) –l)-1,
где a – длина волны, Т – абсолютная температура, А и В –постоянные.
Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньшеинтенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшениеспектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно чернымучитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно дляразных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности телаи других факторов.
Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятсяна радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометры используются для измерения температурыот 20 до 2500 °С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излученияреального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимоучитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.
В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящийиз объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательносоединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке,покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобылепесток полностью перекрывался изображением объекта и вся энергия излучениявоспринималась термобатареей. ТермоЭДС термобатареи является функцией мощностиизлучения, а следовательно, и температуры тела.
Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютночерного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучениявызывает погрешность измерения температуры.
Яркостные (оптические) пирометры используются для измерениятемператур от 500 до 4000 °С. Они основаны на сравнении в узком участке спектраяркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя
(фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена втелескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескопнаправляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нитифотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путемизменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощьюперемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображениянити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нитьвидна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечениенити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такиепирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью.
Напряжение накала лампы (или положение оптического клина)характеризует температуру нагретого тела; для сравнения интенсивностейизлучения лишь в узком диапазоне спектра используется специальный светофильтр.
Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точностьизмерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловленанеполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излученияпромежуточной средой, через которую производится наблюдение.
Цветовые пирометры основаны на измерении отношенияинтенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной илисиней части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от800 до °С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивностимонохроматического излучения со сменными светофильтрами.
Главным преимуществом цветовых пирометров является то, чтонеполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменениятемпературы. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависятот расстояния до объекта измерения, а также от коэффициента
излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощенияодинаковы для обеих длин волн.Кварцевые термопреобразователи
Для измерения температур от –80 до 250 °С часто используютсятак называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимостьсобственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиковоснована на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры илинейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации срезаотносительно осей кристалла кварца.
Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность(до 103 Гц/К), высокую временную стабильность (2*10-2К/год) и разрешающую способность 10-4 – 10-7 К, что иопределяет перспективность. Данные датчики широко используются в цифровыхтермометрах.Шумовые датчики
Действие шумовых термометров основано на зависимости шумовогонапряжения на резисторе от температуры. Данная зависимость определяетсяформулой:
/>
где /> – средний квадрат напряженияшума, К – постоянная Больцмана, Т –абсолютная температура, R – сопротивлениерезистора, /> –полоса воспринимаемых частот.
Практическая реализация метода измерения температуры наоснове шумовых резисторов заключается в сравнении шумов двух идентичныхрезисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой – приизмеряемой. Шумовые датчики используются, как правило, для измерения температурв диапазоне –270 – 1100 °С.
Достоинством шумовых датчиков является принципиальнаявозможность измерения термодинамической температуры на основе указанной вышезакономерности. Однако это значительно осложняется тем, что среднееквадратическое значение напряжения шумов очень трудно измерить точно вследствиеего малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя.ЯКР-датчики
ЯКР-термометры (термометры ядерного квадрупольного резонанса)основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллическойрешетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонениемраспределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливаетпрецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического полярешетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысячмегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и сповышением температуры частота ЯКР снижается.
Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом,заключенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур генератора. Присовпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии отгенератора. Погрешность измерения температуры –263 °С составляет ± 0.02 °С, атемпературы 27 °С – ± 0.002 °С.
Достоинством ЯКР-термометров является его неограниченная вовремени стабильность, а недостатком – существенная нелинейность функциипреобразования.Динамометрические преобразователи
Динамометрические (объемные) датчики измерения температурыоснованы на явлении расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей или газов приувеличении (уменьшении) температуры.
Температурный диапазон работы преобразователей, основанных нарасширении твердых тел, определяется стабильностью свойств материалов приизменении температуры. Обычно с помощью таких преобразователей измеряюттемпературы в диапазоне –60–400 °С. Погрешность преобразования составляет 1–5%. Температурный диапазон работы преобразователя с расширяющейся жидкостьюзависит от температур замерзания и кипения последней (для ртути – –39–357 °С,для амилового спирта – –117–132 °С, для ацетона – –94–57 °С. Погрешностижидкостных преобразователей составляют 1–3 % и в значительной степени зависятот температуры окружающей среды, изменяющей размеры капилляра. Нижний пределизмерения преобразователей, использующих в качестве рабочей среды газ,ограничивается температурой сжижения газа ( –195 °С для азота, –269 °С длягелия), верхний же – лишь теплостойкостью баллона.Акустические датчики
Акустические термометры основаны на зависимости скоростираспространения звука в газах от их температуры и используются в основномдиапазоне средних и высоких температур. Акустический термометр содержитпространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычновключаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется сизменением температуры; обычно такой датчик использует и различного типарезонаторы.

Раздел 4./>Расчетобщих факторов температурных измерений и термопреобразователей сопротивленияТемпературные шкалы
По современным представлениям температура – это условнаястатистическая величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергиичастиц вещества (молекул либо, при атомарной структуре, атомов).
Представление о порядке величин могут дать следующие данные.В 1 мл газа при атмосферном давлении содержится 2,7 х 1019 молекул,имеющих размеры порядка 10-8см. Они движутся при комнатнойтемпературе со средней скоростью около 1 км/сек и пробегают междустолкновениями примерно 10-6см.
Еще Кельвин показал, что если одному какому-либо значению среднейкинетической энергии частиц присвоить определенное число градусов, то еедостаточно для построения линейной бесконечной температурной шкалы отабсолютного нуля. Тогда равным приращениям средней кинетической энергии частицбудет соответствовать одинаковое приращение числа градусов температуры. Прямая,изображающая такую шкалу в системе координат температура – энергия, проходитчерез начало координат, так как абсолютному нулю температур соответствуетнулевая скорость частиц и нулевая средняя кинетическая энергия.
Количественная связь предложенной Кельвином шкалы температурс средней кинетической энергией частиц выражается уравнением
/>
отсюда
/>,

где m, v –средние масса и скорость частиц;
Т – абсолютная температура;
к – постоянная Больцмана, равная 1,38-Ю-23 дж/град.
В качестве реперной точки шкалы Кельвина принята в настоящеевремя температура равновесия между твердой, жидкой и парообразной фазами чистойводы при нормальных условиях. Этой точке присвоено число градусов, равное273,16°К.
Для практических целей употребляется Международнаяпрактическая температурная шкала 1948 г. Температуры по ней выражаются вградусах Цельсия, обозначаемых °С. За нуль принята точка таяния льда, лежащаяниже «тройной точки воды» всего на 0,01° С.
Для пересчета температуры, выраженной в градусах100-градусной шкалы, на значения температуры по международной термодинамическойшкале следует пользоваться равенством Т°К = t°C + 273,15,
где Т и t – условные обозначения температуры, измеренной вградусах Кельвина и градусах Цельсия.
В шкале Фаренгейта (обозначение °Р) точка таяния льдаобозначена 32° F, точка кипения воды 212° F; расстояние между ними разбито на180 равных частей. За нуль шкалы принята температура холодильной смеси определенногосостава. Шкала применяется в США, Австралии и Канаде.Теплообмен среды и термометра
Любой измеритель температуры независимо от его конструкциичасто называют термометром. При измерении температуры среды путем
погружения в нее какого-либо термометра он всегда измеряеттолько свою собственную температуру. Будет ли температура термометра равнатемпературе среды, близка к ней или же разница температур будет значительной,зависит от многих условий. Поэтому при монтаже измерителя температурынеобходимо убедиться в том, что условия измерения обеспечивают минимальновозможную разность между температурой среды и термометра.
Основные факторы теплообмена между средой и погруженной в неечастью термометра при промышленных измерениях следующие:
а) влияние теплового потока по арматуре термометра (т. е.влияние теплопроводности);
б) влияние лучеиспускания;
в) влияние положения измерителя температуры относительнопотока среды;
г) динамические погрешности из-за тепловой инерции. Влияние теплопроводности
Если измеритель температуры погружен в среду целиком, точерез него не подводится и не отводится тепло к месту измерения.
В большинстве случаев термопреобразователь сопротивлениянаходится на границе двух сред с разными температурными полями. Поэтому самтермопреобразователь или соприкасающиеся с ним элементы являются каналомтеплообмена.
Теплообмен термопреобразователя с измеряемой средой зависиттакже от условий обтекания, микрогеометрии и цвета поверхности, интенсивностилучистого теплообмена и других конкретных условий.
Существенное значение имеют также масса, поверхность итеплоемкость самого термопреобразователя, определяющие его тепловую инерцию.
Сложный динамическийхарактер теплового взаимодействия термопреобразователя и среды определяетвеличину погрешности собственно датчика.
Значительные погрешности возникают втермопреобразователях, помещенных в металлический чехол или гильзу. На рис.4.1.показан случай измерения термометром, погруженным в гильзу.
Рассмотрим возникающую здесь погрешность. Обозначим: tн– истинная температура среды; t1 – температура в конце гильзы(показание термометра); t0–температура гильзы у ее верха; 1 – длинагильзы, м; а – коэффициент теплоотдачи от среды к гильзе, ккал/м2 •ч • град; l –коэффициент теплопроводности материала гильзы, ккал/м * ч • град; f – площадьпоперечного сечения гильзы, м2; U = pd, где d – наружный диаметр гильзы, м.
Обозначим /> через m,
тогда
/>Влияние лучеиспускания/>
При измерениях в газовых средах часто вблизитермопреобразователя находятся поверхности, температура которых заметноотличается от температуры преобразователя. В этом случае между этимиповерхностями и термометром происходит лучистый теплообмен, описываемый закономСтефана-Больцмана. Если температура окружающих поверхностей выше температурытермометра, то термометр получит путем лучеиспускания дополнительное количествотепла и тепловое равновесие будет поддерживаться на более высоком уровне.
Наличие лучеиспускания всегда вносит погрешность в измерениятемператур, но устранить его полностью зачастую оказывается сложно.
Рассмотрим влияние лучеиспускания на термометр, погруженный втрубопровод (рис.4.2.). Считая, что тепловое равновесие установилось,обозначим:
tср – температура среды в трубопроводе, °С;
tт – температура термометра, °С;
tст – температура стенки трубы, °С;
Соответствующие абсолютные температуры (t+273,15) обозначимчерез Тср; Тт; Тст (0К).

/>,
где a1, –коэффициент теплоотдачи от среды к термометру, ккал/м2*час*град;
С1 – константа лучеиспускания для материала чехла термометра, ккал/м2*ч*град4.Влияние скорости потока
В неподвижной среде недостаточный теплообмен среды стермометром может быть источником погрешностей измерения. Наличие интенсивногоомывания чувствительной части термометра потоком способствует правильномуизмерению. Можно в среднем считать, что для умеренных скоростей (примерно до 70м/сек)
/>
где а – коэффициент теплоотдачи от среды кчехлу термометра ккал/м2*ч*град;
к – коэффициент пропорциональности;
V – скорость среды, м/сек.
Следовательно, увеличение скорости среды, например, вдвоеповысит коэффициент теплоотдачи а на />, т.е. на 41 %
Обозначим дополнительно: Q – отвод тепла от термометраво внешнюю среду, ккал/сек;
k1 – коэффициент пропорциональности; F – поверхностьтермометра, погруженная в среду, м2;
tc – температура среды, °С;
t – температура термометра, °С.
В установившемся состоянии />.
В настоящее время в технике все чаще применяются оченьбольшие скорости потоков, приближающиеся к скорости звука в среде ипревосходящие ее. В этих случаях начинает появляться нежелательное влиянийскорости потока. Ударяясь о поверхность термоприемника, часть потокатормозится, и ее кинетическая энергия переходит в тепло, увеличивающеетемпературу теплоприемника т.е. создается состояние, когда t>t|c.
Эта разность температур выражается:
/>,
где g – ускорение земного тяготения, м/сек2; I – механический эквивалент тепла(426,4 кг/*м/ккал); ср – теплоемкость среды; r – коэффициент пропорциональности.Влияние инерции
Погрешности в показаниях термометров от тепловой инерциимогут быть сведены к трем случаям.
Первый случай – погружение термометра в более холодную илигорячую среду постоянной температуры (рис.4.4, а). Погрешность вначале оченьвелика, но через некоторое время уменьшается до малой величины. Время, котороеследует выждать до отсчета, может быть определено аналитически.
Второй случай (рис.4.4, б) – когда среда изменяет своютемпературу на определенную величину с большей скоростью, чем термоприемник. Вовремя переходного процесса возникает временная погрешность в показаниях,которая затем исчезает. Величина этой погрешности зависит от инерционныхсвойств термоприемника.
Третий случай – когда температура среды изменяется попериодическому закону либо колеблется непрерывно по произвольному закону (рис.4.4, в).
Г.М. Кондратьев создал теорию, позволяющую вычислить запаздываниев показаниях любого термометра.
Пусть Ф – отношение тепла, аккумулированного чувствительнойчастью термометра на 1°С к ее поверхности, т.е.
/>,
где V – объем чувствительной части термометра, см3;
y – плотность материала, г/см3;
с – теплоемкость, кал/г;
S – поверхность, см2.
Тогда
/>,
где а – коэффициент теплоотдачи от среды,ккал/м2*ч*град;
/> – показатель тепловой инерциитермометра, мин;
/> – переводной коэффициент дляразмерностей.4.2 Расчет термопреобразователей сопротивления Отклонениехарактеристики термопреобразователя  сопротивления от стандартной
Температурная характеристика термометра сопротивления можетотличаться от градуировочной таблицы в зависимости от точности подгонкисопротивления термометра при нулевой температуре и от чистоты металла термосопротивления.Чистоту металла принято определять отношением />, где R100 и R0сопротивления термометра соответственно при 100 и 0°С.
Допустимые отклонения Rи />, от номинального значения,установленные для технических термометров, приведены в табл. 4.1. Влияние этихдопустимых отклонений на результат измерения сказывается тем больше, чем вышеизмеряемая температура (табл. 4.2).
Для платиновых термометров сопротивления II класса ошибка притемпературе 500°С может быть до 2,5°С.
Подбор терморезисторов
Терморезисторы обычно подбирают по номинальному значениюсопротивления при температуре 20°С (R20) – Температурнаяхарактеристика терморезистора описывается выражением />,
где R20 – начальное сопротивление терморезисторапри температуре 20°С
e – основание натуральных логарифмов;
В – постоянный коэффициент, °К;
Т – температура, °К. Промышленность выпускает терморезисторыс допуском на начальное сопротивление R20 ±20 %, на температурный коэффициент±8 % и на коэффициент температурной характеристики В ±17 %.
Для подбора полупроводниковых терморезисторов с одинаковымихарактеристиками необходимо измерить, их сопротивление при 20° С – R20и при 100°C (R100).
По значениям R20 и R100 можно такжерассчитывать и строить температурные характеристики />, Коэффициент В определяется поформуле

/>Влияние температуры окружающей среды
Провода, соединяющие термометр сопротивления с измерительнымприбором, изготовляются обычно из меди. При изменении температуры окружающейсреды их сопротивление меняется. Это вносит дополнительную погрешность врезультаты измерения. Чтобы избежать появления этой погрешности часто применяюттрехпроводную схему включения термометра сопротивления.
Каждый из соединительных проводов в этом случае оказываетсявключенным в противоположное плечо моста. Изменение сопротивления проводовприводит к изменению сопротивления обоих противоположных плеч. Полностьювлияние соединительных проводов при трехпроводной схеме устраняется только вслучае, если сопротивления обеих соединительных линий одинаковы и мостсимметричный, т. е. R1=R2. Также применяется четырехпроводная схема включениятермопреобразователя, которая в симметричном мосте исключает влияниесопротивления соединительных проводов независимо от равенства их сопротивлений.
При двухпроводной схеме включения термопреобразователяпогрешность может быть подсчитана, если известны градуировка термометра,температура окружающей среды и сопротивление соединительных проводов принормальной температуре (20°С).
Пересчет величины сопротивления проводов при нормальнойтемпературе R20 на сопротивление при данной температуре производитсяпо формуле />.
Если соединительные провода медные (температурный коэффициента=0,004), подсчет может производиться по формуле />.Проверка основной погрешноститермопреобразователя сопротивления
Количество отсчетов при каждом значении температуры – неменее 4.
Значение температуры рассчитывается по формуле
/>,
где n –число измерений;
ti– значение температуры, измеряемой термопреобразователем, °С. Основнуюпогрешность вычисляют по формуле />,
где td – действительное значениетемпературы, измеряемое эталонным средством.
Раздел 5.  Опытное применениеинтеллектуальных  датчиков ПГ «Метран»5.1 Разработка интеллектуальных датчиков ПГ «Метран»
Температура – важнейший параметр технологических процессовмногих отраслей промышленности. Внедрение прогрессивных технологий повышаеттребования к точности измерений температуры. Одновременно с этим усложнениепроцессов производства заставляет расширять диапазоны измерений температуры иизыскивать новые методы ее измерений в более сложных производственных условиях.
Понятие «новизны в термометрии ПГ «Метран»» связала сразработкой новых конструкций и применением новых материалов и технологий.
Технология изготовления термоэлектрических преобразователейиз термопарного кабеля КТМС с применением импульсной лазерной сварки рабочегоспая ранее использовалась только на предприятиях атомной энергетики и военнойпромышленности и была закрыта для широкого использования. В настоящее времякабельные термопреобразователи стали доступны для применения в различныхотраслях промышленности и научных исследованиях.
Именно на базе термопарного кабеля и лазерной сварки ПГ«Метран» была разработана серия термопреобразователей ТХА/ТХК Метран-200.
В номенклатуру продукции вошли также термопреобразователисопротивления медные (50М, 100М) и платиновые (50П, 100П, РПОО, Р1500, Р11000)разных конструкций, с одним и двумя чувствительными элементами.
За эти годы освоено производство как самых простых термопар итермометров сопротивления, так и современных микропроцессорных датчиковтемпературы.
Например, ПГ «Метран» предлагает датчики температуры сунифицированными выходными сигналами серии Метран-270, Метран-270МП имеющимиширокий модельный ряд, включающий общепромьштенное, взрывозащищенное(Ех1а, Ехфисполнения и 15 вариантов защитной арматуры.
Применение этой серии датчиков дает возможность построенияАСУ ТП без дополнительных нормирующих преобразователей.
Микропроцессорный преобразователь датчиков Метран-270МПпозволяет перенастраивать диапазон измерений и перепрограммировать номинальнуюстатическую характеристику в случае замены чувствительного элемента на другойтип.
Российские интеллектуальные датчики температуры Метран-280 споддержкой коммуникационного протокола НАРТ, позволяют создавать глобальные АСУТП с минимальными затратами.
Микропроцессорная электроника Метран-280 позволяет повыситьточность измерений. Одновременно технология НАРТ-протокола позволяет по однойпаре проводов передавать и аналоговый 4-20 мА, и цифровой сигналы, что даетвозможность использовать уже имеющиеся коммуникации для аналоговых сигналов.
Мы можем дистанционно принимать необходимую информацию отполевых датчиков Метран-280 и осуществлять диагностику и настройку, используядля этого коммуникатор Метран-650 или компьютер с программным обеспечениемH-Master. Приведенные функции особенно высоко оцениваются, когда датчикирасположены в труднодоступных местах и на больших расстояниях друг от друга.
Непрерывная самодиагностика Метран-280 обеспечиваетоперативность проведения ремонтных и профилактических работ, т.к. в случаенеисправности датчик немедленно выдает сигнал о возникновении нештатнойситуации (сбоя) в конкретном блоке. Также немаловажен экономический эффект отэксплуатации датчиков с микропроцессорами из-за быстрой окупаемостипервоначальных вложений и минимальной стоимости владения.
5.2 Преобразователи температуры «Метран-280»
ИНГ состоит из первичного преобразователя температуры иэлектронного модуля (ЭМ) с выходными сигналами:
– аналоговым 4-20 мА:
– цифровым HART версии 5 с физическим интерфейсом Bell-202.
ИНГ имеют термоэлектрический хромель-алюмелевый (ТХА)чувствительный элемент (ЧЭ) или резистивный платиновый ЧЭ (ТСП).
Измеряемый параметр – температура в ИНГ Метран-286 с помощьюГОТГ преобразуется в изменение омического сопротивления платинового ЧЭ.Аналоговый сигнал поступает на вход ЭМ, преобразуется с помощьюаналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в дискретный сигнал. Дискретныйсигнал с помощью микропроцессорного преобразователя (МП) обрабатывается сцелью:
–  линеаризации НСХ ЧЭ 11111;
–  перестройки диапазонов измерения в пределах рабочегодиапазона температур;
–  самодиагностики составляющих узлов ЭМ;
–  детектирования обрыва или короткого замыкания ППТ.
С выхода МП дискретный сигнал поступает на цифро-аналоговыйпреобразователь (ЦАП), осуществляющий преобразование дискретного сигнала вунифицированный токовый аналоговый сигнал 4-20 мА, а также на блок частотногомодулятора, преобразующий дискретный сигнал в частотно модулированный иналоженный на аналоговый сигнал.
В ИНГ Метран-281 измерение температуры основано на явлениивозникновения в цепи термопреобразователя термоэлектродвижущей силы приразности температур между его рабочим и свободными спаями. В ЭМ дополнительно кописанным выше функциям происходит компенсация изменения температуры холодныхспаев.
5.3 Hart modem «Метран-681»
HART модем Метран-681 (далее модем) предназначен длясогласования (связи) персонального компьютера или средств автоматизированныхсистем управления технологическими процессами с интеллектуальными датчикамидавления Метран-100, интеллектуальными преобразователями температуры Метран-280и другими устройствами, поддерживающими HART протокол.
Конструктивно HART модем Метран-681 выполняется для монтажана DIN-рейку.
Модем взрывозащищенного исполнения может применяться сдатчиками, установленными во взрывоопасных зонах, в которых возможнообразование взрывоопасных, смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом.При этом модем устанавливается во взрывобезопасных помещениях. Модем имеетособовзрывобезопасный уровень, обеспечиваемый видом взрывозащиты по ГОСТ Р51330.10 «искробезопасная электрическая цепь» (ia) с маркировкой по ГОСТ Р51330.0 ExialICT5 X.
Вид климатического исполнения модема – УХЛ3.1 по ГОСТ 15150,но для работы при температуре от 0 до 50 °С.5.4 Конфигуратор «Метран-671»
Конфигуратор Метран-671 предназначен для обеспечения связинормирующих микропроцессорных преобразователей Метран 642, Метран 643 сперсональным компьютером при проведении их настройки и калибровки. Конфигураторобеспечивает связь микропроцессорного нормирующего термопреобразователя сперсональным компьютером типа IBM PC по последовательному интерфейсу RS-232.
5.5 Обработка результатов измерений
На рис. 5.2. приведена схема внешних электрических соединенийИНТ «Метран-286», HART-модема и ПК.
Для работы с получаемыми данными применяется конфигурационнаяпрограмма Н – Master, имеющая удобный пользовательскийинтерфейс на русском языке (рис.5.3) и позволяющая выполнять:
– считывание переменных процесса;
– считывание информации о HART-устройстве и сенсоре;
– тест устройства;
– настройку HART-устройства и сенсора;
– настройку ЦАП;
– архивирование параметров.