Слайд 34. Емкостные преобразователи

В емкостном измерительном преобразователе давления измеряемое давление воспринимается металлической мембраной, являющейся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод изолируется от корпуса с помощью изолятора. Зависимость емкости С конденсатора от перемещения δ мембраны, которое, в свою очередь, зависит от давления, имеет вид

,

где  – диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор; S – площадь электродов; δ₀ – расстояние между электродами при давлении, равном нулю.

В емкостных дифференциальных измерительных преобразователях давления чувствительный элемент состоит из двух соединенных конденсаторов. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной (сенсорной) мембраны центральной обкладки конденсатора, которое приводит к изменению обеих емкостей конденсаторов.

Емкостные преобразователи давления применяют для из­мерения быстро изменяющегося давления с верхним пределом до 120 МПа.

Слайд 35. Резонансные преобразователи

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

Частным примером может служить резонансный измерительный преобразователь давления с кремниевым механическим резонатором – разработка фирмы Yokogawa (DPHarp технология). Кремниевый резонатор представляет собой параллелепипед плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегрированный в плоскость кремниевой мембраны. Резонатор возбуждается сигналом переменного тока и окружающего магнитного поля. В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и, в итоге, на выходе чувствительного элемента образуется цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления.

Кроме кремниевых резонансных чувствительных элементов, существуют кварцевые резонансные чувствительные элементы, принцип действия которых аналогичен принципу действия кремниевых.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала. К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проведения измерений в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Слайды 36 – 38. Интеллектуальные датчики давления

В последние годы появился новый класс датчиков – так называемые интеллектуальные датчики. Их наиболее характерная особенность – возможность не только передавать информацию об объекте на вышестоящий уровень, но и воспринимать сигналы, поступающие с этого уровня; можно сказать, что, в отличие от обычных датчиков, интеллектуальные датчики являются устройствами с обратной связью. Они способны самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и постоянно регулировать свою чувствительность. Обработка измерений непосредственно в самом датчике увеличивает объемы обрабатываемой информации и скорость ее обработки. Самая ценная возможность, предоставляемая интеллектуальным датчиком, - возможность получения линейного сигнала от нелинейного чувствительного элемента при помощи таблицы соответствия, хранящейся в памяти. Этот фактор позволяет создавать интеллектуальные датчики с очень низкой нелинейностью.

К интеллектуальным датчикам относят датчики трех типов. Во-первых, это датчики, имеющие аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и интерфейс для связи с ПЭВМ типа RS–232, RS–422, RS–485. Устройства данного типа не имеют встроенного микроконтроллера и осуществляют только оцифровку аналогового сигнала с дальнейшей передачей на ПЭВМ. Во-вторых, это датчики, имеющие АЦП, микроконтроллер и интерфейс связи. Такие устройства осуществляют внутреннюю коррекцию получаемого аналогового сигнала; в них используются протоколы связи типа Hart, Modbus и др. Настройка параметров этих датчиков осуществляется в основном локально (вручную с помощью коммуникаторов различных типов). И, в-третьих, это датчики, имеющие АЦП, микроконтроллер (или специализированный микропроцессор) и двустороннюю связь с ПЭВМ, осуществляемую по интерфейсу RS-485 посредством протоколов более высокого уровня: Profibus, Fieldbus Foundation и др. Они позволяют оператору непосредственно с пульта управления осуществлять настройку их параметров и режимов работы, проводить диагностику и калибровку. Это дает возможность исключить промежуточные звенья в цепи распределенных систем – программно-логические контроллеры, упростить техническое обслуживание за счет дистанционной диагностики и конфигурирования. Именно датчики этой группы в полной мере являются интеллектуальными.

Интеллект датчиков обеспечивает выполнение некоторого набора из следующих функций: 1) первичная обработка информации в самом датчике; 2) тарировка характеристик для повышения точности измерения; 3) перепрограммирование характеристики преобразования (изменение привязки нуля характеристики и перестройка диапазона измерения); 4) накопление данных за определенное время с их привязкой к сетке времени для пакетной передачи информации в цифровой форме; 5) самотестирование; 6) формирование выходных данных в унифицированной аналоговой и/или цифровой форме; 7) реализация режима периодической подачи и отключения питания и других способов минимизации энергопотребления; 8) использование сторожевого таймера для предотвращения потери программного управления; 9) передача данных в цифровой форме по унифицированному радиоканалу.

Общая структурная схема интеллектуального датчика показана на рис. Измеряемый физический параметр воспринимается чувствительным элементом, на выходе которого возникает электрический сигнал, соответствующий значению параметра. В памяти датчика содержится эталонная (паспортная) характеристика преобразования. При помощи одной из подпрограмм она сравнивается с текущей характеристикой датчика, и по результатам этого сравнения в результат измерения вносится коррекция (поправка). В зависимости от того, в состав какой системы автоматизации входит датчик, используется либо аналоговый выходной сигнал, либо цифровой. Передача цифровых данных осуществляется либо по той же паре проводников, при помощи которой подается напряжение питания и которая используется для передачи выходного аналогового сигнала, либо через общую для ряда датчиков цифровую проводную сеть. В случае значительного удаления датчиков от основных средств системы автоматизации датчик с помощью отдельных специальных средств телемеханики может общаться с контроллером по радиоканалу.