Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.
Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.
На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая преобразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.
Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях.
Ультразвуковые датчики. Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.
Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений. Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.
Датчики расхода жидких, сыпучих и газообразных материалов
Датчики потока и расходомеры применяются для контроля потоков жидкостей и газов в различных отраслях промышленности. Само понятие потока может быть определено по-разному, например массовый поток или объемный, ламинарный или турбулентный. Обычно хотят выяснить количество вещества в потоке и, если жидкость имеет постоянную плотность, то обычно измеряется объемный поток, поскольку его легче измерить. Многие технологии измерения успешно справляются с измерением потоков газов и жидкостей, однако другие специфичны к тому, что измеряют.
1. Калориметрические датчики потока.
Калориметрические датчики потока работают по принципу измерения переноса тепла потоком жидкости от нагревателя к температурному датчику. Перенесенное тепло пропорционально скорости потока. Такие датчики обычно имеют второй температурный датчик для компенсации изменений температуры жидкости. Калориметрические датчики потока лучше работают при малых скоростях потока жидкости или газа порядка 30 – 3000 см/сек (для газов), заменяя датчики, работающие на принципе перепада давления. Достоинством калориметрических датчиков измерения давления является компактное исполнение, позволяющее проводить измерение в самых малых диаметрах трубопроводах, отсутствие подвижных частей и большой динамический диапазон. К основным недостаткам можно отнести зависимость показаний от резких скачков температуры измеряемой жидкости и в случае резких изменений свойств жидкости – например изменению плотности или теплопроводности
Расходомеры дифференциального давления.
Расходомеры, работающие на принципе измерения дифференциального давления наиболее применимы для измерения расхода жидкостей. Принцип из работы основан на том, что падение давления в потоке жидкости на измеряемом участке пропорционально квадрату скорости потока жидкости. Тем самым, измеряя дифференциальное давление в потоке жидкости и вычисляя квадратный корень, получаем значение расхода. Эти устройства, как и многие расходомеры, состоят из двух частей. Первая часть изменяет кинетическую энергию жидкости, создавая дифференциальное давление в трубе. Эта деталь, как правило, вставляется в трубопровод, в котором измеряется поток жидкости, так же она должна обеспечивать необходимую точность во всем диапазоне измерений. Вторая часть расходомера измеряет дифференциальное давление и конвертирует полученный сигнал в значение расхода жидкости.
Вихревые расходомеры.
Вихревые расходомеры работают на принципе, открытым ученым фон Карманом: когда поток жидкости обтекает препятствие – тело обтекания, то в отходящем потоке по краям этого тела возникают завихрения жидкости. Частота этих завихрений пропорциональна скорости жидкости. Вихревые расходомеры наиболее проявляют себя на скоростях потока 2
– 40 м/сек., однако измерять расход вязких жидкостей ими не рекомендуется.
Ультразвуковые расходомеры.
Ультразвуковые расходомеры работают принципу времени прохождения сигнала. Принцип измерения основан на том, что звуковой импульс, идущий в том, же направлении, что и поток жидкости, имеет общую скорость распространения равную скорости звука плюс скорость течения жидкости. А звуковой импульс, идущий в направлении, противоположном скорости течения, будет иметь скорость, меньшую на значение скорости потока жидкости. При помощи ультразвуковых датчиков измеряется время прохождения акустических сигналов, которые движутся в направлении и против потока. Разница во времени прохождения пропорциональна средней скорости потока и преобразуется в выходной сигнал и показания волюметрического и суммарного расхода. Измерительные лучи расходомера образуют трехмерный профиль распределения скоростей движения среды или профиль потока среды, которая проходит по измерительной трубе. Эти линии измерения располагаются таким образом, чтобы максимально снизить воздействие профиля потока (ламинарного или турбулентного). В комбинации с использованием новейших технологий цифровой обработки сигнала это дает стабильные и надежные измерения расхода.
Массовые расходомеры.
Многие химические реакции требуют более точного измерения расхода вещества. Это привело к разработке массовых расходомеров. Существует большое количество моделей, но наиболее распространены Кориолисовые расходомеры Принцип которых основан на существовании Кориолисовой силы. Кориолисовые расходомеры измеряют непосредственно массовый расход, в то время как другие расходомеры измеряют в основном объемный расход вещества. Так как масса вещества неизменна, то в таких расходомерах нет необходимости его подстройки в зависимости от изменения свойств измеряемого вещества. Более того, кориолисовый расходомер не требует подстройки при изменении температуры или давления. Эти расходомеры применяются для измерения расхода жидкостей, вязкость которых меняется в зависимости от температуры и давления.
Силы Кориолиса проявляются в колебательных системах, когда жидкость или газ перемещается в направлении оси колебаний. Измерительная система Кориолиса имеет симметричную форму и состоит из одной или двух измерительных трубок прямой или искривленной формы. С помощью электромагнита измерительная труба приводится в колебание на резонансной частоте. Когда скорость потока равна нулю, сила Кориолиса также равняется нулю. При наличии в измерительной трубке потока, частицы жидкости в продукте ускоряются на одном отрезке трубы и замедляются на другом. Сила Кориолиса создается ускоряемыми и замедляемыми частицами жидкости. Эта сила вызывает очень незначительную деформацию измерительной трубки, которая накладывается на основную составляющую и прямо пропорциональна массовому расходу. Эта деформация улавливается при помощи специальных датчиков. Так как характеристики колебаний измерительной трубы зависят от температуры, температура измеряется постоянно, соответственно измеряемая величина подвергается коррекции. Такие расходомеры имеют очень широкий спектр применений, начиная от измерения агрессивных жидкостей и жидкого азота.
Электромагнитные расходомеры.
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на использовании закона электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что в движущемся в магнитном поле проводнике возникает электрическое напряжение. Жидкость является проводником, а магнитное поле создается катушками расположенными вокруг трубы. Возникающее напряжение пропорционально скорости потока. Электроды, вмонтированные в стенки трубопровода, измеряют получившееся напряжение. Электромагнитные расходомеры могут измерять расход только проводящих электрический ток жидкостей и применяются там, где необходимы точные измерения и минимальное обслуживание