Датчики для контроля параметров технологических процессов выбирают в зависимости от того, какую физическую или химическую величину необходимо измерять: температуру, давление, уровень, расход, влажность, положение, скорость, вибрацию или состав среды. Для каждой задачи существуют свои принципы измерения и варианты конструктивного исполнения.
От правильного выбора датчика зависит не только точность показаний. Он влияет на стабильность регулирования, своевременное выявление отклонений, совместимость с системой автоматизации и возможность работы оборудования в реальных производственных условиях. Один и тот же параметр можно измерять разными способами, но конкретный метод может оказаться неподходящим из-за высокой температуры, агрессивной среды, вибрации, загрязнения или особенностей монтажа.
Что такое датчик технологического процесса
Датчик — это измерительное устройство или первичный преобразователь, который воспринимает изменение контролируемого параметра и преобразует его в сигнал для дальнейшей обработки. В системах промышленной автоматизации сигнал передается на контроллер, измерительный прибор, систему диспетчеризации или другое устройство управления.
В зависимости от конструкции выходным сигналом могут быть электрический ток или напряжение, изменение сопротивления, частотный или импульсный сигнал, дискретное состояние либо цифровые данные. Поэтому при выборе важно учитывать не только чувствительный элемент, но и способ передачи информации в систему автоматизации.
На практике датчик часто является частью измерительного комплекса. Например, температурный чувствительный элемент может подключаться к преобразователю, который формирует унифицированный сигнал для контроллера. Поэтому в технической документации термины «датчик», «преобразователь» и «измерительный прибор» иногда обозначают разные элементы одной измерительной цепи.
Как классифицируют промышленные датчики
Для задач КИПиА наиболее удобна классификация по контролируемому параметру. Она напрямую связывает измерительное устройство с технологической задачей.
| Контролируемый параметр | Основные типы датчиков и измерительных устройств | Типичные задачи |
|---|---|---|
| Температура | Термосопротивления, термопары, термисторы, бесконтактные инфракрасные датчики | Нагрев, охлаждение, печи, реакторы, теплообменники, трубопроводы |
| Давление | Тензорезистивные, пьезорезистивные, емкостные и другие преобразователи давления | Контроль трубопроводов, сосудов, насосов, компрессоров, гидравлических систем |
| Уровень | Поплавковые, гидростатические, емкостные, ультразвуковые, радарные | Резервуары, бункеры, силосы, технологические емкости |
| Расход | Электромагнитные, ультразвуковые, вихревые, кориолисовые, расходомеры переменного перепада давления | Учет и регулирование потоков жидкостей, газов и пара |
| Влажность | Емкостные, резистивные и другие гигрометрические датчики | Контроль воздуха, сырья, продукции и технологических газов |
| Положение и перемещение | Индуктивные, емкостные, оптические, магнитные датчики, энкодеры | Контроль механизмов, приводов, конвейеров и рабочих органов |
| Скорость и частота вращения | Импульсные, индуктивные, магнитные и оптические датчики | Контроль валов, двигателей, вентиляторов, насосов и турбин |
| Вибрация | Акселерометры и вибрационные преобразователи | Диагностика подшипников, насосов, двигателей, редукторов и турбомашин |
| Состав и концентрация | Газоанализаторы, электрохимические, оптические, ионоселективные и другие аналитические датчики | Контроль газов, pH, растворенных веществ и состава технологических сред |
Такая классификация не единственная. Датчики также можно разделять по принципу действия, способу монтажа, типу выходного сигнала, контакту со средой и условиям эксплуатации.
Датчики температуры
Температура — один из основных параметров большинства технологических процессов. Ее контролируют в печах, реакторах, теплообменниках, трубопроводах, сушильных установках, системах охлаждения, двигателях и энергетическом оборудовании.
Термосопротивления
Термосопротивление определяет температуру по изменению электрического сопротивления чувствительного элемента. В промышленности широко применяются платиновые элементы, поскольку они обеспечивают стабильную зависимость сопротивления от температуры и подходят для задач, где требуется воспроизводимое измерение.
Такие датчики используют для контроля температуры жидкостей, газов и оборудования в различных технологических установках. При выборе учитывают диапазон измерения, конструкцию защитной арматуры, способ монтажа, требования к точности и условия эксплуатации.
Особенность контактного измерения заключается в необходимости обеспечить хороший тепловой контакт с объектом. Неправильная установка может привести к измерению температуры корпуса или локального участка вместо фактического значения параметра.
Термопары
Термопара формирует термоэлектрический сигнал, связанный с разностью температур в точках соединения разнородных проводников. Такой принцип позволяет создавать датчики для высокотемпературных процессов, где важны компактность и быстрый отклик.
Термопары применяют в печах, термических установках, металлургии, энергетике и других процессах с повышенными температурами. При выборе учитывают тип термопары, рабочий диапазон, материал защитной конструкции, химическое воздействие среды и требования к скорости измерения.
Бесконтактные инфракрасные датчики
Бесконтактное измерение основано на регистрации теплового излучения поверхности объекта. Датчик не соприкасается с изделием или средой, поэтому такой метод удобен для движущихся, очень горячих или труднодоступных объектов.
На результат влияют свойства поверхности, расстояние до объекта, наличие препятствий между датчиком и зоной измерения, а также оптические условия. Поэтому инфракрасный метод не всегда может заменить контактное измерение.
Датчики давления
Датчики давления применяют для контроля давления жидкости, газа или пара в трубопроводах, аппаратах и технологическом оборудовании. В зависимости от задачи измеряют избыточное, абсолютное или дифференциальное давление.
Во многих промышленных преобразователях используется деформация мембраны под воздействием рабочей среды. Эта деформация преобразуется чувствительным элементом в электрический сигнал.
Дифференциальные датчики измеряют разность давлений в двух точках. Такой принцип позволяет контролировать перепад давления, определять расход по перепаду на соответствующем устройстве и оценивать состояние оборудования, например степень загрязнения фильтра.
При выборе датчика давления особенно важны:
- диапазон измерения и допустимое перегрузочное давление;
- тип измеряемого давления — абсолютное, избыточное или дифференциальное;
- температура рабочей среды;
- химическая совместимость материалов с измеряемой средой;
- наличие пульсаций и гидравлических ударов;
- способ присоединения к процессу;
- требования к точности, стабильности и диагностике.
Особое внимание требуется уделять импульсным линиям дифференциальных измерительных систем. Засорение, конденсат или ошибки монтажа могут исказить результат даже при исправном преобразователе.
Датчики уровня
Уровнемеры контролируют количество жидкости или сыпучего материала в резервуарах, бункерах, силосах и других емкостях. Выбор метода зависит от свойств продукта, конструкции емкости и условий внутри нее.
Поплавковые датчики
Поплавковый принцип основан на перемещении элемента вместе с поверхностью жидкости. Он может использоваться как для сигнализации достижения заданного уровня, так и для непрерывного измерения.
Ограничения связаны с наличием движущихся механических элементов, возможным загрязнением и требованиями к монтажу. Для агрессивных, вязких или загрязняющих сред необходимо внимательно выбирать исполнение.
Гидростатические уровнемеры
Гидростатический метод определяет уровень по давлению столба жидкости. Чем выше столб среды над точкой измерения, тем больше создаваемое им давление при неизменной плотности.
Метод подходит для многих резервуаров, однако результат зависит от плотности жидкости. При ее значительных изменениях это необходимо учитывать при настройке системы.
Ультразвуковые уровнемеры
Ультразвуковой датчик определяет расстояние до поверхности по времени прохождения отраженного акустического сигнала. Измерение выполняется без прямого контакта с продуктом.
На работу могут влиять пена, пары, конденсат, турбулентность поверхности и особенности геометрии емкости. Поэтому для сложных условий важно учитывать реальные свойства процесса.
Радарные уровнемеры
Радарные приборы определяют расстояние до поверхности с помощью электромагнитного сигнала. Бесконтактный принцип позволяет использовать их в процессах с высокой температурой, давлением или агрессивной средой при подходящем исполнении оборудования.
При выборе учитывают свойства продукта, геометрию емкости, наличие внутренних конструкций, образование отложений и требования к установке антенны.