Синтез и параметризация моделей газочувствительных датчиков | Бондарь

1. Брокарев И.А. Искусственные нейронные сети для решения задачи анализа компонентного состава газовых смесей // Управление большими системами. Вып. 80. М.: ИПУ РАН, 2019. С.98-115.

2. Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Чернышов Р.Е. Применение нейронных сетей в задаче количественного анализа состава воздушной среды // Известия Юго-Западного государственного университета. 2020; 24(1): 159-174. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2020-24-1-15-174.

3. Томакова Р.А., Филист С.А., Яа З.До. Универсальные сетевые модели для задач классификации биомедицинских данных // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 4-2 (43). С. 44-50.

4. Контроль качества продуктов с помощью искусственного обоняния / А.В. Шапошник, К.К Полянский., Н.С. Демочко, А.Н. Пономарев // Молочная промышленность. 2005. № 8. С. 5354.

5. Pouter J. Smartphone ownership and internet usage continues to climb in emerging economies. Washington, DC, USA: Pew Research Center, 2016. 44 p.

6. Chansin G., Pugh D. Environmental gas sensors 2017¬2027. Cambridge, UK: CISION, 2017. 166 p.

7. Варежников А.С., Сысоев В.В. Обработка векторных сигналов газоаналитического мультисенсорного преобразователя // Проблемы управления, обработки и передачи информации: сборник трудов V Международной юбилейной научной конференции. Саратов, 2017. С. 287-291.

8. Крылов О.В. Гетерогенный катализ. М.: Академкнига, 2004. 679 с.

9. Гаев А.В., Роготовский А.Д., Ланцберг А.В. Классификация физических объектов при помощи сверточных нейронных сетей на примере задачи распознавания газов // Технологии инженерных и информационных систем. 2019. № 1. С. 95-104.

10. Borrego C., Costa A. M., Ginja J. [et al.]. Assessment of air quality microsensors versus reference methods: The EuNetAir joint exercise // Atmospheric Environment. 2016. Vol. 147. P. 246-263.

11. Исследование отклика тонкопленочного сенсора на основе оксида олова в импульсном режиме для различных газов / О. В. Анисимов, Н.К. Максимова, Е.Ю. Севастьянов, Е.В. Черников // Известия вузов. Физика. 2006. № 3. С. 186¬187.

12. Чувствительность полупроводниковых газовых сенсоров к водороду и кислороду в инертной газовой среде / В. В. Малышев, А. В. Писляков, И. Ф. Крестников, В. А. Крутов, С. Н. Зайцев // ЖАХ. 2001. № 9. С. 976-983.

13. Guseva A.I., Malykhina G.F., Nevelskiy A.S. Neural Network Based Algorithm for the Measurements of Fire Factors Processing // Stud. Comput. Intell. 2019. Vol. 799. P. 160–166.

14. Metal Oxide Semi-Conductor Gas Sensors in Environmental Monitoring / F. George., L. M. Cavanagh, A. Afonja, R. Binions // Sensors. 2010. Р. 5469-5502

15. Pour M. M., Lashkov A., Radocea A. [et al.] Laterally extended atomically precise graphene nanoribbons with improved electrical conductivity for efficient gas sensing // Nature Communications. 2017. Vol. 8. P. 820.

16. Toward new gas-analytical multisensor chips based on titanium oxide nanotube array / F. Fedorov, M. Vasilkov, A. Lashkov [et al.] // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 9732.

17. Использование нейросетевой модели обработки данных в системах обнаружения пожаров для определения места возгорания / А.И. Гусева, Г.Ф. Малыхина, В.Н. Круглеевский, С.Н. Турусов // Морские интеллектуальные технологии. 2019. T. 2. № 2. С. 93–102.

18. Bˆarsan N., Weimar U. Understanding the fundamental principles of metal oxide based gas sensors; the example of CO sensing with SnO2 sensors in the presence of humidity // J. Phys.: Condens. Matter 2003. 15. Р. 813–839.

19. Malykhina G., Guseva A., Militsyn A. Spatial-temporal digital twin models as a direction for the development of cross-cutting digital technologies // Proceedings of the International Scientific-Practical Conference “Business Cooperation as a Resource of Sustainable Economic Development and Investment Attraction” (ISPCBC 2019). Paris, France: Atlantis Press, 2019. 729 p.

20. Влияние влажности на свойства сенсоров водорода на основе тонких пленок Pt/SnO2:Sb в режимах постоянного и импульсного нагрева / О. В. Анисимов, В.И. Гаман, Н.К. Максимова, Е.Ю. Севастьянов, Е.В. Черников, Н. В. Сергейчено // Материалы девятой конференции “Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы IIIV”. Томск, 2006. С. 504-507.

21. Macias M. M. Gas sensor measurements during the initial action period of duty¬cycling for power saving // Sensors and Actuators B. 2017. Vol. 239. P. 1003-1009.

22. Environmental Influences on SMO Sensors’ Performance / G. Jian-Wei, Q. Chen, M. Lian, N. Liu // Sensors & Transducers Magazine (S&T e-Digest). 2005. Vol.54. Is. 4. Р.310-319.

23. Malykhina G., Guseva A. Application the Evolutional Modeling to the Problem of-Searching the Optimal Sensors Location of Fire-Fighting System // Convergent Cognitive Information Technologies; ed. by Sukhomlin V., Zubareva E. Cham: Springer International Publishing, 2020. С. 187–199.

24. Malyshev V. V., Pislyakov A. V. Investigation of gas-sensitivity of sensor structures to carbon monoxide in a wide range of temperature, concentration and humidity of gas medium // Sens. Actuators. 2007. B. 123. Р. 71-81.

25. Effect of Environmental Temperature and Humidity on Different Metal Oxide Gas Sensors at Various Gas Concentration Levels / Abdulnasser Nabil Abdullah, Kamarulzaman Kamarudin, Syed Muhammad Mamduh, Abdul Hamid Adom, Zaffry Hadi Mohd Juffry// 2nd Joint Conference on Green Engineering Technology & Applied Computing 2020 IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. P. 1-8.

26. Ronald A. J. Furnace combustion sensor test results // The United States Consumer Product Safety Commission, Washington D.C. 20207 September. 2001. P. 1-36

27. Application of a catalytic combustion sensor (Pellistor) for the monitoring of the explosiveness of a hydrogen–air mixture in the upper explosive limit range / M. Krawczyk,J. Namiesnik // Journal of Automated Methods & Management in Chemistry. 2003. Vol. 25, No. 5. Р. 115–122

28. Дрейзин В.Э., Брежнева Е.О., Бондарь О. Г. Моделирование каталитического датчика водорода // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. Ч. 1. № 5(38). С. 69-76.

29. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. В 2 ч. Ч.2. Массообменные процессы. М.: Химия, 1995. 368 с.

30. Подтелкина О.А. Моделирование оптического сенсора // Фундаментальные и прикладные исследования: от теории к практике: материалы II международной научно-практической конференции, приуроченной ко Дню российской науки. Казань, 2018. С. 180-188.

Теория тензоизмерений, схемы подключения тензорезисторов

Немного физики

Рассмотрим цилиндрический проводник (провод), который растягивается с силой F. Объем провода v остается постоянным, при этом сечение уменьшается и длина увеличивается. Сопротивление проводника можно записать в виде:

где ρ — удельное сопротивление материала.

После дифференцирования получим выражение для определения чувствительности сопротивления к удлинению провода:

Чувствительность повышается при увеличении длины провода и его удельного сопротивления и уменьшается при увеличении сечения провода. Относительное изменение сопротивления провода в зависимости от относительной деформации можно записать в виде:

где S_k — коэффициент тензочувствительности. Для металлических проводов он лежит в пределах 2-6, а для полупроводников — 20-200.

Например, рассмотрим тензосопротивление со следующими характеристиками:

Чувствительность (Sk)	2,0
Материал подложки	Полиамид
Измерительная решетка	Константовая фольга
База (длина измерительной решетки), мм	20; 50; 100; 150
Температурный коэффициент чувствительности, 1/К	115 * 10-6
Поперечная чувствительность, %	0,1
Температурный диапазон эксплуатации, °C	-70…+200 статические измерения -200…+200 динамические измерения
Номинальное сопротивление, Ом	120; 350; 700; 1000

Рассмотрим тензометрические весы, основанные на измерении стрелы прогиба центра балки лежащей на двух опорах (рисунок 1).

Рисунок 1

Стрела прогиба равна:

где F — приложенная сила в середине балки, l — длина балки, I — момент инерции поперечного сечения балки. Если поперечное сечение балки имеет форму прямоугольника с шириной a и высотой b, то

Для кругового поперечного сечения радиуса r:

Радиус изгиба балки составит:

Если на нижнюю сторону балки прямоугольного сечения наклеить тензорезистор, то относительная деформация резистора будет:

Пусть стальная балка имеет сечение a = b = 1 см = 10^-2 м и длину l = 10 см =10^-1 м, тогда стреле прогиба λ = 1 мм будет соответствовать усилие F = 8000 Н, что соответствует весу массы 800 кг. Относительная деформация тензорезистора наклеенного на нижнюю сторону балки будет составлять 0,006 и относительное изменение сопротивления 0,012. Для создания весов имеющих разрешающую способность 1 кг, необходимо регистрировать относительное изменение сопротивления до 10^-5.

В таблице ниже приведены модуль Юнга и предел прочности для некоторых материалов.

Материал	Модуль Юнга, 109 Н/м2	Предел прочности, 107 Н/м2
Сталь	196	127
Железо	186	33
Медь	120	24
Латунь	102	35
Алюминий	68	7,8
Свинец	1,7	1,5

Схема измерений

Обычно применяются три схемы подключения резистивных датчиков. Первая схема (рисунок 2) — мостовая, вторая (рисунок 3) и третья (рисунок 4) — полумостовые схемы. В первой и второй схеме происходит контроль подаваемого напряжения и измеряется относительное падение напряжения V₁/V₂. В третей схеме проводится измерение напряжения V₁ относительно подаваемого напряжения.

В качестве сопротивлений R₁ — R₃ обычно используется такие же тензорезисторы, как и измерительные, только наклеенные на балку в поперечном направлении, нечувствительном к деформации. Это связано в первую очередь с высоким температурным коэффициентом сопротивления тензорезистора. При использовании в качестве R

1 — R₃ таких же тензорезисторов, находящихся в тех же условиях, что и измерительный тензорезистор, существенно упрощается термокомпенсация мостовой схемы. Для этого необходимо использовать 6-проводную схему измерения. Одна пара проводов служит для питания моста, другая пара проводов служит для измерения подаваемого напряжения, третья пара — для измерения разности потенциалов в мостовой схеме.

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

При использовании 6-проводной схемы подключения датчика исключается погрешность падения напряжения на подводящих проводах и изменения падения напряжения на подводящих проводах из-за температурной зависимости сопротивления.

Другим источником погрешности является наводимая помеха от других цепей. Самой значимой является сетевая помеха 50 Гц. Чем длиннее подводящие провода, тем выше уровень наводимой помехи. Для снижения уровня наводки необходимо использовать витые пары проводов в экране.

При измерении по мостовой схеме выходной сигнал равен:

Если сопротивления R₁ = R₂ = R₃ = R , то можно записать:

Для полумостовой схемы:

Дополнительными источником помех является нелинейная зависимость падения напряжения от значения измеряемого сопротивления.

Тензорезистивные датчики

На основе тензорезистивного эффекта также изготавливаются датчики давления со встроенной мостовой схемой.

Фоторезистивные датчики — это датчики, сопротивление которых изменяется в зависимости от освещенности датчика. В темноте такой датчик обладает высоким сопротивлением, а при падении света сопротивление уменьшается.

Такой датчик обладает нелинейной характеристикой.

Также существует большое количество потенциометрических датчиков — датчиков положения, угла поворота. Принцип измерения сопротивления таких датчиков аналогичен измерению сопротивления терморезистора.

Сходным по функционированию являются емкостные и индукционные датчики. Например, индукционный датчик линейного перемещения построен по полумостовой схеме с входным сопротивлением 350 Ом. Для питания датчика необходима несущая частота 5 кГц. Датчик состоит из двух трансформаторных обмоток. На одну обмотку трансформатора подается переменное напряжение, с другой обмотки снимается выходной сигнал. Выдвижной щуп выполнен из ферромагнетика. В зависимости от положения щупа меняется коэффициент трансформации между обмотками и соответственно меняется амплитуда выходного сигнала. По амплитуде выходного сигнала определяется перемещение щупа. Линейность такого рода датчиков не превышает 1-2%.

Для каждого типа датчика компания ZETLAB предлагает измерительные модули из серии ZETSENSOR. Разработанные специально для решения конкретной измерительной задачи, модули ZETSENSOR позволяют подключать первичные преобразователи напрямую, т.е. минуя согласующие, усилительные цепи и цепи питания. Питание осуществляется от измерительного модуля постоянным (статические измерения) или переменным (динамические измерения) током. Обработка сигналов с датчиков осуществляется непосредственно измерительным модулем, результаты измерений передаются в цифровом виде по интерфейсу RS-485 или CAN, используя протокол Modbus. Для отображения результатов измерений может использоваться цифровой индикатор, или ПК. При использовании управляющих модулей

ZETSENSOR реализуются системы контроля и управления — как с участием ПК, так и автономные.

Принцип действия датчика

Omega — надежный источник датчиков давления и тензодатчиков, которые обеспечивают высококачественные данные для множества процессов.

Чтобы датчики давления и тензодатчики предоставляли информацию, которую ищут наши клиенты, давление или сила этого процесса должны достигать чувствительного элемента. Чувствительный элемент реагирует на силу или давление процесса, создавая выходной сигнал, который может быть интерпретирован считывающим устройством или устройством сбора данных. Таким образом, чувствительный элемент является сердцем преобразователя или тензодатчика.

Измерительная система

Измерительная система состоит из чувствительного элемента с четырьмя прикрепленными к нему тензорезисторами. Тензорезисторы сконфигурированы в виде моста Уитстона, где все 4 резистора (обозначенные R1-R4 на рис. 2) одинаковы и пропорционально изменяются на одинаковую величину при приложении деформации. Чем больше сила или деформация (вход), тем больше результат. Устройство моста Уитстона требует 4 провода для подключения, положительного и отрицательного возбуждения, а также положительного и отрицательного выхода датчика.

Для типичного датчика давления отклонение диафрагмы создает выходной сигнал тензодатчика. В зависимости от технологии тензодатчика выходное напряжение может варьироваться от 1–3 милливольт на вольт (мВ/В) до 10–30 мВ/В. Чтобы рассчитать выходной сигнал полной шкалы, вы должны умножить выходной сигнал датчика на напряжение, используемое для питания устройства. Например, для датчика 3 мВ/В, если бы мы использовали 10 вольт постоянного тока в качестве напряжения возбуждения, мы ожидали бы получить 3 мВ/В x 10 В=30 мВ при полной шкале.

Рис. 1.
  Рис. 2.
  Рис. 3.
Типичная реакция диафрагмы при приложении давления.

Примеры

Одним из хороших примеров этой теории датчиков является PX4600. Давление процесса, которое пытается измерить клиент, будет подаваться на мембранный элемент через порт доступа. Давление вызовет отклонение диафрагмы, нагружая мост Уитстона с другой стороны диафрагмы и создавая выходной сигнал мВ/В. Затем этот милливольтовый сигнал считывается устройством, способным принимать милливольтовый сигнал, или подается на усилитель или формирователь сигналов для дальнейшей обработки сигнала.

PX409-USBH имеет разъем USB на конце кабеля для прямого подключения к портативному компьютеру. Бортовая электроника преобразует сигнал в удобный и простой в использовании протокол связи. Для работы по принципу «подключи и работай» используйте наше бесплатное программное обеспечение, доступное на нашем веб-сайте. Устройство можно подключить к ноутбуку, который будет отображать и собирать данные, обеспечивая при этом питание самого датчика.

Рис. 4. Пример чувствительного элемента моста Уитстона
на преобразователе, монтируемом на плате. Рисунок 5.
 
  Рис. 6.
DPG409

Цифровой манометр DPG409 использует цифровой выход в своих версиях беспроводного преобразователя. Это позволяет получать показания из удаленного места на линии прямой видимости без необходимости прокладывать сигнальный провод. Беспроводной приемник примет этот сигнал и отобразит или зарегистрирует данные.

Категории датчиков

Рис. 7.

Без усиления
Большинство тензодатчиков имеют выходной сигнал без усиления. Неусиленные выходы характерны для устройств, которые слишком малы, чтобы их можно было оснастить электроникой преобразования сигнала, или в тех случаях, когда окружающая среда слишком экстремальна для выживания электроники. Это относится к PX1004, PX1005 и PX1009.продукты, которые не усилены из-за очень высоких и очень низких рабочих температур, при которых они предназначены для работы. Датчики без усиления имеют довольно короткое расстояние передачи, обычно не более 6,1–9,1 м (от 20 до 30 футов). Это потому, что мощность сигнала очень мала. Это также делает их восприимчивыми к электромагнитным помехам из окружающей среды.

Рис. 8.

Усилитель
Датчики с усилителем используют внутреннюю электронику формирования сигнала для создания более сильного сигнала. Это делает их менее восприимчивыми к шуму окружающей среды и способными преодолевать большие расстояния до своих приемных устройств. Датчики с внутренними усилителями имеют меньший диапазон рабочих температур из-за температурных ограничений электроники формирования сигнала внутри датчика.

Датчики выходного тока могут посылать усиленный сигнал на расстояние до 304,8 м (1000 футов) и при этом обеспечивать высокую точность. Как правило, датчики с выходным напряжением могут сохранять точность до 30,5 м (100 футов).

Цифровой
Третий тип датчика, который классифицируется по выходу, представляет собой датчик с цифровым выходом. Этот тип вывода потенциально может обеспечить самый низкий уровень шума и самые большие расстояния передачи. Доступно несколько стилей общения, например, DPG409.и устройства PX409-USBH или RS485.

Вопросы точности

Рис. 9.
Типовая 5-точечная калибровка.

Общий диапазон ошибок

Это максимальное отклонение диапазона для любого выхода с учетом всех определенных источников ошибок, таких как вибрация, температура или влажность. Выражается в процентах от номинальной мощности.

Рис. 10.

Статическая погрешность
Статическая погрешность, объединенная линейностью, гистерезисом и повторяемостью, выражается в ±% диапазона и относится к BSL. Полоса статической погрешности является хорошей мерой точности, которую можно ожидать от датчика давления или тензодатчика при постоянной температуре.

BSL (лучшая прямая линия)
BSL — максимальное отклонение ошибки от конечной базовой линии, разделенное пополам. Для определения этой линии используются выходы из нулевой и полной шкалы для создания линии. Другие точки данных измеряются на основе расстояния от этой линии. Наилучшая прямая линия — это линия, которая имеет тот же наклон, что и базовая линия терминала, но смещена таким образом, что ошибки равномерно распределяются по обе стороны от BSL. Лучшая прямая линия используется для описания характеристик линейности.

Нелинейность
Это максимальное отклонение калибровочной кривой от прямой линии, проведенной между выходной мощностью без нагрузки и номинальной мощностью. Он выражается в процентах от номинальной мощности и измеряется только при увеличении нагрузки давлением.

Гистерезис
Гистерезис – это максимальная разница между выходными показаниями для одного и того же приложенного давления с противоположных направлений. Он определяется путем сравнения выходных значений для значения давления, сначала полученного путем приближения к более низкому давлению, а затем к более высокому давлению. Чем ближе два показания, тем ниже гистерезис. Эту ошибку трудно исправить.

Повторяемость
Максимальная разница между выходными показаниями для повторяющихся нагрузок давлением при одинаковой нагрузке и условиях окружающей среды называется повторяемостью. Чем ближе эти показания, тем лучше повторяемость. Эта ошибка не может быть исправлена.

БЕЛАЯ БУМАГА
Загрузите нашу белую книгу по теории датчиков

Теория измерения тока — NK Technologies

При заданном протекании тока вокруг проводника с током создается пропорциональное магнитное поле. Датчики тока NK Technologies измеряют это поле по одной из двух технологий. Для постоянного тока мы используем «эффект Холла», а для переменного тока используем «индуктивную» технологию.

Щелкните изображение, чтобы увеличить его

Датчик Холла имеет ядро, устройство на эффекте Холла и схему формирования сигнала. Проводник с током проходит через магнитопроницаемый сердечник, который концентрирует магнитное поле проводника. Устройство на эффекте Холла установлено в сердечнике под прямым углом к ​​сосредоточенному магнитному полю. Постоянный ток в одной плоскости возбуждает устройство Холла. Когда включенное устройство Холла подвергается воздействию магнитного поля от сердечника, оно создает разность потенциалов (напряжение), которую можно измерить и усилить в сигналы уровня процесса, такие как 4-20 мА или замыкание контактов.

Индуктивный датчик имеет проволочный сердечник и формирователь сигнала. Проводник с током проходит через сердечник, который усиливает магнитное поле проводника. Переменный ток постоянно меняет потенциал с положительного на отрицательный и обратно, как правило, с частотой 50 или 60 Гц. Расширяющееся и сжимающееся магнитное поле индуцирует ток в обмотках. Этот вторичный ток преобразуется в напряжение и преобразуется в выходные сигналы уровня процесса, такие как 4–20 мА или замыкание контактов.

[ч]

Знай свою силу

Датчик тока — это экономичный и надежный инструмент, незаменимый для контроля состояния оборудования, обнаружения отклонений в технологических процессах и обеспечения безопасности персонала.

Для управления насосами, компрессорами, нагревателями, конвейерами и другими электрическими нагрузками требуется точная обратная связь о состоянии в режиме реального времени. Традиционный подход к этой проблеме контроля заключается в использовании реле давления, оптических датчиков и переключателей нулевой скорости. Однако за последние 10 лет все большее число инженеров-проектировщиков и инженеров-технологов пришли к выводу, что измерение тока является более надежным и экономичным способом контроля и управления электрическими нагрузками. Твердотельные датчики тока проще в установке и более надежны, чем электромеханические устройства, и они предоставляют больше информации.

Проще говоря, измерение входного тока оборудования дает вам больше информации о фактической производительности оборудования. Мгновенное наблюдение за изменениями нагрузки может помочь вам повысить пропускную способность, сократить количество отходов и предотвратить катастрофический отказ оборудования. Непрерывный мониторинг потребляемого тока в режиме реального времени также можно использовать для анализа тенденций или оповещения о состоянии.

Методы измерения тока

Датчики тока облегчают автоматизацию промышленных насосных станций, позволяя в режиме реального времени контролировать работу насосов, компрессоров, нагревателей, вентиляторов и другого работающего оборудования. Измерение потребляемой мощности может помочь повысить эффективность, защитить персонал и снизить затраты на техническое обслуживание двигателей в широком диапазоне промышленных применений. Эта фотография была сделана с мостового крана на компрессорной станции природного газа National Fuel Gas в Эллисбурге, штат Пенсильвания. Пять встроенных двигателей/компрессоров (крупнокалиберные, тихоходные, ~200 об/мин, ~2200 л.с.) производства Dresser-Rand работают параллельно. Каждая панель слева управляет и контролирует блок двигателя/компрессора. (С разрешения Basic Systems, Inc.)

Наиболее распространенными способами измерения тока являются резистивный шунт, эффект Холла и индукция.

Резистивный шунт

Резистивный шунт представляет собой калиброванный резистор, размещенный на пути тока, который создает падение напряжения, пропорциональное протекающему току в соответствии с:

В = IR

где:

В = падение напряжения ток

R = сопротивление шунта

Измерение падения напряжения обычно находится в диапазоне милливольт переменного тока. Этот выход должен преобразовываться отдельным преобразователем в технологический сигнал, такой как 4-20 мА или замыкание контакта.

К сожалению, шунт представляет серьезные проблемы в работе и потенциальную угрозу безопасности. Обе стороны шунтирующего резистора находятся под сетевым напряжением, что на практике означает подачу 480 В переменного тока на низковольтную панель управления. Отсутствие изоляции может привести к серьезным травмам ничего не подозревающего обслуживающего персонала.

Поскольку по сути это резистор, шунт часто воспринимается как наименее дорогое решение. Хотя на самом деле это недорогое устройство, формирователь сигналов должен быть рассчитан на 480 В переменного тока и стоит очень дорого. Затраты на установку и эксплуатацию резистивного шунта еще больше ограничивают его использование. Установка этого устройства требует обрезки и повторной заделки токоведущего проводника, что требует больших затрат времени и средств. Кроме того, поскольку шунт представляет собой фиксированное падение напряжения (вносимое сопротивление) в контролируемой цепи, он выделяет тепло и теряет энергию. Шунт подходит только для измерения постоянного тока и измерения низкочастотного переменного тока (<100 Гц).

Датчик на эффекте Холла

Рис. 1. На эффекте Холла и индукции используются разные методы измерения магнитного поля вокруг проводника с током. Датчик Холла лучше всего подходит для постоянного тока, а индуктивный датчик — для переменного тока.

Эффект Холла и индукция представляют собой бесконтактные технологии, основанные на том принципе, что при заданном протекании тока вокруг проводника с током создается пропорциональное магнитное поле. Обе технологии измеряют это магнитное поле, но используют разные методы измерения (см. рис. 1).

Датчик Холла состоит из трех основных компонентов: ядра, датчика Холла и схемы формирования сигнала. Проводник с током проходит через магнитопроницаемый сердечник, который концентрирует магнитное поле проводника. Устройство на эффекте Холла аккуратно установлено в небольшой щели в сердечнике под прямым углом к ​​концентрированному магнитному полю. Его возбуждает постоянный ток в одной плоскости. Когда включенное устройство Холла подвергается воздействию магнитного поля от сердечника, оно создает разность потенциалов (напряжение), которую можно измерить и усилить в сигналы уровня процесса, такие как 4-20 мА или замыкание контактов.

Поскольку датчик Холла полностью изолирован от контролируемого напряжения, он не представляет угрозы безопасности и практически не имеет импеданса. Он также обеспечивает точное и воспроизводимое измерение как переменного, так и постоянного тока. Преобразователи на эффекте Холла требуют больше энергии, чем обычные двухпроводные системы с питанием от контура. Впоследствии большинство датчиков Холла представляют собой трехпроводные или четырехпроводные устройства.

В зависимости от конструкции датчики Холла могут измерять частоты от постоянного тока до нескольких килогерц. Поскольку они, как правило, дороже шунтов или индуктивных преобразователей, их использование обычно ограничивается измерением мощности постоянного тока. По сравнению с индуктивным датчиком их основным недостатком является ограниченный диапазон измерения.

Индуктивные датчики

Фото 1. Индуктивные переключатели тока доступны как в конфигурациях со сплошным сердечником, так и в конфигурациях с разъемным сердечником. Эти компактные устройства с автономным питанием обеспечивают регулируемые в полевых условиях уставки и встроенные монтажные кронштейны для упрощения установки.

Индуктивный датчик состоит из проволочного сердечника и преобразователя сигнала. Проводник с током проходит через магнитопроницаемый сердечник, который усиливает магнитное поле проводника. Переменный ток постоянно меняет потенциал с положительного на отрицательный и обратно, как правило, с частотой 50 или 60 Гц. Расширяющееся и сжимающееся магнитное поле индуцирует ток в обмотках. Это принцип, которым руководствуются все трансформаторы.

Токонесущий проводник обычно называют первичной обмоткой, а сердечник обмотки — вторичной. Вторичный ток преобразуется в напряжение и преобразуется в выходные сигналы уровня процесса, такие как 4–20 мА или замыкание контактов. Индуктивное измерение обеспечивает как высокую точность, так и широкий динамический диапазон, а выходной сигнал изначально изолирован от контролируемого напряжения. Эта изоляция обеспечивает безопасность персонала и создает практически незаметные вносимые потери (падение напряжения) в контролируемой цепи.

Индуктивные датчики предназначены для измерения мощности переменного тока и обычно работают в диапазоне частот от 20 до 100 Гц, хотя некоторые датчики могут работать в диапазоне килогерц. Хорошо спроектированный индуктивный датчик может быть сконфигурирован как двухпроводное устройство для снижения затрат на установку.

Применение бесконтактных датчиков тока

Датчики тока часто используются для предоставления важной информации автоматизированным системам управления и в качестве первичных контроллеров в схемах релейной логики. Двумя наиболее распространенными типами являются преобразователи тока и переключатели тока.

Датчики тока. Преобразователи тока преобразуют контролируемый ток в пропорциональное напряжение переменного или постоянного тока или миллиамперный сигнал. Эти небольшие устройства имеют чрезвычайно низкий вносимый импеданс. Индуктивные преобразователи проще в установке, поскольку они двухпроводные, с автономным питанием (выход 0–5 В постоянного тока или 0–10 В постоянного тока) или с питанием от контура (выход 4–20 мА). Преобразователи на эффекте Холла обычно представляют собой четырехпроводные устройства и требуют отдельного источника питания. Поскольку оба типа могут быть подключены непосредственно к системам данных и устройствам отображения, они идеально подходят для мониторинга двигателей, насосов, конвейеров, станков и любой электрической нагрузки, требующей аналогового представления в широком диапазоне токов.

Рис. 2. Датчики со средней чувствительностью подходят для измерения чистых синусоидальных волн.

Преобразователи частоты (VFD) экономят энергию и улучшают управление движением за счет улучшенного регулирования скорости двигателя. Кремниевые управляемые выпрямители (SCR) продлевают срок службы нагревателя, сводя к минимуму термоциклирование. Импульсные источники питания — это небольшие, эффективные и компактные устройства, которые легко интегрируются с разнообразным электрическим оборудованием. Все три технологии основаны на высокоскоростном переключении, которое искажает синусоиду переменного тока. Понимание двух основных методов измерения силы тока может помочь вам выбрать правильное устройство для этих требовательных приложений.

Большинство преобразователей тока имеют средний отклик, выпрямляя и фильтруя синусоиду для получения средней пиковой силы тока. Чтобы вычислить среднеквадратичное значение тока чистой синусоидальной волны, преобразователи просто делят пиковый ток на квадратный корень из 2 (1,1414). Этот метод обеспечивает быстрый отклик (100·200 мс) при умеренных затратах, но он работает только с чистыми синусоидальными сигналами (см. рис. 2).

Форма выходного сигнала типичного ЧРП или SCR не является чистой синусоидой. Моделируемая волна может иметь пики, в несколько раз превышающие средний ток, и их относительные размеры меняются в зависимости от несущей и выходной частоты. В этих приложениях датчик средней чувствительности может быть точным при 20 Гц, но на 10% выше при 30 Гц и на 10% ниже при 40 Гц. Преобразователи со средним откликом просто не могут точно измерить эти искаженные формы волны.

Рис. 3. Для точного измерения искаженных сигналов от частотно-регулируемых приводов требуется преобразователь истинного среднеквадратичного значения.

Только измерение истинного среднеквадратичного значения обеспечивает точное измерение несинусоидальных сигналов, встречающихся в частотно-регулируемых приводах, тиристорах, электронных балластах, на входах импульсных источников питания и других нелинейных нагрузках. Приборы True RMS измеряют мощность или теплотворную способность любой формы волны тока или напряжения. Это позволяет сравнивать очень разные формы сигналов друг с другом и с эквивалентным значением постоянного тока (нагрева).

Измерение истинного среднеквадратичного значения начинается с возведения входного сигнала в квадрат для математического выпрямления сигнала. Следующим шагом является усреднение волны за определенный период времени и вычисление квадратного корня. Результатом является истинная мощность (теплотворная способность) волны (см. рис. 3).

Как определить, что у вас датчик истинного среднеквадратичного значения? Если в спецификации продукта или листе технических данных выходной сигнал описывается как «истинное среднеквадратичное значение для синусоидальной формы волны», вы имеете преобразователь со средней чувствительностью и умный составитель спецификаций. Спецификация преобразователя с истинным среднеквадратичным значением будет описана в техническом описании как «истинное среднеквадратичное значение для всех форм сигналов» и «точно измеряет частотно-регулируемые приводы или тиристоры». Датчики с истинным среднеквадратичным значением обычно обеспечивают более медленный отклик, чем датчики со средним откликом (400·800 мс), и могут стоить на 30%·50% больше, чем датчик со средним откликом.

Большинство современных преобразователей доступны в конфигурациях со сплошным сердечником или с разъемным сердечником для облегчения установки. В типичном преобразователе используются регулируемые в полевых условиях потенциометры диапазона. Более продвинутые устройства имеют диапазоны, выбираемые с помощью перемычек, чтобы исключить трудозатраты на калибровку. Типичные диапазоны датчиков составляют от 0–2 А до 0–2000 А с апертурой от 0,5 до >3 дюймов (12–76 мм).

Выключатели тока. Разработанные для контроля и переключения цепей переменного и постоянного тока, токовые переключатели объединяют измерение тока и преобразование сигналов с сигнализацией предельного значения. Релейный выход активируется, когда уровень тока, определяемый аварийным сигналом предельного значения, превышает пороговое значение, выбираемое пользователем. Индуктивные переключатели тока обычно имеют полупроводниковые выходные переключатели. Они имеют автономный источник питания и, следовательно, являются хорошим выбором для модернизации, ремонта и временного мониторинга (см. Фото 1). Токовые переключатели на эффекте Холла имеют полупроводниковый или релейный выход. Их высокие требования к мощности не позволяют использовать конструкцию с автономным питанием, а потребность в отдельном источнике питания увеличивает стоимость их установки.

Некоторые переключатели тока поставляются с фиксированной уставкой. В более новых конструкциях предусмотрены регулируемые в полевых условиях заданные значения с помощью потенциометра и обратной связи со светодиодом или ЖК-дисплеем. Их диапазон уставок находится в диапазоне от 0–5 А до 0–2000 А. Для систем релейной логики переключатели должны быть оснащены встроенными временными задержками, чтобы учесть броски при запуске и мгновенные провалы или выбросы.

Мониторинг и управление двигателем

Одним из наиболее распространенных применений датчиков индукционного тока является мониторинг двигателя. Поскольку потребляемый ток является отличным индикатором состояния двигателя, датчик тока можно использовать для решения широкого круга проблем, связанных с управлением технологическим процессом, безопасностью и техническим обслуживанием.

Автоматизация механизма подачи в дробилки и дробилки часто осуществляется путем установки датчика тока на провод двигателя. Выходной сигнал используется для управления с обратной связью между дробилкой и механизмом подачи. Падение нагрузки сигнализирует конвейеру или загрузчику о необходимости увеличить скорость подачи, а увеличение нагрузки инициирует уменьшение скорости подачи. В этой операции контроль скорости подачи помогает предотвратить застревание, улучшает однородность или структуру продукта помола и повышает эффективность последующих операций обработки (см. рис. 4, стр. 56).

Та же логика управления может использоваться для блокировки двух или более двигателей для обеспечения безопасности персонала. Здесь цель состоит в том, чтобы запустить второй двигатель только после того, как первый двигатель заработает и будет управлять своей нагрузкой. Этот тип защитной блокировки используется на различных коммерческих и промышленных объектах.

Автоматическое переключение нагрузки и оповещение о состоянии также являются типичными приложениями для токовых выключателей. Часто их используют вместо вспомогательных контактов, сигнализирующих только о положении контактора. Большинство двигателей оснащены местными разъединителями при фактической нагрузке для облегчения обслуживания. Если оборудование выводится из эксплуатации при отключении, вспомогательный контакт контактора будет давать ложную индикацию включения, что может иметь серьезные последствия для безопасности или эксплуатации.

Интеллектуальные самокалибрующиеся выключатели тока можно запрограммировать на подачу сигналов о перегрузке и недостаточной нагрузке или на запуск резервного оборудования. Эти микропроцессорные устройства оснащены встроенными программируемыми таймерами, компенсирующими кратковременные сбои и броски двигателя во время запуска. В этих операциях переключатель тока более надежен, поскольку он не подвержен коррозии контактов или дрейфу уставки и не требует периодического обслуживания или калибровки.

Датчики тока и выключатели также используются для обеспечения защиты двигателя и облегчения процедур технического обслуживания оборудования. Крупные электродвигатели нуждаются в периодическом капитальном ремонте или восстановлении. График профилактического обслуживания, основанный на фактическом количестве пусков двигателя, обеспечивает правильную работу и снижает риск отказа двигателя. Установка выключателя тока на проводе двигателя и использование сигнала для запуска счетчика или подачи в автоматизированную систему обеспечивает точный подсчет пусков двигателя. Эта информация может быть использована для планирования профилактического обслуживания и сокращения дорогостоящего аварийного ремонта.

Датчики тока также устанавливаются на режущие инструменты для диагностики эффективности инструмента. Если инструмент потребляет слишком много тока, возможно, его режущая кромка затупилась. Сигнализация оператору о том, что требуются процедуры технического обслуживания, снижает количество бракованного материала и предотвращает прерывание процесса.

Насосы, нагреватели и другие устройства для мониторинга

Датчики тока часто используются для защиты от заклинивания насосов и потерь на всасывании. При работе со сточными водами органические вещества могут заблокировать насосы и вызвать повреждение как двигателя, так и насоса до того, как сработает термическая перегрузка. Кроме того, засорение линии всасывания насоса может привести к работе насоса всухую, перегреву и повреждению уплотнений. Установка преобразователя тока на одну ветвь выводов двигателя позволяет оператору контролировать условия как перегрузки, так и недогрузки и принимать корректирующие меры до того, как оборудование будет нарушено.

Тот же метод используется для мониторинга оборудования, которое обеспечивает теплом промышленные товары, системы хранения или рециркулирующие материалы. Если нагреватель выйдет из строя, партия или процесс, возможно, придется отменить. Интеграция текущего сигнала переключения с системой автоматизации позволяет оператору контролировать состояние включения/выключения, сигнализировать о сбое или автоматически включать резервный нагреватель.

Новые тенденции в современной технологии переключателей/реле

На современном рынке переключателей/реле появляются две новые тенденции. Современные панели управления меньшего размера и переполненные распределительные устройства стимулируют спрос на более компактные блоки с более высокими характеристиками и более универсальными вариантами монтажа.

Реле обычно используются для запуска нагрузок, а реле давления или переключатели нулевой скорости используются для их контроля. Этот подход требует двух установок и нескольких кабелепроводов, что увеличивает сложность системы. Сегодня модульные реле могут быстро подключаться к широкому спектру датчиков тока, от переключателей тока с регулируемой уставкой до цельных преобразователей. Этот модульный подход позволяет оператору включать двигатель, подавать сигнал о включении/выключении и контролировать состояние нагрузки двигателя с помощью одного установленного устройства.

Вторая тенденция — более интеллектуальные реле. Новые микропроцессорные датчики тока автоматически калибруются при первом запуске. Другие интеллектуальные устройства оснащены программируемыми пользователем таймерами, которые компенсируют кратковременные сбои и скачкообразный запуск двигателя.