Функционирование современных систем на основе микропроцессорной техники, организация сигнала по измеряемому давлению, автоматизация технологических процессов, включая системы аварийной защиты, требуют измерительных преобразователей с унифицированным электрическим сигналом в виде тока, напряжения, частоты.
За последние десятилетия конструкции измерительных преобразователей давления, разрежения и разности давлений с электрическим выходным сигналом претерпели существенные изменения. Многие типы приборов безвозвратно ушли в историю. Освоены в производстве модели устройств, базирующиеся на новых принципах работы, а также системах преобразования и передачи сигналов, и имеющие более высокие метрологические и качественные технические характеристики, новые функциональные возможности.
Измерительный преобразователь, согласно РМГ 29-99/6/, - это техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.
Зачастую измерительные преобразователи называют датчиками. Датчик – это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию/6/.
Измерительный преобразователь может быть представлен как система, состоящая из первичного измерительного преобразователя – чувствительного элемента 1 (рис. 5.1) и блока усиления 2. Чувствительный элемент,
Рис. 5.1. Принципиальная схема электропреобразовательного прибора: 1–чувствительный элемент; 2 – блок усиления
как в манометрах с тензорезисторными, емкостными или пьезоэлектрическими сенсорами, трансформирует воздействующее на него давление в электрический выходной сигнал.
Как правило, электрический выходной сигнал на выходе чувствительного элемента – первичного измерительного преобразователя не превышает несколько сот милливольт.
Блок усиления на основе выходного сигнала чувствительного элемента формирует унифицированный электрический сигнал, пригодный для управления системами автоматического регулирования, сигнализации и регистрации.
В других типах манометрических приборов (например, в приборах с индуктивными преобразователями) измеряемое давление трансформируется в линейное перемещение плунжера, которое в свою очередь преобразуется в электрический выходной сигнал. В этом случае блок усиления также предварительно преобразует неэлектрический параметр в электрический.
Чувствительный элемент – первичный преобразователь, называемый зачастую английским термином «сенсор» (sensor), определяет в основном технические характеристики измерительного преобразователя. В свою очередь на технические характеристики сенсора, включая чувствительность, величину гистерезиса, нелинейность основной зависимости, оказывает влияние заложенный принцип преобразования, уровень использованных технологий и материалов, культура его производства.
Выходные сигналы измерительных преобразователей давления, разрежения и разности давлений предназначены для автоматизации процесса измерения: связи с вторичными приборами, регуляторами, сигнализаторами и машинами централизованного и индивидуального контроля.
Согласно ГОСТ 22520–85/26/ выходными сигналами с измерительных преобразователей могут быть:
- токовые сигналы и сигналы напряжения постоянного тока следующие: 0-5; 0-20; 4-20 мА; 0-10; 0-5; 0-1 В – по ГОСТ 26.011-80;
- сигналы напряжения переменного тока – по ГОСТ 26.011-80;
- частотные сигналы – по ГОСТ 26.010-80.
По изменениям, внесенным в этот ГОСТ в 1991 году, применение сигнала 0-20 мА не рекомендуется.
Наибольшее распространение в последние годы приобрели приборы с токовым сигналом 4…20 мА, хотя ранее достаточно широко применялись токи 0…5 и 0…20 мА. Расширение использования таких сигналов было затруднено сложностью контроля точки «нуль», которая в ряде измерительных схем могла быть как начальной точкой рабочего диапазона преобразования, так и обрывом или коротким замыканием цепи.
Кроме этого, преимущество преобразователей с выходным сигналом 4…20 мА состоит в возможности обеспечения их питанием и контроля выходного сигнала по двухпроводной схеме.
Использование в качестве выходного параметра сигнала 0…5 или 0…20 мА предопределяет достаточно «строгое» отношение к питанию прибора, что объясняется использованием в этих измерительных схемах неуравновешенных мостов. Так, у приборов серии «Сапфир» с такими выходными сигналами источник питания должен иметь выходные характеристики 36 ± 0,72 В, в то время как прибор с выходным сигналом 4…20 мА может питаться от источника постоянного тока напряжением от 15 до 42 В.
Унифицированными выходными сигналами могут быть индуктивные, а также иные виды электрических сигналов. В угольной отрасли, некоторых химических производствах используются пневматические унифицированные параметры.
Применение в современных системах управления, контроля и измерения цифровой техники привело к производству измерительных преобразователей, выходным сигналом у которых является цифровой код, форма и параметры которого определяются принятыми стандартами. Наибольшее распространение в качестве стандартов получили Hart, Profibus, Foundationfieldbus-протоколы. Конструкции приборов с протоколом Hart (HighwayAddressableRemoteTransducer – Адресная шина дистанционного преобразователя) объединены в семейство Smart. Основной вклад в развитие HART-направления положила фирма ROSEMOUNTInc., которая разработала современную систему цифровой коммуникации, отличающуюся большим быстродействием.
Измерительные преобразователи давления, разрежения и разности давлений, поддерживающие HART-протокол, активно предлагает компания «Метран». HART-система коммуникации занимает промежуточное положение между аналоговым и цифровым выходами. Реально HART-протокол является цифровым усовершенствованием токовой петли 4…20 мА, и преобразователи с такими системами могут успешно, как свидетельствуют данные компании «МЕТРАН», заменять аналоговые и использовать все преимущества цифрового обмена уже в действующих системах. Так, измерительные преобразователи, поддерживающие HART-протокол и обладающие всеми свойствами аналоговых приборов, обеспечивают возможность считывания через собственный индикатор значения измеряемого давления в задаваемых единицах. Эти приборы отличаются повышенной точностью, а также имеют дополнительные возможности по настройке, диагностике, конфигурированию собственных ресурсов измерителя. Управление такими системами реализуется через персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением и HART-модемом или с помощью портативного HART-коммуникатора.
На одной паре проводов может устанавливаться до
15-ти измерительных преобразователей, поддерживающих HART-протокол. Конфигурация такой линии определяется ее длиной, качеством, а также мощностью питания данных преобразователей.
Номинальная статическая характеристика измерительных преобразователей давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами должна соответствовать одному из следующих видов/26/:
у - yн = k(x-xо) в интервале yнy yв ; (5.1)
у - yн = a(x-xо) 1/2 в интервале yсy yв, (5.2)
где у – текущее значение выходного сигнала датчика;
yн,yв - соответственно нижнее и верхнее предельные значения выходного сигнала; | yн -yв| - диапазон изменения выходного сигнала;
yс - наименьшее значение выходного сигнала, при котором гарантируется номинальная статическая характеристика; при этом отношение с = ( yс - yн ) / (yв - yн) 0,3 устанавливают в технических условиях на датчики конкретных типов;
k, a- коэффициенты пропорциональности, при этом k0 или k 0 и a 0;
x - значение измеряемой величины;
xо - значение измеряемой величины, при котором расчетное значение y = yн.
Номинальные значения напряжений питания следует выбирать из ряда: 6, 12, 15, 24, 27, 36, 42, 48, 60, 110 и 220 В постоянного или переменного тока по ГОСТ 23366-78. Остальные параметры напряжения питания – по ГОСТ 18953-73.
Пределы допускаемой основной погрешности датчиков, выраженной в процентах от диапазона измерений или верхнего предела измерений, следует принимать из ряда: +/- 0,1; +/- 0,15; +/- 0,16; +/- 0,2; +/- 0,25; +/- 0,4; +/- 0,5; +/- 0,6; +/- 1,0; +/- 1,5.
Импортные промышленные приборы могут иметь допускаемую основную погрешность +/- 0,075, +/- 0,07, +/- 0,05, +/- 0,04, +/- 0,02.
Измерительные преобразователи давления, разрежения и разности давлений, кроме основной могут иметь дополнительные погрешности от влияния внешних воздействующих факторов: вибрации, рабочего избыточного давления (для преобразователей разности давлений), атмосферного давления (для датчиков абсолютного давления), температуры окружающего воздуха, напряжения и частоты тока питания, внешнего магнитного поля, сопротивления нагрузки.
