Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко Анемометр

Для чего измеряется уровень?

1.1 Технологический учет запасов

Основной причиной для измерения уровня является необходимость отслеживать количество продуктов в единицах объема или массы. Промышленные требования по технологическому учету постоянно ужесточаются. Измерение уровня является одним из ключевых компонентов системы учета резервуарных парков для обеспечения надежного и точного управления запасами сырья и готовых продуктов.

К другим измерениям, выполняемым при технологическом учете, относятся измерение температуры, давления и уровня подтоварной воды. За последние несколько лет учет запасов приобрел особое значение не только для оперативного персонала, но и для компаний в целом, включая руководителей и лиц, ответственных за материальный учет и анализ непроизводительных потерь. Это является результатом повышенного внимания к вопросам безопасности, стоимости владения и стоимости продукции. В подавляющем большинстве случаев для задач учета запасов требуется погрешность измерения уровня не более ±3 мм.

1.2 Коммерческий учет

Во многих случаях расчет количества покупаемого или продаваемого продукта (передаваемого на ответственное хранение) основывается на значении уровня продукта, по которому рассчитывается либо объем или масса (с применением математических уравнений или градуировочных таблиц, см. стр. 12). При коммерческом учете требования к погрешности уровнемера очень высоки, так как величина погрешности порядка 3 мм может привести к очень значительной ошибке при вычислении объема.

Для учета должны использоваться приборы утвержденного образца, точность которых, как правило, превышает 1 мм. Руководящие указания и рекомендации по применению приборов измерения уровня для коммерческого учета приводятся в международных стандартах.

1.3 Эффективность технологических процессов

Точное измерение уровня повышает эффективность. Например, если в резервуарном парке необходимо постоянно иметь в наличии определенное количество сырья, а у резервуаров не используется их полная емкость, предприятие будет нести расходы на приобретение и обслуживание дополнительных резервуаров хранения. Показанные на Рисунке 1.1 резервуары могут принять дополнительные 60 объемных единиц продукта прежде, чем потребуется приобретение нового резервуара для расширения парка. Эффективное использование объема предотвращает дополнительные расходы на приобретение дополнительных резервуаров.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 1.1: Эффективность хранения

Измерение уровня осуществляется также с целью обеспечения безопасности. Наполнение открытых резервуаров сверх расчетной емкости может создать угрозу для безопасности – перелив (переполнение). Если в резервуарах хранятся едкие, химически активные, горючие или токсичные материалы, перелив или создание повышенного давления может вызвать катастрофические последствия. У резервуаров с продуктами такого типа важно также контролировать уровень для уверенности в отсутствии утечек. Кроме того, предупреждение переливов и обнаружение утечек важно для удовлетворения требований природоохранного законодательства.

1.5 Равномерная подача

Во многих технологических процессах необходимо обеспечить равномерную подачу продукта на входе и выходе. Обеспечение постоянства подачи может быть затруднено из-за колебаний скорости потока или давления в подающей линии. Резервуар, помещенный между источником и технологическим процессом, может выступать в качестве буферной емкости и обеспечить постоянство потока на выходе независимо от флуктуаций на входе (Рисунок 1.2). Если технологический уровень в накопительном резервуаре постоянно поддерживается в заданном диапазоне, то интенсивность подачи на входе резервуара может возрастать и уменьшаться, не оказывая влияния на интенсивность подачи из резервуара в технологический процесс.

Постоянство подачи непосредственно влияет на качество продукции в целлюлозно-бумажной промышленности, так как этим обеспечивается одинаковая толщина всех выпускаемых листов бумаги.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 1.2: Обеспечение равномерной подачи

СсылкиПравить

  • Датчики: Справочное пособие / В. М. Шарапов, Е. С. Полищук, Н. Д. Кошевой, Г. Г. Ишанин, И. Г. Минаев, А. С. Совлуков. — Москва: Техносфера, 2012. — 624 с.
  • Capacitive Position/Displacement Sensor Theory/Tutorial
  • Capacitive Position/Displacement Overview (недоступная ссылка)
  • C. A. Grimes, E. C. Dickey, and M. V. Pishko (2006), Encyclopedia of Sensors (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X
  • Sensors — Open access journal of MDPI
  • M. Pohanka, O. Pavlis, and P. Skladal. Rapid Characterization of Monoclonal Antibodies using the Piezoelectric Immunosensor. Sensors 2007, 7, 341—353
  • Clifford K. Ho, Alex Robinson, David R. Miller and Mary J. Davis. Overview of Sensors and Needs for Environmental Monitoring. Sensors 2005, 5, 4-37
  • Wireless hydrogen sensor
  • Sensor circuits
  • ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения. раздел 3 «Термины и определения».

Измерение уровня по перепаду давления

Давление, создаваемое столбом жидкости, определяется тремя факторами:

• Глубина жидкости

• Давление на поверхности жидкости

• Плотность жидкости

Использование этих переменных позволяет выполнить измерения уровня по величине дифференциального давления.

6.1 Глубина жидкости

Давление в точке, находящейся под поверхностью жидкости, возрастает по мере увеличения высоты столба жидкости над точкой измерения. На давление влияет высота столба жидкости, а не ее объем. Если другие факторы (в частности, плотность жидкости и давление на ее поверхность) остаются постоянными, давление на глубине 3 м в большом резервуаре объемом 20 кубических метров не отличается от давления на глубине 3 м в небольшой емкости, содержащей всего 20 л воды. Примером из повседневной жизни может послужить заплыв на глубине полутора метров под поверхностью воды в плавательном бассейне или на глубине полутора метров под поверхностью воды в большом озере. Несмотря на то, что озеро содержит гораздо большее количество воды, давление на Ваше тело на глубине полтора метра не возрастает пропорционально объему. Давление на глубине полтора метра в озере и в бассейне одинаково.

Так как давление жидкости прямо зависит от глубины (то есть уровня), измерение давления можно использовать для определения уровня.

6.2 Давление на поверхности жидкости

Давление на поверхности жидкости – это давление, прикладываемое над столбом измеряемой жидкости.

В открытом резервуаре на поверхность воздействует атмосферное давление (давление, оказываемое земной атмосферой). Если поверх столба жидкости в закрытом резервуаре поместить газ, то в результате на поверхности возникнет давление. Если поверх столба жидкости в закрытом резервуаре создан вакуум (безвоздушное пространство), то на поверхности возникнет отрицательное давление. Давление на поверхность жидкости в герметически закрытом объеме называется давлением в резервуаре. Для обеспечения корректного измерения давления столба жидкости необходимо учитывать влияние давления на поверхности. Эта компенсация осуществляется при измерении перепада давления.

Для измерения давления собственно столба жидкости, в частности, при измерениях уровня, измеренное на поверхности давление вычитается из суммарного давления.

6.3 Плотность жидкости

Плотность – это масса единицы объема определенного вещества. Жидкость с большей плотностью имеет большую массу на единицу объема. Жидкости с большей плотностью оказывают более высокое давление на данную площадь, чем жидкости с меньшей плотностью, так как единица объема жидкости с высокой плотностью тяжлее. Колебания температуры вызывают расширение и сжатие жидкостей, что приводит к увеличению или уменьшению их объема. При изменении объема жидкости изменяется и ее плотность.

Плотность часто выражают через удельный вес. Удельный вес – это отношение плотности определенной жидкости к плотности воды при одинаковой температуре. Вода имеет плотность 1000 кг/м3 при температуре

15.6 °C. Вместе с плотностью жидкости указывается температура, потому что она влияет на плотность. Плотность бензина равна 660 кг/м3 при температуре

15.6 °C. Для вычисления относительной плотности бензина, поделим его плотность на плотность воды:

660 кг/м3 / 1000 кг/м3 = 0,66

Так как относительная плотность представляет собой отношение плотностей, она не изменяется при изменении единиц измерения. Поэтому удельная плотность бензина 15,6 °С всегда равна 0,66, даже если значения плотностей бензина и воды выражены в других единицах измерения (напр. фунт/фут3):

41.2038 фунт/фут3 / 62.43 фунт/фут3 = 0,66

При умножении удельного веса на высоту столба жидкости получается гидростатическое давление.

Гидростатическое давление, представляет собой давление, создаваемое столбом жидкости. Гидростатическое давление прямо пропорционально относительной плотности жидкости и высоте столба жидкости.

В зависимости от того, где установлен датчик давления, необходимо выполнить расчеты для устранения возможных ошибок и обеспечить правильное считывание гидростатического давления прибором. Датчики давления могут быть установлены выше или ниже уровня отбора (точки, в которой должны измеряться параметры технологической жидкости).

Если датчик давления монтируется под отбором, столб жидкости в импульсной линии будет создавать дополнительное давление на сенсор прибора. Если известны длина импульсной линии и удельный вес жидкости, дополнительное гидростатическое давление можно исключить из результата измерений. Если датчик давления монтируется над отбром, сила тяжести будет воздействовать на столб жидкости, оттягивая ее от сенсора датчика и создавая отрицательное гидростатическое давление. Отрицательное гидростатическое давление так же может быть рассчитано и исключено из результата измерений давления.

6.4 факторы, влияющие на плотность

Плотность жидкости, по определению – это масса единицы объема материала. Масса, как количество вещества, содержащегося в объекте, часто отождествляется с весом, и выражается в единицах измерения веса: фунты, тонны, килограммы или граммы. При увеличении концентрации жидкости к ней добавляется дополнительная масса, и плотность изменяется. Например, 10 % серная кислота имеет плотность 1,07 кг/л, а концентрированная серная кислота имеет плотность 1,83 кг/л.

Масса не подвержена влиянию температуры. Однако по мере нагревания или охлаждения жидкости ее объем увеличивается или уменьшается, что вызывает изменение значения плотности (отношения массы к объему). Таким образом, температура оказывает значительное влияние на плотность. Для уровнемеров, у которых плотность учитывается в процессе измерений, изменение температуры будет влиять на значение уровня. Несмотря на возможность осуществления компенсации изменения плотности по температуре, плотность является фактором, который может внести существенную погрешность в измерение уровня, основанное на плотности.

Применение датчиков

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.

Про анемометры:  Датчик скорости газ 31105 крайслер

Выбор уровнемера

В связи с большим разнообразием приборов для измерения уровня выбор подходящего уровнемера для конкретной прикладной задачи может быть затруднен. Несмотря на то, что большинство методов измерения уровня можно использовать в различных технологических процессах, не существует универсального уровнемера, пригодного для всех случаев. Однако, задавая правильные вопросы и уточняя основные требования технологических процессов, заказчик может значительно сузить круг поиска и определить, какой уровнемер будет лучше всего работать в том или ином случае.

3.1 Зачем необходимо измерять уровень?

Вам необходима индикация уровня продукта, или желательно точно знать, какое количество продукта находится в резервуаре?

Ответ на этот вопрос покажет, какая информация должна поступать от уровнемера и какой тип измерений необходим (например, измерение массы или дискретный контроль). Например, если закачик хочет предотвратить перелив или узнать, когда возникнет необходимость пополнения резервуара, то сигнализатора уровня будет вполне достаточно. Если же необходимо поддерживать объем продукта в резервуаре в определенных пределах, потребуется уровнемер с непрерывным выходным сигналом. Если закачику необходимо знать расход продукта в тоннах, нужны измерения массы. При необходимости организовать управление материальными запасами или коммерческий учет потребуется полноценная система контроля параметров в резервуаре.

3.2 Нужно ли измерять уровень границы раздела сред?

Перед тем, как приступить к выбору прибора для измерения уровня границы раздела сред, необходимо принять во внимание ряд факторов.

Для измерения границы раздела можно применять уровнемеры двух типов – волноводный уровнемер и датчик перепада давления. Ниже приводятся некоторые соображения, которые следует учесть при выборе одного из этих методов.

Измерение положения границы раздела сред, основанное на различии диэлектрических постоянных двух жидкостей

Примеры типичных прикладных задач: нефть поверх воды, нефть поверх кислоты, органические растворители с низкой диэлектрической постоянной поверх воды или кислоты. К растворителям с низкой диэлектрической постоянной относятся толуол, бензол, циклогексан, гексан, терпентин и ксилол.

• Жидкость с низкой диэлектрической постоянной должна находиться сверху;

• Диэлектрическая постоянная верхнего продукта должна быть известной (ее можно определить в условиях эксплуатации);

• Максимальная толщина слоя верхнего продукта зависит от диэлектрической проницаемости материала;

• Для определения границы раздела сред толщина верхнего слоя жидкости должна быть от 10 см до 20 см, в зависимости от модели уровнемера

и типа зонда. За подробной информацией обратитесь к разделу 5 “Рекомендации по монтажу волноводных уровнемеров”;

• Типовое применение: верхний продукт с низкой диэлектрической постоянной (менее 3), нижний продукт с высокой диэлектрической постоянной (более 20);

• Возможно одновременное измерение уровня и уровня границы раздела сред;

• На измерение уровня границы раздела может повлиять наличие эмульсионного слоя. Результаты измерений будут зависеть от смешиваемых жидкостей. В большинстве случаев положение поверхности раздела определяется по верхней границе эмульсионного слоя. Тонкие эмульсионные слои (толщиной до 50 мм) не оказывают влияние на измерение.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 3.1: Измерение границы раздела сред волноводным уровнемером

Измерение уровня границы раздела сред, основанное на различии плотности двух жидкостей

• Датчик перепада давления;

• Измерение уровня границы раздела сред, основанное на различии плотности двух жидкостей;

• Обе мембраны датчика давления должны быть под жидкостью;

• Расстояние между отводами (L) x Разность удельных весов = Перепад давления;

Рекомендуемая величина перепада давления не менее 500 мм водяного столба;

Возможно только измерение уровня раздела сред;

Наличие эмульсионного слоя или нечеткая граница раздела не влияет на измерения.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 3.2: Измерение границы раздела датчиком дифференциального давления

3.3 Каковы условия внутри резервуара?

Необходимо ли уровнемеру работать в условиях высокого давления и температуры?

Уровнемеры некоторых типов могут достаточно надежно работать при высоком давлении и высокой температуры, в то время как возможности других ограничены. На выбор типа уровнемера влияют допустимые пределы рабочих давления. В Таблице 3.1 приведены допустимые пределы рабочих парметров для некоторых наиболее распространенных типов уровнемеров.

У некоторых уровнемеров устойчивость к воздействию параметров процесса достигается за счет ухудшения измерительных характеристик. Многие уровнемеры могут иметь повышенную погрешность измерения при колебаниях температуры технологического процесса.

Каково состояние поверхности, если поверхность неспокойная – какова причина – налив, перемешивание? Образуется ли пар или другие испарения над поверхностью продукта?

Измерение уровня приборами, рализующими измерение “сверху” может быть затруднено из-за неспокойного состояния поверхности или наличия паров. Например, принцип работы некоторых уровнемеров основывается на отражении сигнала от поверхности продукта. Неспокойная поверхность продукта или пары могут ослаблять сигнал, либо привести к отсутствию отражения от поверхности. Состояние поверхности и парогазовой фазы в резервуаре в меньшей степени влияют на уровнемеры, реализующие принцип измерения «снизу».

Присутствуют ли в резервуаре границы раздела сред, градиент температуры продукта, пена, взвешенные частицы?

Наличие границы раздела сред, неравномерности температуры, пены, взвешенных частиц или препятствий внутри резервуара может повлиять на достоверность результатов, в зависимости от выбранного метода измерений. Например, взвешенные частицы могут вызывать засорение чувствительных элементов. Наличие пены требует особого внимания, так как одним заказчикам требуется измерение уровня поверх слоя пены, а другим – под ним.

Имеются ли какие-либо ограничения по монтажу в резервуаре?

Следует, по возможности, использовать существующие отводы и патрубки резервуара. В некоторых случаях монтаж затруднен из-за наличия стеклянной футеровки или сдвоенных стенок в резервуаре. У небольших емкостей меньше доступное пространство для монтажа. Доступ к резервуарам может быть ограничен из-за расположения под землей, либо из-за близкого расположения резервуаров друг к другу, из-за высоты помещения, из-за наличия термизоляции/подогрева. Плавающая крыша в резервуаре может ограничить монтаж уровнемеров, реализующих измерение «сверху».

Должен ли прибор монтироваться в выносной камере?

Камеры обеспечивают доступ к уровнемерам для калибровки или устранения неисправностей без остановки технологического процесса. Кроме того камера может быть установлена так, чтобы охватывать интересующий диапазон уровней, вместо измерения уровня во всем резервуаре. Диаметр отводных труб должен быть достаточным для обеспечения свободного сообщения камеры и резервуара и достоверного измерения уровня в резервуаре. По этой же причине расстояние между резервуаром и камерой должно быть минимальным.

Для того чтобы температура жидкости в камере была как можно ближе к температуре в резервуаре, может потребоваться ее теплоизоляция или обогрев.

* Полный вакуум = -1 бар; атмосферное давление = 0 бар

** Верхний предел температуры для уплотнений в вакуумных установках ограничен.

3.4 Каковы условия эксплуатации?

Какое влияние будут оказывать условия окружающей среды на технические характеристики прибора?

При монтаже внутри помещения обеспечивается достаточно стабильная окружающая среда с минимальными колебаниями температуры и постоянной влажностью. Уровнемеры, установленные на резервуарах вне помещений, в большей степени подвержены воздействию температуры и влажности. К другим внешним факторам, которые следует учитывать, относятся вибрация, электромагнитные помехи, и переходные процессы (импульсные помехи, вызванные грозовыми разрядами). Блоки защиты от переходных процессов и надежное заземление позволяют организовать достаточную защиту от переходных процессов.

3.5 Каковы характеристики продукта?

Уровнемеры одного типа не могут одинаково хорошо работать во всех возможных технологических процессах. Для применения в процессах с агрессивными технологическими жидкостями могут потребоваться уровнемеры, смачиваемые части которых изготовлены из специальных материалов. В таком случае, убедитесь, доступны ли подобные материалы у выбранного поставщика контрольно-измерительного оборудования, не исключено, что лучшим выбором будет бесконтактный уровнемер.

Особенности технологического процесса могут по-разному влиять на уровнемеры различного типа:

• Вязкий продукт может забивать чувствительные элементы некоторых уровнемеров;

• Пыль, пена и пары могут мешать распространению измерительного сигнала;

• Изменение плотности продукта вызывает дополнительную погрешность в работе датчиков давления, если не применяется компенсация;

• Изменение диэлектрической постоянной (электрохимическое свойство жидкости, обусловленное ее способностью передавать электрический заряд от одного тела другому) влияет на работу емкостных уровнемеров;

• Отложения продукта могут повлиять на чувствительность уровнемеров контактного типа;

• Сыпучие материалы имеют тенденцию к слеживанию и, как правило, не образуют плоскую поверхность. Выберите, в какой точке конуса/воронки будет измеряться уровень, и убедитесь, что значение уровня в этой точке обеспечивает достоверное представление об уровне среды в бункере.

3.6 Каковы требования к погрешности измерений в данном применении?

Как определяется погрешность уровнемера?

Уровнемер, который хорошо работает в небольшом резервуаре, может не обеспечить требуемую погрешность измерений в большем резервуаре. Например, относительная погрешность 0,1 % от диапазона измерений обеспечивает абсолютную погрешность уровня ±1,5 мм в резервуаре высотой 1,5 м. Этот же уровнемер обеспечивает погрешность ±15 мм в резервуаре высотой 15 м.

Для уровнемеров, реализующих измерение «сверху», например, радарных уровнемеров, указывается либо величина абсолютной погрешности (±3 мм), либо относительная погрешность, приведенная к измеряемому расстоянию. Следует принимать во внимание и дополнительную погрешность, возникающую из-за воздействия прочих факторов, в частности, из-за влияния температуры.

Необходима ли низкая погрешность измерения?

В некоторых случаях первостепенной задачей может быть способность обеспечить надежность измерений.

В других случаях воспроизводимость измерений, то есть способность обеспечить неизменный результат при неоднократном измерении стабильного уровня, может иметь гораздо большее значение, чем низкая погрешность.

В системах управления резервуарными парками (для коммерческого учета и управления запасами) применяется большое число уровнемеров с самой низкой погрешностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью измерений. Без обеспечения высоких измерительных характеристик влияние погрешности измерения на финансовую деятельность может быть очень велико, и было бы невозможно соблюдать требования международных и национальных стандартов к организации коммерческого учета.

3.7 Какие требования предъявляются к уровнемерам?

Какие виды сертификатов необходимы?

Сертификация для эксплуатации в опасных зонах должна отвечать местным требованиям. Для многих приборов может оказаться достаточным соблюдение

стандарта по взрывобезопасности, но для эксплуатации на некоторых предприятиях или установках может потребоваться сертификат искробезопасности или другие виды сертификатов. В других случаях может потребоваться обеспечить соответствие санитарным требованиям.

Имеется ряд действующих национальных стандартов на соответствие систем коммерческого учета и управления материальными запасами местным метрологическим требованиям. Основным международным стандартом для коммерческого учета является OIML R85 в обновленной редакции R85:2008.

Каковы требования к выходным сигналам?

Наиболее распространенным выходным сигналом является непрерывный аналоговый сигнал 4-20 мА, не смотря на широкое распространение промышленных цифровых протоколов передачи данных. Кроме того, приобретает популярность беспроводная передача сигналов. В некоторых случаях необходимы сигнализаторы для оповещения операторов и реализации системы противоаварийной защиты.

Про анемометры:  Датчик скорости ветра ультразвуковой ТМ-83-У —

Для обеспечения высокого разрешения и низкой погрешности в системах управления резервуарными парками необходимо использовать полевые шины для передачи информации от полевых приборов в распределенную систему управления.

Какие источники питания используются?

Большинство приборов работает с питанием 12-24 В постоянного тока, хотя встречаются приборы, работающие от сети переменного тока 110..220 В. Некоторые приборы способны работать на пониженном напряжении питания или в беспроводных сетях с питанием от батарей.

3.8 Каковая совокупная стоимость прибора?

Цена уровнемера имеет большое значение, но не меньшее внимание следует уделять затратам на монтаж и техническое обслуживание. В целом, недорогие уровнемеры (как правило, механические), требуют большего объема технического обслуживания. Более сложные электронные приборы зачастую стоят дороже, но расходы на их техническое обслуживание значительно ниже. Первоначальная стоимость некоторых типов уровнемеров уменьшается по мере увеличения их технических возможностей и распространения на рынке средств измерения.

Еще одним фактором стоимости является срок службы уровнемера. Недорогой прибор, который нуждается в частой замене, может потребовать намного больших затрат, чем более дорогой, но и более долговечный, надежный и более подходящий к условиям эксплуатации уровнемер. В общем случае, уровнемеры с более высокими рабочими характеристиками стоят дороже.

3.9 Каковы условия работы оператора?

И наконец, рассмотрим удобство эксплуатации устройства.

Будет ли выбранный метод измерений понятен людям, которым придется пользоваться им повседневно?

Будет ли обеспечиваться простота установки, калибровки и технического обслуживания уровнемера?

Несмотря на то, что производительность и инженерные вопросы имеют решающее значение, удобство повседневной эксплуатации уровнемера может оказаться ключевым фактором для окончательного выбора и долговременного применения прибора.

Применение датчиковПравить

Датчики используются во многих отраслях экономики — добыче и переработке полезных ископаемых, промышленном производстве, транспорте, коммуникациях, логистике, строительстве, сельском хозяйстве, здравоохранении, науке и других отраслях — являясь в настоящее время неотъемлемой частью технических устройств.

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массового использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические.

Датчики по своему назначению и технической реализации являются средствами измерения (как и измерительный прибор). Однако показания измерительных приборов воспринимаются человеком, как правило, напрямую (посредством дисплеев, табло, панелей, световых и звуковых сигналов и пр.), в то время как показания датчиков требуют преобразования в форму, в которой измерительная информация может быть воспринята человеком. Датчики могут входить в состав измерительных приборов, обеспечивая измерение физической величины, результаты которого затем преобразуются для восприятия оператором измерительного прибора.

В автоматизированных системах управления датчики могут выступать в роли инициирующих устройств, приводя в действие оборудование, арматуру и программное обеспечение. Показания датчиков в таких системах, как правило, записываются на запоминающее устройство для контроля, обработки, анализа и вывода на дисплей или печатающее устройство. Огромное значение датчики имеют в робототехнике, где они выступают в роли рецепторов, посредством которых роботы и другие автоматические устройства получают информацию из окружающего мира и своих внутренних органов.

В быту датчики используются в термостатах, выключателях, термометрах, барометрах, смартфонах, посудомоечных машинах, кухонных плитах, тостерах, утюгах и другой бытовой технике.

Классификация датчиков

  • Активные (генераторные)
  • Пассивные (параметрические)

Классификация по измеряемому параметру

  • Оптические датчики (фотодатчики)
  • Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла)
  • Пьезоэлектрический датчик
  • Тензо преобразователь
  • Ёмкостной датчик
  • Потенциометрический датчик
  • Индуктивный датчик

Классификация по характеру выходного сигнала

  • Дискретные
  • Аналоговые
  • Цифровые
  • Импульсные

Классификация по среде передачи сигналов

  • Проводные
  • Беспроводные

Классификация по количеству входных величин

  • Одномерные
  • Многомерные

Классификация по технологии изготовления

  • Элементные
  • Интегральные

Диэлектрическая постоянная и измерение уровня радарным уровнемером

«Что такое диэлектрическая постоянная?». Этот вопрос часто возникает в случаях, когда при выборе технологии измерения уровня рассматривается радарный или емкостной уровнемер. Работа бесконтактного радарного, волноводного и емкостного уровнемера в некоторой степени зависит от диэлектрической постоянной измеряемой среды. Так что же такое диэлектрическая постоянная, чем она определяется и какое влияние оказывает на уровнемеры?

5.1 Что такое диэлектрическая постоянная?

Наряду с термином “диэлектрическая постоянная” широко распространено и другое ее название – “относительная диэлектрическая проницаемость”, или количество энергии, которое может накапливаться в материале или передавать электромагнитное поле по сравнению с вакуумом. Диэлектрическая постоянная материала – это безразмерная величина, так как проницаемость материала рассматривается относительно проницаемости вакуума. Диэлектрическая постоянная проводника (например, меди) близка к бесконечности, потому что медь не может пропускать электромагнитное поле. Диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1,0006, так как он пропускает электромагнитное поле практически так же хорошо, как и вакуум.

Стандартные измерения диэлектрической постоянной выполняются относительно вакуума, диэлектрическая постоянная которого принята равной При измерении ДП прочих материалов она приводится в сравнении с величной ДП вакуума. Диэлектрические постоянные материалов, измеренная в одинаковых условиях, при 20°C:

• Воздух:  1,00058

• Аммиак: 15,5

• Этанол: 25

Электропроводность растворов зависит от химического состава, склонности к ионизации и концентрации. Несмотря на то, что простой формулы пересчета электропроводности в диэлектрическую проницаемость не существует, в общем случае можно уверенно полагать, что непроводящий материал будет иметь низкую диэлектрическую постоянную, а электропроводный – более высокие значения постоянной. Основным исключением из этого обобщения является вода.

Водные растворы, спирты, большинство неорганических кислот и щелочей имеют высокую диэлектрическую постоянную. Так как вода имеет полярную молекулу, ее диэлектрическая постоянная достаточно высока. Большинство углеводородов имеют неполярные молекулы, и поэтому для них характерны низкие значения диэлектрической постоянной.

5.2 Какие факторы влияют на диэлектрическую постоянную?

Диэлектрическая постоянная вещества зависит от многих переменных. На ее значение может повлиять методика измерения, а также физические свойства вещества. К другим факторам можно отнести температуру и частоту электромагнитного излучения. Степень воздействия каждого из факторов может изменяться в зависимости от тестируемого вещества.

На диэлектрическую постоянную влияет дипольный момент молекул. Ассиметричные молекулы соединений имеют большой диполный момент, особенно те, которые состоят из атомов со значительно отличающимися значениями относительной электроотрицательности, например, вода. Ее молеула имеет явно выраженный центр с отрицательным зарядом (атом кислорода) и представляет собой “минимагнит4. В результате значение диэлектрической постоянной подобных соединений более высокое. Вещества, имеющие более симметричные молекулы, например, большинство нефтепродуктов и других углеводородов, в меньшей степени склонны к поляризации, и поэтому имеют низкое значение диэлектрической постоянной.

Значительное влияние на диэлектрические свойства могут оказывать фазовые превращения. Например, лед имеет диэлектрическую проницаемость 3,2 при -12 °C, а свежевыпавший снег (в котором содержится гораздо больше воздуха) имеет диэлектрическую проницаемость около 1,3 при -20 °C. Разная структура одного и того же вещества приводит к разному значению диэлектрической постоянной.

В парообразном состоянии вещество будет иметь более низкую диэлектрическую постоянную, чем в жидком. Диэлектрическая постоянная паров многих соединений такая же, как у воздуха, и лишь незначительно изменяется с повышением давления. Исключениями являются пары аммиака, водяной пар и некоторые другие газы. Эти газы при высоком давлении могут оказывать значительное влияние на скорость распространения микроволнового излучения.

5.3 Стабильность диэлектрической постоянной

Диэлектрическая постоянная может изменяться с изменением температуры и частоты электромагнитного излучения. Повышение температуры может вызвать уменьшение диэлектрической постоянной. Аналогично, повышение частоты, используемой при измерениях, может привести к уменьшению диэлектрической проницаемости некоторых жидкостей. Следует учесть, что для измерения диэлектрической постоянной используются частоты от 100 Гц до 25 ГГц и выше. Имеется ограниченное количество данных, подтверждающих эти изменения. Большинство данных по диэлектрическим свойствам приводятся только для одной частоты. По имеющимся данным, диэлектрическая постоянная многих жидкостей лишь незначительно изменяется с изменением частоты измерений, как правило, в знаках после запятой. Несмотря на достаточную стабильность диэлектрических свойств многих соединений, существуют и исключения. Ниже показаны примеры количественных изменений для масла на основе силикона, ароматического соединения и алифатического соединения.

Температура тоже может вызвать изменение диэлектрических свойств. Температура оказывает влияние на диэлектрическую постоянную материала в связи с тем, что изменяется количество молекул в известном объеме вещества. По мере повышения температуры диэлектрическая постоянная уменьшается, из-за увеличения расстояния между молекулами способность материала к передаче энергии электрических зарядов уменьшается. Однако, отклонения значений диэлектрической постоянной, наблюдаемые в углеводородах, составляют от 0,0013 до 0,05% на градус Цельсия.

Давление может вызывать повышение диэлектрической постоянной газа благодаря уменьшению расстояния между молекулами. Для большинства газов зависимость диэлектрических свойств от давления минимальна.

Для паров с минимальной величиной диэлектрической постоянной, подобных воздуху, ее величина возрастает при повышении давления незначительно. Диэлектрическая постоянная насыщенного водяного пара, относительно низкая при атмосферном давлении, сильно возрастает с увеличением давления и температуры.

Таблица 5.2: Увеличение диэлектрической постоянной насыщенного водяного пара с ростом давления и температуры

5.4 Влияние ДП на измерение уровня

При измерении уровня при помощи радара измеряемая среда должна обеспечивать достаточный уровень отраженного сигнала. В общем случае, чем выше диэлектрическая постоянная, тем сильнее отраженный сигнал. Тем не менее, значительную роль играют другие факторы. Чем дальше находится мишень, тем сильнее должен быть импульс, чтобы к радару вернулся сигнал достаточного уровня. Перемешивание может вызвать “рассеяние” части отражений и тем самым понизить интенсивность сигнала, принимаемого радарным уровнемером. Если перемешивание осуществляется в соединении с низкой диэлектрической проницаемостью, то посторонние отражения в резервуаре могут стать сильнее основных отраженных импульсов, используемых для измерения уровня жидкости.

Отражающая способность соединения поддается оценке и является функцией диэлектрической постоянной.

Ее можно определить следующим образом:

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

где R = отражающая способность, £r = относительная диэлектрическая постоянная

На Рисунке 5.2 показана зависимость отражательной способности от диэлектрической постоянной материала. По мере возрастания диэлектрической постоянной амплитуда отраженного сигнала тоже возрастает. На показанном ниже примере A (линия синего цвета) видно, что при относительной диэлектрической проницаемости, равной 4, около 11% сигнала отражается, а потери мощности составляют около 10 дБ. В примере B (пурпурная линия), при более высоком значении диэлектрической постоянной порядка 30, отражается около

Про анемометры:  Датчики потока жидкости - подбор по характеристикам

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 5.2: Зависимость отражающей способности от диэлектрической постоянной

Интенсивность генерируемых сигналов главным образо- ми зависит от частоты и размеров антенны.

Коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Если размер антенны и эффективность сохраняются постоянными, то это уравнение упрощается до выражения (1/λ)2. Уровнемер, работающий на частоте 26 ГГц с длиной волны 1,2 см будет иметь коэффициент усиления в 6 раз выше, чем уровнемер с антенной аналогичных размеров, работающий на частоте 10 ГГц с длиной волны 3 см.

На Рисунке 5.3 приведено сравнение эффективности антенны на различных частотах в зависимости от расстояния при заданном значении диэлектрической проницаемости. На этих графиках частота радара изменяется при постоянных размерах антенны. Поверхность жидкости спокойная.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 5.3: Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния на различных частотах при постоянном значении диэлектрической постоянной и одинаковом размере антенны.

Общая ширина луча сигнала радара обратно пропорциональна частоте, на которой работает уровнемер. Таким образом, при неизменном диаметре антенны диаметр луча радарного уровнемера, работающего на более высокой частоте, будет меньше, чем у прибора с более низкой рабочей частотой. Например, на расстоянии 10 м при диаметре антенны 4″ диаметр луча радарного уровнемера будет равен 1,5 м при частоте 26 ГГц и 7,0 м при частоте 6 ГГц. Диаметр луча уровнемера, работающего на частоте 6 ГГц, в 4,6 раза больше, чем у уровнемера, работающего на частоте 26 ГГц при одинаковом размере антенны.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 5.4: Сравнение угла и ширины луча для уровнемеров 5401 (6 ГГц) и 5402 (26 ГГц) с антеннами одинакового размера и типа

При увеличении размера антенны ширина луча уменьшается, и эффективно возрастает коэффициент усиления антенны. Таким образом, при увеличении диаметра антенны амплитуда эхосигналов так же возрастает.

На Рисунке 5.5 приводится зависимость амплитуды эхосигналов от расстояния для радарного уровнемера, работающего на частоте 6 ГГц, при различных размерах антенны, заданном значении диэлектрической постоянной и спокойном состоянии поверхности.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 5.5: Зависимость амплитуды эхосигнала от расстояния для антенн различного размера при неизменных значениях диэлектрической постоянной и частоты

Для любого радарного уровнемера амплитуда эхосигнала будет уменьшаться в случае меньшей диэлектрической постоянной продукта и с увеличением расстояния. Таким образом, сложность выполнения качественных измерений для материалов с низким значением диэлектрической постоянной возрастает с увеличением расстояния. Для бесконтактного радара размер антенны должен быть выбран наибольший

возможный как для повышения амплитуды, так и для улучшения условий приема отраженного сигнала. Уровнемер с более высокой рабочей частотой позволяет добиться подобной оптимизации, сохранив наименьший возможный размер антенны. Как результат – обеспечивается значительная экономия расходов на монтаж и облегчается обслуживание радарного уровнемера. Кроме фундаментальных зависимостей, то, насколько эффективно уровнемер будет излучать и принимать сигнал, и насколько он хорошо будет работать с ослабленным эхосигналом, будет зависеть от способностей уровнемера по обработке сигнала.

Зависимость работы волноводного уровнемера от диэлектрической постоянной и расстояния аналогична. Отличие волноводных уровнемеров заключается в том, что вместо размера антенны выбирается тип зонда. Коаксиальный зонд обеспечивает самую высокую амплитуду сигнала по всей длине зонда, в то время как у одинарного зонда характерна тенденция к рассеянию энергии при увеличении расстояния до поверхности.

В конечном счете, амплитуда эхосигнала зависит от диэлектрической постоянной, расстояния, типа зонда и метода обработки сигналов.

Как классифицируются нивелиры по принципу работы 8 класс кратко

Рис. 5.6: Схематическое сравнение рассеяния сигнала для трех основных типов зондов волноводных уровнемеров. Слева направо: коаксиальный, двойной и одинарный зонды.

Измерения границы раздела сред при помощи радара

Для радарных уровнемеров обоих типов, при наличии двух несмешиваемых жидкостей, если верхняя имеет более низкую диэлектрическую постоянную, основная часть элктромагнитного сигнала будет проходить сквозь верхний материал. Лишь небольшая часть сигнала будет отражаться назад к уровнемеру. Так, для материала с низким значением ДП, например, для нефти с ДП = 2, менее 5% мощности будет отражаться обратно к уровнемеру. Остальная часть сигнала будет проходить к следующей жидкости. В случае измерения уровня поверхности раздела нефть/вода этот факт позволяет обнаружить границу раздела двух жидкостей. Так как скорость движения микроволнового сигнала через верхнюю жидкость изменяется, при определении толщины слоя верхнего продукта необходимо учесть изменение времени прохождения сигнала. Если диэлектрическая постоянная жидкости в верхнем слое известна, расчет выполняется по формуле:

Реальное расстояние = Электрическое расстояние / √ ДП среды

Для измерения уровня жидкости или уровня границы раздела сред емкостные уровнемеры используют принцип, основанный на измерении емкости конденсатора.

Конденсатор образуется при установке в резервуаре чувствиельного элемента уровнемера (электрода). Металлический стержень электрода выступает в качестве одной из пластин конденсатора, а стенка резервуара (или опорный электрод в неметаллических резервуарах) действует, как другая пластина. При повышении уровня воздух или газ, окружающий электрод, выстесняется жидкостью, имеющей другое значение диэлектрической постоянной. Изменение емкости конденсатора происходит из-за изменения диэлектрических свойств пространства между пластинами. Это изменение регистрируется электронными схемами для измерения емкости и преобразуется в пропорциональный выходной сигнал.

Зависимость для емкости конденсатора выражается уравнением:

C = 0,225 K (A / Д )

С = емкость в фарадах;

К = диэлектрическая постоянная материала;

A = площадь пластин в квадратных метрах;

D = расстояние между пластинами в метрах;

В реальных условиях изменение емкости происходит различным образом в зависимости от измеряемого материала и выбора электрода для измерения уровня. Однако основной принцип всегда остается в силе. Если среда с низкой диэлектрической проницаемостью вытесняется средой с высокой диэлектрической проницаемостью, то суммарная емкость системы возрастает. При увеличении размеров электрода (возрастании эффективной площади поверхности) емкость возрастает; при увеличении расстояния между измерительным и опорным электродами емкость уменьшается. Уровень жидкости пропорционален измеряемой емкости. Так как емкость зависит от стабильности диэлектрических свойств среды по высоте, изменение диэлектрической постоянной будет оказывать влияние на суммарную погрешность измерения уровня или уровня границы раздела сред.

Как изменение диэлектрической постоянной влияет на погрешность радарных уровнемеров?

В общих случаях применения радарных уровнемеров для измерения уровня диэлектрическая постоянная материала влияет только на амплитуду эхосигнала поверхности. Изменения диэлектрической постоянной не оказывают какого-либо влияния на погрешность измерений. При определении влияния диэлектрической постоянной ее постоянство не имеет решающего значения. Вместе с тем, условное отнесение величины

диэлектрической постоянной к диапазонам низких, средних или высоких значений является частью информации, необходимой для определения наиболее подходящей модели радарного уровнемера. К другим сведениям, влияющим на выбор, относятся высота резервуара, размер патрубка, размер антенны или тип зонда, а также состояние поверхности.

Для расчета толщины верхнего слоя при измерении границы раздела сред величина диэлектрической постоянной верхнего продукта должна быть известна с определенной точностью. Часто это достигается настройкой параметров в ходе запуска уровнемера в эксплуатацию. Волноводные уровнемеры можно достаточно эффективно использовать для измерений границы раздела сред, их просто настроить как для измерения границы раздела, так и для измерения уровня. Дополнительная информация об измерения уровня поверхности раздела волноводным уровнемером приведена в разделе «Изменения диэлектрической проницаемости в углеводородах – влияние на точность измерения положения границы раздела сред при помощи радара».

Диэлектрические свойства материала могут оказывать влияние на результаты измерений бесконтактных радарных, волноводных и емкостных уровнемеров. Значение диэлектрической постоянной определяется рядом переменных величин. В большинстве случаев изменения невелики и не оказывают заметного влияния на погрешность измерений радарных и волноводных уровнемеров, так как они измеряют время прохождения сигнала, отраженного от поверхности.

На работу емкостных уровнемеров колебания диэлектрической постоянной имеют большее значение, так как изменение свойств среды между пластинами пропорционально повлияет на значение уровня или уровня границы раздела. Величина диэлектрической постоянной является одним из параметров, определяющих выбор технологии измерений. К другим ключевым факторам следует отнести размеры и материал резервуара, тип зонда или антенны, а также состояние поверхности, в частности, наличие пены и турбулентности.

5.6 Источники информации

CRC Handbook of Chemistry and Physics – 75th edition

Instrument Engineer’s Handbook – 3rd edition. Process Measurement and Analysis, Bela Liptak, editor-in-chief, 1995

Hawley’s Condensed Chemicals Dictionary, 12th edition 1995

Определения понятия датчик

Широко встречаются следующие определения:

  • чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например — пневматический сигнал;
  • законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика сам по себе может называться сенсором.
  • датчиком называется часть измерительной или управляющей системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала, размещенную в зоне действия влияющих факторов объекта и воспринимающий естественно закодированную информацию от этого объекта.
  • датчик – конструктивно обособленная часть измерительной системы, содержащая один или несколько первичных преобразователей, а также один или несколько промежуточных преобразователей.

Эти определения соответствуют практике использования термина производителями датчиков. В первом случае датчик это небольшое, обычно монолитное устройство электронной техники, например, терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для создания более сложных электронных приборов. Во втором случае — это законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных интерфейсов к системе автоматического управления или регистрации. Например, фотодиоды в матрицах (фото) и др. В третьем и четвертом определении акцент делается на том, что датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы, воспринимающей информацию, а следовательно обладающий самодостаточностью для выполнения этой задачи и определенными метрологическими характеристиками.

  • Capacitive Position/Displacement Sensor Theory/Tutorial
  • Capacitive Position/Displacement Overview
  • C. A. Grimes, E. C. Dickey, and M. V. Pishko (2006), Encyclopedia of Sensors (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X
  • Sensors — Open access journal of MDPI
  • M. Pohanka, O. Pavlis, and P. Skladal. Rapid Characterization of Monoclonal Antibodies using the Piezoelectric Immunosensor. Sensors 2007, 7, 341—353
  • SensEdu; how sensors work
  • Clifford K. Ho, Alex Robinson, David R. Miller and Mary J. Davis. Overview of Sensors and Needs for Environmental Monitoring. Sensors 2005, 5, 4-37
  • Wireless hydrogen sensor
  • Sensor circuits
  • ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения . раздел 3 «Термины и определения».
Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий