Датчики: секреты установки

Предположим, вам нужно измерить температуру объекта в процессе работы. Проще всего поставить термопару, но важно выбрать не только тип сенсора, но и его местоположение. Самый точный резистивный термодатчик показывает только локальную температуру в небольшой области вокруг себя, и в угол камеры его помещать бессмысленно. При неравномерном распределении температуры внутри камеры то, что покажет датчик, вряд ли будет истинной температурой объекта, который обычно находится в центре. Это одна из самых распространенных ошибок, которую совершают при установке домашних климатических систем.

Закрепить датчик близко к центральному кондиционеру может быть удобнее с точки зрения прокладки проводов, но определять и регулировать температуру во всем доме или в большом зале такая система не сможет. Она будет нормально поддерживать заданный режим только рядом с датчиком и кондиционером, что происходит с остальным помещением — системе неизвестно, там может держаться пустынная жара или полярный холод. Мы рассмотрели самый простой пример, но существует множество других факторов, которые влияют на качество измерений, и оптимальное решение далеко не очевидно. К ним относятся шум, радиус действия прибора и некоторые особенности, специфичные для ультразвуковых датчиков.

 

Шум при измерениях

Показания датчика могут существенно отличаться от истинных, если рядом проходит линия заземления, оказывает влияние механическая вибрация, электромагнитные помехи, а также вмешиваются другие источники шума. Радиошумы особенно сильны там, где активно используются персональные рации, пейджеры, беспроводные линии связи, а также если часто случается размыкание или соединение искрящих контактов.

Оптический датчик измеряет толщину листа за валами. Если датчик находится слишком далеко от валов, контроллер отслеживает изменение толщины и управляет давлением вала с запозданием. Если датчик расположен около линий питания, то наводка с частотой 50 Гц может привести к неправильным результатам измерений и, в результате, колебаниям толщины листа

Рис. Оптический датчик измеряет толщину листа за валами. Если датчик находится слишком далеко от валов, контроллер отслеживает изменение толщины и управляет давлением вала с запозданием. Если датчик расположен около линий питания, то наводка с частотой 50 Гц может привести к неправильным результатам измерений и, в результате, колебаниям толщины листа

Например, многие типы дальномеров могут дать ложные показания, если рядом переключится реле. Проще всего решить проблему, установив датчик и переключатель достаточно далеко друг от друга. Если это невозможно, тогда придется разрабатывать хорошее заземление или заменять реле твердотельными приборами, чтобы исключить образование дугового разряда. Типичный источник шума при измерениях потоков — турбулентность, которую вызывают сгибы, соединения труб или клапаны по ходу тракта. Особенно чувствительны к завихрениям потока магнитные датчики. Самое простое решение проблемы — размещать датчики только после достаточно длинного прямого участка или воспользоваться «вихревыми» датчиками, во время калибровки которых учитывается турбулентность. Недопустимо игнорировать такой значительный источник электромагнитных помех, как наводки от линии питания. При частоте колебаний тока 50 Гц они достаточно сильны, чтобы повлиять на результат измерений. Для примера рассмотрим процесс прокатки стального листа двумя вращающимися валами, как показано на рисунке «измерение толщины”. Толщина измеряется на некотором расстоянии после валов, в цикле обратной связи генерируются указания увеличить или уменьшить сжатие валов, чтобы компенсировать нарушение толщины. Если не приняты меры против шума с частотой 50 Гц, то он пройдет через цикл обратной связи и вызовет колебания сжатия валов с той же частотой. Предположим, что скорость движения стали после валов — 20 сантиметров в секунду, тогда колебания с частотой 50 Гц приведут к появлению на листе волн через каждые 4 миллиметра. Допустимы эти колебания или нет, определится величиной прошедшего шума, инерцией валов и настройкой контроллера. В любом случае, линии питания лучше провести как можно дальше от датчика толщины.

 

Расположение и качество

Рассмотренный пример с измерением толщины также иллюстрирует влияние расположения датчика. В идеале нужно проводить измерения сразу после валов, чтобы уменьшить время между возникшей ошибкой и измерением толщины. Чем дальше расположен датчик от валов, тем больше будет длина слишком толстого или слишком тонкого листа.

Импульсы ультразвукового датчика уровня, расположенного вверху емкости, распространяются быстрее в верхних теплых слоях воздуха по сравнению с воздухом у поверхности жидкости. Это сокращает время распространения импульса до жидкости и обратно, следовательно датчик выдает данные о более высоком уровне жидкости, чем это есть на самом деле. Помещая датчик максимально близко к поверхности жидкости, можно свести к минимуму влияние температурного градиента

Рис. Импульсы ультразвукового датчика уровня, расположенного вверху емкости, распространяются быстрее в верхних теплых слоях воздуха по сравнению с воздухом у поверхности жидкости. Это сокращает время распространения импульса до жидкости и обратно, следовательно датчик выдает данные о более высоком уровне жидкости, чем это есть на самом деле. Помещая датчик максимально близко к поверхности жидкости, можно свести к минимуму влияние температурного градиента

С увеличением расстояния ошибка будет быстро нарастать. Результат управляющего сигнала (например, уменьшить толщину листа) будет проанализирован поздно. За это время валы сожмутся слишком сильно, и лист станет слишком тонким. В результате давление валов будет колебаться от слишком высокого до слишком низкого, и огромное количество материала будет испорчено поперечными складками.

 

Ультразвуковые датчики

Выбор анализируемой области не менее важен для ультразвуковых сенсоров. Они работают, анализируя импульс ультразвука, отраженный от интересующей точки. По времени, которое прошло между запуском импульса и его возвращением, вычисляется расстояние до объекта. Для расчетов необходимо знать скорость движения импульса, также он должен уверенно детектироваться приемником.

Нижний датчик расстояния был размещен настолько близко к искомому объекту, что ультразвуковой импульс успевает дважды отразиться от него. Следовательно, детектор зарегистрирует два объекта: настоящий и мнимый, расположенный на двойном расстоянии

Рис. Нижний датчик расстояния был размещен настолько близко к искомому объекту, что ультразвуковой импульс успевает дважды отразиться от него. Следовательно, детектор зарегистрирует два объекта: настоящий и мнимый, расположенный на двойном расстоянии

Последнее замечание становится особенно важным при детектировании небольших объектов. В этом случае отражается малая часть исходного сигнала, и чувствительности сенсора может не хватить, чтобы ее зарегистрировать. Отсюда следует общее правило размещения датчика: чем меньше объект, тем ближе должен быть датчик. К счастью, если расстояние уменьшается в два раза, то мощность сигнала возрастает в четыре раза. Поэтому часто даже небольшого приближения сенсора может хватить, чтобы значительно повысить точность его работы. С измерением скорости распространения сигнала тоже есть свои сложности. На нее может повлиять неравномерность температуры воздуха, через который проходит сигнал. Можно измерить скорость звука в близлежащих слоях и таким образом откалибровать сенсор. Однако в этом методе не учитывается, что дальние массы воздуха могут иметь другую температуру, и скорость распространения звука в них будет отличаться. Неравномерность температуры воздуха, через который распространяется ультразвуковой импульс, приводит к ошибкам в определении удаленности и местоположения объекта. Такие же ошибки возникают и при измерении расстояния до нагретой жидкости, если сенсор расположен слишком далеко от поверхности (см. схему температурного градиента вблизи поверхности). Ультразвуковые сенсоры нельзя размещать слишком близко к анализируемому объекту. Для примера рассмотрим ситуацию, которая приведена на графике «Вторичное эхо”. В этом случае расстояние между сенсором и краем объекта на нижнем рисунке ровно в два раза меньше, чем на верхнем. Если все элементы расположены правильно, то нижний датчик покажет в два раза меньшее расстояние, чем верхний. Однако предположим, что расстояние между объектами на нижнем рисунке меньше длины ультразвукового импульса. Может случиться так, что импульс отразится от объекта, вернется к датчику и потом проделает весь путь еще раз. В этом случае датчик зарегистрирует сигнал, который двигался в два раза большее время и посчитает, что объект находится в два раза дальше, чем есть на самом деле.


Пять основных секретов размещения сенсоров

  1. Имеет ли смысл проводить измерения в этой точке? На правильность измерений могут повлиять неполное смешивание компонентов в резервуаре, тени при оптическом сканировании и различные препятствия между датчиком и объектом.
  2. Нет ли в этой точке избыточной информации? На показания сенсора могут оказать влияние такие нежелательные источники, как электромагнитные помехи. Собранные данные станут практически бесполезными.
  3. Не мешает ли что-нибудь сенсору проводить измерения? В экстремальных условиях, например, при большой турбулентности, механических вибрациях или высокой температуре, многие сенсоры могут совсем перестать работать.
  4. Информация, собираемая в данной точке — это именно то, что нужно? При неправильном расположении датчик может выдавать шум, вместо полезного сигнала.
  5. Хватит ли времени на обработку данных? Очень важна своевременность получения информации. Полученные слишком поздно данные бесполезны

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *