2. Практическая часть

   1. Датчики

1. Датчики температуры

Полупроводниковые датчики с цифровым выходом типа MSP9808 

Рисунок 19- Датчик температуры типа MSP9808

Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики можно встретить в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служебных мониторов микропроцессорных систем, а также в других измерительных устройствах, например датчиках влажности.

Возможен и противоположный вариант - добавления различных элементов к датчикам.

Примером подобных изделий могут служить датчики температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых вариантов, эти устройства содержат встроенный АЦП и формирователь сигналов какого-либо стандартного интерфейса. Наибольшую популярность получили интерфейсы SPI.

Использование термометров с цифровым выходом значительно упрощает схемотехнику измерительного устройства, при незначительном увеличении стоимости относительно аналоговых вариантов. Также использование стандартных интерфейсов позволяет интегрировать датчики в различные системы управления или подключать несколько датчиков на одну шину. Программирование протокола обмена с большинством датчиков не представляется сложной задачей, что обусловило огромную популярность применения этих элементов в любительской практике и мелкосерийном производстве. [10]

Таблица 7 - Технические характеристики датчиков температуры

Модель	Диапазон	Точность	Разрешение	Интерфейс	Производитель
LM 75	от -55°С до+125°С	±3°С	9 бит	I2C	National Semiconductor
LM76	от -55°С до+150°С	±1.5°С	13 бит	I2C	National Semiconductor
DS18B20	от -55°С до+125°С	±2°С	9-12 бит	1-Wire	MAXIM
DS1621	от -55°С до+125°С	±1°С	9 бит	I2C	MAXIM

DS1722	от -55°С до+120°С	±2°С	12 бит	SPI	Dallas Semiconduction
MCP9800	от -55°С до+125°С	±3°С	12 бит	I2C	Microchip
MSP9808	от -40°С до+125°С	±1°С	12 бит	I2C	Microchip
ADT7320	от -40°С до+150°С	±0.25°С	16 бит	SPI	Analog Devices

2. Датчики давления

Двухпроводный радарный датчик уровня Rosemount 5400

Серия Rosemount 5400 представляет собой двухпроводные радарные датчики уровня, обладающие высокими характеристиками для широкого диапазона применений. Серия 5400 состоит из двух моделей: 5401 (рабочая частота ~6 ГГц) и 5402 (рабочая частота ~ 26 ГГц).

Рисунок 20- Радарный датчик уровня Rosemount 5400

Каждая из них может быть оснащена целым набором антенн для достижения максимальной гибкости применения.

• Великолепная надежность измерений благодаря технологии двойных портов.

• Благодаря специальной антенне волновод датчика менее чувствителен к отложениям конденсата на ней.

• Благодаря круговой поляризации сигнала уменьшается количество эхо-сигналов от препятствий или стенок резервуара.

• Простота конфигурирования и поддержка “Measure-and-Learn” (“Измерить-и-Обучиться”) в программном обеспечении Rosemount Radar Master.

Датчик серии 5400 используется для измерений уровня жидкостей, имеющих различные значения температуры и давления, а также в парогазовых смесях. Благодаря способности тщательного отслеживания поверхности датчик может обнаружить и оценить все отраженные сигналы внутри резервуара.

Датчики серии Rosemount 5400 легко конфигурируются для широкого диапазона применений и условий технологического процесса. Кроме того, они включают в себя усовершенствованные функции обработки сигнала и интеллектуальные способности слежения за отраженными сигналами.

Рисунок 21 - Схема размещения датчика

Уровень жидкости измеряется короткими импульсами радара, которые передаются от антенны, находящейся в верхней части резервуара, по направлению к этой жидкости. Когда импульс радара достигает среды с иной диэлектрической постоянной, часть энергии отражается обратно к датчику. Разница во времени между переданным и отраженным импульсом пропорциональна расстоянию, от которого рассчитывается уровень.

Наличие двух частот дает пользователю возможность выбрать модель, наиболее подходящую для его применения. Используйте модель 5401 в применениях, где имеется турбулентность, тяжелый пар, пена или там, где существует риск отложения осадка на антенне. Используйте модель 5402 с ее более узким лучом радара в установках, имеющих высокие или узкие патрубки; там, где патрубок расположен близко к стенке резервуара; там, где необходимо уклониться от мешающих предметов в резервуаре.

Примеры применения радарного датчика уровня серии 5400

1. Технологические резервуары

Высокая способность слежения за поверхностью позволяет датчику работать в сложных условиях технологического процесса. Поверхность в технологических резервуарах может быть возмущенной из-за мешалок или насадок. Также в резервуарах могут присутствовать парообразные или пенистые вещества.

2. Успокоительные трубы

Установка успокоительных труб рекомендуется при чрезвычайно возмущенных (турбулентных) условиях, особенно для веществ с низкой диэлектрической постоянной. Использование успокоительной трубы уменьшает вспенивание и турбулентность, а также увеличивает отражение от поверхности. Установка успокоительной трубы целесообразна для резервуаров со сжиженным газом, где иногда наблюдается закипание поверхности.

3. Технология двойного порта

Технология двойного порта означает, что имеются два порта для передачи и приема сигналов. Это уменьшает шум и дает меньшую потерю сигнала.

Даже при слабом отраженном сигнале датчик будет в состоянии непременно обнаружить его. Датчик с технологией двойного порта может отраженный сигнал с энергией меньше на 50%, чем стандартный 2-проводный датчик, и при этом обладать такой же или лучшей способностью слежения за поверхностью. Стандартные 2-проводные радарные датчики уровня используют только один порт на микроволновом генерационном модуле для пересылки и приема сигналов. Это вносит значительные потери при генерации микроволнового сигнала.

4. Антенна, устойчивая к конденсату

Уплотнение резервуара является частью волновода, который защищает датчик от влияния атмосферы процесса. Серия Rosemount 5400 имеет большую защитную поверхность в направлении резервуара, что делает датчик менее чувствительным к загрязнению и образованию конденсата.

5. Дисплей

Данные можно считывать с опционного встроенного дисплея или дистанционно, используя 5-разрядный жидкокристаллический дисплей полевого индикатора сигналов Rosemount 751 (см. документ № 00813-0100-4378, Лист Технических Данных для Модели 751). [10]

 

Рисунок 22 - Полная схема работы датчика в системе

Таблица 8 - Технические характеристики датчика давления

Общие параметры
Описание изделия	Радарный датчик уровня серии Rosemount 5400
Принцип измерения	Импульсный радар со свободно распространяющимся сигналом 5401: ~6 ГГц 5402: ~26 ГГц
Излучаемая мощность	<1 мВт

Таблица 9 - Рабочие характеристики измерений
Диапазон измерений	30 м от фланца
Инструментальная погрешность при опорных условиях	5401: ± 10 мм 5402: ± 3 мм
Мертвая зона	150 мм от нижнего конца антенны
Расстояние зоны индукции	0.4 м от нижнего конца антенны
Погрешность зоны индукции	5401: ± 30 мм. 5402: ± 15 мм.
Разрешающая способность	1 мм
Повторяемость	1 мм на расстоянии 5 м
Температурный сдвиг	0.05%/10 К в диапазоне температур от -40ºС до 80º
Интервал обновления	1 в секунду
Максимальный расход уровня	40 мм/сек. по умолчанию, можно настроить до 200 мм/сек.

Таблица 10 - Дисплей/Конфигурация
Встроенный дисплей	5-разрядный встроенный дисплей. Могут быть представлены переменные процесса. Если выбрано более одной переменной, используется карусельная прокрутка данных. Дисплей также отображает информацию по диагностике и ошибкам.
Переменные выходного сигнала	Уровень, расстояние, объем, расход, сила сигнала, внутренняя температура, выходной ток и % от диапазона.
Единицы измерения выходного сигнала	Уровень и расстояние: футы, дюймы, м, см или мм. Объем: футы3 , дюймы3 , галлоны США, англ. галлоны, баррели, ярды3 , метры3 ,литры.
Инструменты конфигурирования	HART: Rosemount Radar Master, портативный коммуникатор 275/375, программа AMS.

Таблица 11 - Электрические параметры
Источник питания	16-42,4 В пост. тока (16-30 В пост. тока в искробезопасных применениях, 20-42,4 В пост. тока во взрывобезопасных/пожаробезопасных применениях).
Внутренняя потребляемая мощность	< 50 мВт при нормальном режиме работы
Выход	HART ® 4-20 мА токовый контур
Уровень аварийного сигнала	Стандартный: низкий=3,75 мА, высокий=21,75 мА
(конфигурируем)	NAMUR NE43: высокий=22,5 мА
Уровни насыщения	Стандартный: низкий=3,9 мА, высокий=20,8 мА
	NAMUR NE43: высокий=20,5 мА
Искробезопасные параметры	См. раздел “Сертификация изделий” на стр. 14
Кабельный ввод	½ NPT или, по выбору, адаптер М20х1.5
Выходные кабели	Витые экранированные пары сечением 24-12 AWG

Таблице 12 - Механические параметры
Материал, контактирующий с атмосферой резервуара	Антенна, соединение с резервуаром (фланец и уплотнение): 316/316L нержавеющая сталь (EN 1/4404), тефлон (PTFE) и материал уплотнительного кольца (см. “Информацию для оформления заказа” на стр. 16 и 18.
Корпус/обшивка	Алюминий с полиуретановым покрытием
Вес, включая фланец и антенну	2,0 кг (4,4 фунта)