有关传感器和检测仪表的思索

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有关传感器和检测仪表的思索
一 概述

　　在工业生产、科学研究中，几乎所有的参数获取都依靠传感器和检测仪表，一条生产流水线通常使用为数众多的温度、压力、流量、物位、重量、成分传感器和检测仪表。据介绍，2台300MW机组的传感器和检测仪表总数不少于2000，上海赛科一体化项目总共有80000个I/O点和1万多台FF总线装置，其中绝大多数是来自传感器和检测仪表的信号。
　　即使在日常生活中，人们也越来越离不开传感器和检测仪表，一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器和数台显示仪表，而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只，显示仪表可多达数十台。传感器中，仅汽车发动机用传感器就有很多种，如温度传感器、压力传感器、旋转传感器、流量传感器、位置传感器、浓度传感器、爆震传感器等。在汽车轮胎内嵌入的微型传感器将压力传感器和微型温度传感器集成在一起，同时测出压力和温度，便可通过芯片内运算消去压力测量中的温度影响。微型传感器的使用可以保持轮胎适当充气，避免充气过量或不足，从而可节约燃油10%。再如汽车上的雨量传感器隐藏在前风挡玻璃后面，它能根据落在玻璃上雨水量的大小来调整雨刷的动作，因而大大减少了开车人的烦恼。雨量传感器不是以几个有限的挡位来变换雨刷的动作速度，而是对雨刷的动作速度作无级调节。它有一个发光二级管负责发送远红外线，当玻璃表面干燥时，光线几乎是100%地被反射回来，这样光电二级管就能接收到很多的反射光线，结果是雨刷不动作；当玻璃上的雨水越多时，反射回来的光线就越少，其结果是雨刷动作越快。即使是价格低廉的简易型电动自行车，也至少得装有电压表和车速表。洗衣机、冰箱中也使用了很多传感器和检测仪表。
　　随着科学技术的发展，传感器和检测仪表在功能上不断扩展，在原理上不断创新，在结构上不断改进，新产品层出不穷。作者从事这一行业已经40多年了，每当接触到一些新产品或了解到行业发展的一些新动态时，往往浮想联翩，这里记下一些只言片语，愿与同行共同切磋。

二 功能上不断扩展

　　最早的传感器都是在就地检测并显示，像弹簧管压力表、水银温度计等，因为需要报警功能，就在显示部分增加了电接点，因为需要远传显示功能，弹簧管压力表中增加了电阻远传器件、电感远传器件，成为远传压力表。目前的传感器和显示仪表在很多情况下仍延续了这种趋势，如为了使测温仪表具有远传功能，可输出电信号的热电偶、热电阻使用非常普遍，但这两类仪表又不具备现场显示功能，所以几年前我们看到上海严胜涛仪器仪表公司的产品中就有双金属测量元件与热电阻测量元件安装在用一根测量管内的产品，它可以是带现场指示，又带热电阻Pt100信号输出一表两用形式的产品；也可以是带现场指示，又带热电阻Pt100信号就地转换成(4～20mA)的温度变送器输出以及报警控制接点输出一表三用的产品。
　　差压变送器是用来测量差压的，其中大多数是用来测量节流装置所产生的差压，所以带开方功能差压变送器的出现绝不偶然，而同时配温度、压力测量以便完成气体流量测量温度、压力补偿运算的多参数变送器的出现更是在情理之中。为了适应各种矩形堰、梯形堰和V形堰流量测量的需要，最新的变送器(如ABB公司的2600T)不仅具有开方功能，还具有3/2、5/2次方运算功能。为适应球罐、圆筒形卧式容器液体体积测量的需要，还增加了自由编程功能，可进行5阶多项式运算。图1是ABB公司2600T多参数变送器。
　　测量车辆载重量的汽车衡、轨道衡是从静态车辆开始的，其测量速度慢、需人工介入，难以满足大运输量的发展要求，所以动态汽车衡、动态轨道衡也就诞生了，它们可以在车辆运动状态下自动进行称重，汽车衡、轨道衡的发展就进入了一个新的里程碑。

三 原理上不断创新

　　最早的压力、差压监测仪表应该是水银浮子式和双波纹管式，随后才出现带输出电信号或气动信号的变送器，其结构形式为机械力平衡式，其精确度仅±1%左右。上世纪70年代，变送器从原理上有大的创新，微位移式变送器出现，如电容式、电感式、电阻式和弦振频率式等等，精确度提高到±0.25%左右。上世纪80年代，智能变送器出现，精确度又提高到±(0.1～0.075)%。
　　物位计也有类似的情况，早期的机械式直接接触测量的居多，如重锤式、阻旋式、浮子式、电阻式、电容式等，但在实际使用过程中，因液体介质腐蚀、粘滞或固体介质块度大、埋料等原因，直接接触测量的效果均不理想，而随后出现的超声波式、雷达式等非接触测量原理的物位仪表能较好的解决上述问题，其用量也大大增加。
　　超声波流量计是一种发展非常迅速的新型流量计，当采用多普勒法时，其精确度较低，常常不能满足现场测量要求，后来采用时差法，精确度提高到±0.5%，量程比也扩大了，在大管径的情况下可以替代电磁流量计，而费用却节省了很多。
　　通常使用的温度计是测量一个点的温度，而DTS(分布式光导纤维温度传感器)可以测量出沿光导纤维整段长度的温度信号值，所以它测量的是一个温度场，但局部温度异常时，可显示异常温度值及异常点位置。光导纤维长度可达10km，温度定位精确度可达1m。
　　50年代，我国使用的皮带秤都是机械式皮带秤，其物料流量累计的原理是机械积分圆盘，荷重测量是通过杠杆将力转换成在圆盘上转动的转轮的位置，皮带速度测量通过机械方式传动转换成积分圆盘的转速，转轮的转动带动计数器，由此可得出物料累计量。它的精确度低，维护量大，国内用量非常少。国内在50年代后期开始生产电阻应变式重量传感器并应用到皮带秤上，重量测量信号可以采用电信号方式传送，自此之后，机械式皮带秤逐步淘汰，电子皮带秤成为皮带输送机输送物料称重的主流选择。
　　说到秤时，还应该提一下失重式给料机秤，我们知道静态秤和动态秤相比，称量难度要低得多，而称量精确度又要高得多。常规的给料机秤是在给料机部分(如皮带输送机、螺旋输送机等)进行动态称重，而失重式给料机秤的称重原理是：在给料机上方的料仓上装设静态料仓秤，而在静态料仓秤的显示仪表部分对料仓重量信号进行减法运算，得到单位时间内物料减少的重量，并将它转换成瞬时流量信号。从而以软件方式实现了将静态秤的信号变换成具有动态秤特点的瞬时流量信号，进而可以实现物料量的自动控制。
　　皮带秤的准确检定一直是个难题，国外通常采用的方法有挂码检定、电信号模拟检定、滚链检定和实物检定。前3种方法都是模拟检定方法，精确度不够高，而实物检定又费时费事。国内的专家努力多年，终于摸索出一种新的模拟检定方法——循环链码检定法，它有点类似滚链检定，但它不像滚链是在原地转动，而是通过一套机械装置始终随皮带循环同步运动， 与实际物料输送情况相比，其模拟程度高，所以用它检定过的皮带秤能达到较高的使用精确度。这种新型检定装置在国内推出后应用已达数百套，特别是在大型电厂应用广泛。
　　锅炉汽包水位测量对锅炉来说至关重要，不仅就地需要装设玻璃水位计，传送到控制室的水位信号通常要求采用两种以上的测量方式(如差压式、电接点式)同时显示，这些仪表中通常认为就地玻璃水位计最可靠，差压式、电接点式都有可能出故障。现在国内很多锅炉上都采用工业电视直接将就地玻璃水位计的图像传送到控制室显示(就地锅炉压力表的图像也在同一幅画面上显示)，非常直观，水位监控的可靠性也大大提高了。
　　传感器和检测仪表信号传送一直是业界关心的问题，最早是各自为政，五花八门各种各样信号同时存在，稍后国际上统一为4～20mA一对一传送，以后出现了现场总线的传输方式，多台变送器的数字输出信号可用一根总线来传送，现在已经出现无线传送信号的变送器。工控领域已经应用了无线局域网(WLAN)和无线短程网，如美国霍尼威尔公司2003年推出的XYR5000无线变送器(见图2)，它采用了无线短程网中的ZigBee方式，由干电池供电，可连续工作3～5年，传送距离600m，精确度指标为±0.1%。而在一些测点极其分散的场合，例如油田、城市煤气管网、城市供水管网，大气及水环境环保监测等领域，采用基于GPRS/GSM手机短信息传输方式在国内发展迅猛异常。有线一对一传送——现场总线传送——无线传送，这是否是信号传送新的发展趋势呢？

四 结构上不断改进

　　流量测量用的均速管最早出现使用的是取材方便的圆形管，但其流体分离点不固定，造成流量系数变化；很快又出现菱形(或称钻石形)均速管，流体分离点不固定的问题解决了，但又存在易堵塞等问题；90年代起又出现子弹形、T形均速管，子弹形均速管负压取压孔改在侧面，T形均速管的正压取压为几乎跨越整个管径的槽形口，就较好地解决堵塞问题。
　　标准节流装置中的孔板是应用最古老又最普及的流量测量装置，但是它要求的直管段非常长(通常要求长于20～40D)、阻力损失大、孔板前后易积存赃物。分析其原因是它的结构属于流体在管道中心突然缩流。而另一种标准节流装置文丘里管的结构属于流体在管道中心逐渐缩流，所以其阻力损失减小，要求的直管段长度也减小了。再往后出现的环式孔板的结构与孔板相反，是在管道中心置一圆盘，而在接近管道四周的圆环部分为流体通道，所以它是属于流体在管道边缘突然缩流，其突出的优点是孔板前后不易积存赃物。按照节流装置结构演变的趋势，应该出现一种流体在管道边缘逐渐缩流的结构形式，果然，在十多年前出现了锥形流量计，它是在管道中心置一圆锥体，流体流过圆锥时，其流速断面被整形，因而锥形流量计本身又是一个流体整形器，它几乎可以克服现有孔板存在的所有问题，如要求的直管段非常短(前0～3D，后0～1D)、阻力损失减少、孔板前后不会积存赃物、节流件磨损小等，据专家分析，锥形流量计的出现是节流装置的一次重大革新，待更多的实验数据验证后，它很有可能也列入标准节流装置，从而在用户使用时可不经校验直接使用。
　　汽车衡的结构最早是机械杠杆式和机电结合式，1m多深的深基坑在当时是必不可少的，改成全电子式后，深基坑变成浅基坑，随着称重传感器结构的改进，联结方式越来越简化，本身尺寸越来越小，无基坑的汽车衡使用也越来越多了。
　　动态轨道衡原来采用的也是有基坑的，而且是在测量段断开钢轨方式的断轨式，所谓断轨就如同料仓秤在安装时要将与料仓直接相连的管道、给料机采用软联结方式断开一样，但当前最时髦的动态轨道衡是无基坑不断轨形式的，其结构形式的一种不是按传统方式在钢轨之下单独装设称重传感器，而是在两根枕木中间的钢轨腹板上装入一组塞入式(轴销式)称重传感器，通过测量钢轨所承受的剪力来测量火车车轮的轮重，其通过车速可达35km/h ，安装时间大大缩短，一般数小时即可，安装地点甚至可以选择在弯道上。图3为安装在现场的不断轨动态轨道衡。
　　电子皮带秤的结构原来多采用带平衡重的单杠杆式和双杠杆式，这是由于早期的称重传感器精确度较低，为了提高皮带秤整体测量精确度，带平衡重的结构可以抵消秤架上因皮带、托辊组、杠杆自重等加在称重传感器上的皮重。但近10多年来，称重传感器的精确度大幅提高，可以满足秤架不去皮重而直接称重的要求，而不去皮重直接称重的秤架具有结构简化、影响测量精确度的干扰因素少等优点，所以近年来各种直接承重式秤架成为电子皮带秤秤架发展的主流，由多台直接承重式秤架组合而成的组合型多托辊悬浮式秤架更为用户和生产厂家看好。图4为电子皮带秤。

　　当然，传感器和检测仪表的发展不仅仅局限于功能、原理、结构这3个方面，例如在材质方面也有很多创新和发展。总之，对传感器和检测仪表的发展过程进行一番思索和总结，或许能给我们今天的研究工作一些启示吧！