傳感器和檢測(cè)儀表的發(fā)展方向

一 概述

在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中，幾乎所有的參數(shù)獲取都依靠傳感器和檢測(cè)儀表，一條生產(chǎn)流水線通常使用為數(shù)眾多的溫度、壓力、流量、物位、重量、成分傳感器和檢測(cè)儀表。據(jù)介紹，2臺(tái)300MW機(jī)組的傳感器和檢測(cè)儀表總數(shù)不少于2000，上海賽科一站式項(xiàng)目總共有80000個(gè)I/O點(diǎn)和1萬(wàn)多臺(tái)FF總線裝置，其中絕大多數(shù)是來(lái)自傳感器和檢測(cè)儀表的信號(hào)。

即使在日常生活中，人們也越來(lái)越離不開傳感器和檢測(cè)儀表，一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器和數(shù)臺(tái)顯示儀表，而豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只，顯示儀表可多達(dá)數(shù)十臺(tái)。傳感器中，僅汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器就有很多種，如溫度傳感器、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器、流量傳感器、位置傳感器、濃度傳感器、爆震傳感器等。在汽車輪胎內(nèi)嵌入的微型傳感器將壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起，同時(shí)測(cè)出壓力和溫度，便可通過(guò)芯片內(nèi)運(yùn)算消去壓力測(cè)量中的溫度影響。微型傳感器的使用可以保持輪胎適當(dāng)充氣，避免充氣過(guò)量或不足，從而可節(jié)約燃油10%。再如汽車上的雨量傳感器隱藏在前風(fēng)擋玻璃后面，它能根據(jù)落在玻璃上雨水量的大小來(lái)調(diào)整雨刷的動(dòng)作，因而大大減少了開車人的煩惱。雨量傳感器不是以幾個(gè)有限的擋位來(lái)變換雨刷的動(dòng)作速度，而是對(duì)雨刷的動(dòng)作速度作無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。它有一個(gè)發(fā)光二級(jí)管負(fù)責(zé)發(fā)送遠(yuǎn)紅外線，當(dāng)玻璃表面干燥時(shí)，光線幾乎是100%地被反射回來(lái)，這樣光電二級(jí)管就能接收到很多的反射光線，結(jié)果是雨刷不動(dòng)作；當(dāng)玻璃上的雨水越多時(shí)，反射回來(lái)的光線就越少，其結(jié)果是雨刷動(dòng)作越快。即使是價(jià)格低廉的簡(jiǎn)易型電動(dòng)自行車，也至少得裝有電壓表和車速表。洗衣機(jī)、冰箱中也使用了很多傳感器和檢測(cè)儀表。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器和檢測(cè)儀表在功能上不斷擴(kuò)展，在原理上不斷創(chuàng)新，在結(jié)構(gòu)上不斷改進(jìn)，新產(chǎn)品層出不窮。恒宇儀器從事拉力機(jī)，拉力試驗(yàn)機(jī)，材料試驗(yàn)機(jī)研究已有10多年，每當(dāng)接觸到一些新產(chǎn)品或了解到行業(yè)發(fā)展的一些新動(dòng)態(tài)時(shí)，往往浮想聯(lián)翩，這里記下一些只言片語(yǔ)，愿與同行共同切磋。

二 功能上不斷擴(kuò)展

最早的傳感器都是在就地檢測(cè)并顯示，像彈簧管壓力表、水銀溫度計(jì)等，因?yàn)樾枰獔?bào)警功能，就在顯示部分增加了電接點(diǎn)，因?yàn)樾枰h(yuǎn)傳顯示功能，彈簧管壓力表中增加了電阻遠(yuǎn)傳器件、電感遠(yuǎn)傳器件，成為遠(yuǎn)傳壓力表。目前的傳感器和顯示儀表在很多情況下仍延續(xù)了這種趨勢(shì)，如為了使測(cè)溫儀表具有遠(yuǎn)傳功能，可輸出電信號(hào)的熱電偶、熱電阻使用非常普遍，但這兩類儀表又不具備現(xiàn)場(chǎng)顯示功能，所以幾年前我們看到上海嚴(yán)勝濤儀器儀表公司的產(chǎn)品中就有雙金屬測(cè)量元件與熱電阻測(cè)量元件安裝在用一根測(cè)量管內(nèi)的產(chǎn)品，它可以是帶現(xiàn)場(chǎng)指示，又帶熱電阻Pt100信號(hào)輸出一表兩用形式的產(chǎn)品；也可以是帶現(xiàn)場(chǎng)指示，又帶熱電阻Pt100信號(hào)就地轉(zhuǎn)換成4～20mA的溫度變送器輸出以及報(bào)警控制接點(diǎn)輸出一表三用的產(chǎn)品。

差壓變送器是用來(lái)測(cè)量差壓的，其中大多數(shù)是用來(lái)測(cè)量節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓，所以帶開方功能差壓變送器的出現(xiàn)不是偶然，而同時(shí)配溫度、壓力測(cè)量以便完成氣體流量測(cè)量溫度、壓力補(bǔ)償運(yùn)算的多參數(shù)變送器的出現(xiàn)更是在情理之中。為了適應(yīng)各種矩形堰、梯形堰和V形堰流量測(cè)量的需要，新的變送器如ABB公司的2600T不僅具有開方功能，還具有3/2、5/2次方運(yùn)算功能。為適應(yīng)球罐、圓筒形臥式容器液體體積測(cè)量的需要，還增加了自由編程功能，可進(jìn)行5階多項(xiàng)式運(yùn)算。圖1是ABB公司2600T多參數(shù)變送器。

測(cè)量車輛載重量的汽車衡、軌道衡是從靜態(tài)車輛開始的，其測(cè)量速度慢、需人工介入，難以滿足大運(yùn)輸量的發(fā)展要求，所以動(dòng)態(tài)汽車衡、動(dòng)態(tài)軌道衡也就誕生了，它們可以在車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行稱重，汽車衡、軌道衡的發(fā)展就進(jìn)入了一個(gè)新的里程碑。

三 原理上不斷創(chuàng)新

較早的壓力、差壓監(jiān)測(cè)儀表應(yīng)該是水銀浮子式和雙波紋管式，隨后才出現(xiàn)帶輸出電信號(hào)或氣動(dòng)信號(hào)的變送器，其結(jié)構(gòu)形式為機(jī)械力平衡式，其準(zhǔn)確度僅±1%左右。上世紀(jì)70年代，變送器從原理上有大的創(chuàng)新，微位移式變送器出現(xiàn)，如電容式、電感式、電阻式和弦振頻率式等等，準(zhǔn)確度提高到±0.25%左右。上世紀(jì)80年代，智能變送器出現(xiàn)，準(zhǔn)確度又提高到±0.1～0.075%。

物位計(jì)也有類似的情況，早期的機(jī)械式直接接觸測(cè)量的居多，如重錘式、阻旋式、浮子式、電阻式、電容式等，但在實(shí)際使用過(guò)程中，因液體介質(zhì)腐蝕、粘滯或固體介質(zhì)塊度大、埋料等原因，直接接觸測(cè)量的效果均不理想，而隨后出現(xiàn)的超聲波式、雷達(dá)式等非接觸測(cè)量原理的物位儀表能較好的解決上述問(wèn)題，其用量也大大增加。

超聲波流量計(jì)是一種發(fā)展非常迅速的新型流量計(jì)，當(dāng)采用多普勒法時(shí)，其準(zhǔn)確度較低，常常不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求，后來(lái)采用時(shí)差法，準(zhǔn)確度提高到±0.5%，量程比也擴(kuò)大了，在大管徑的情況下可以替代電磁流量計(jì)，而費(fèi)用卻節(jié)省了很多。

通常使用的溫度計(jì)是測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的溫度，而DTS分布式光導(dǎo)纖維溫度傳感器可以測(cè)量出沿光導(dǎo)纖維整段長(zhǎng)度的溫度信號(hào)值，所以它測(cè)量的是一個(gè)溫度場(chǎng)，但局部溫度異常時(shí)，可顯示異常溫度值及異常點(diǎn)位置。光導(dǎo)纖維長(zhǎng)度可達(dá)10km，溫度定位準(zhǔn)確度可達(dá)1m。

50年代，我國(guó)使用的皮帶秤都是機(jī)械式皮帶秤，其物料流量累計(jì)的原理是機(jī)械積分圓盤，荷重測(cè)量是通過(guò)杠桿將力轉(zhuǎn)換成在圓盤上轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪的位置，皮帶速度測(cè)量通過(guò)機(jī)械方式傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成積分圓盤的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)計(jì)數(shù)器，由此可得出物料累計(jì)量。它的準(zhǔn)確度低，維護(hù)量大，國(guó)內(nèi)用量非常少。國(guó)內(nèi)在50年代后期開始生產(chǎn)電阻應(yīng)變式重量傳感器并應(yīng)用到皮帶秤上，重量測(cè)量信號(hào)可以采用電信號(hào)方式傳送，自此之后，機(jī)械式皮帶秤逐步淘汰，電子皮帶秤成為皮帶輸送機(jī)輸送物料稱重的主流選擇。

說(shuō)到秤時(shí)，還應(yīng)該提一下失重式給料機(jī)秤，我們知道靜態(tài)秤和動(dòng)態(tài)秤相比，稱量難度要低得多，而稱量準(zhǔn)確度又要高得多。常規(guī)的給料機(jī)秤是在給料機(jī)部分如皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重，而失重式給料機(jī)秤的稱重原理是：在給料機(jī)上方的料倉(cāng)上裝設(shè)靜態(tài)料倉(cāng)秤，而在靜態(tài)料倉(cāng)秤的顯示儀表部分對(duì)料倉(cāng)重量信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算，得到單位時(shí)間內(nèi)物料減少的重量，并將它轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)流量信號(hào)。從而以軟件方式實(shí)現(xiàn)了將靜態(tài)秤的信號(hào)變換成具有動(dòng)態(tài)秤特點(diǎn)的瞬時(shí)流量信號(hào)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)物料量的自動(dòng)控制。

皮帶秤的準(zhǔn)確檢定一直是個(gè)難題，國(guó)外通常采用的方法有掛碼檢定、電信號(hào)模擬檢定、滾鏈檢定和實(shí)物檢定。前3種方法都是模擬檢定方法，準(zhǔn)確度不夠高，而實(shí)物檢定又費(fèi)時(shí)費(fèi)事。國(guó)內(nèi)的專家努力多年，終于摸索出一種新的模擬檢定方法——循環(huán)鏈碼檢定法，它有點(diǎn)類似滾鏈檢定，但它不像滾鏈?zhǔn)窃谠剞D(zhuǎn)動(dòng)，而是通過(guò)一套機(jī)械裝置始終隨皮帶循環(huán)同步運(yùn)動(dòng)， 與實(shí)際物料輸送情況相比，其模擬程度高，所以用它檢定過(guò)的皮帶秤能達(dá)到較高的使用準(zhǔn)確度。這種新型檢定裝置在國(guó)內(nèi)推出后應(yīng)用已達(dá)數(shù)百套，特別是在大型電廠應(yīng)用廣泛。

鍋爐汽包水位測(cè)量對(duì)鍋爐來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，不僅就地需要裝設(shè)玻璃水位計(jì)，傳送到控制室的水位信號(hào)通常要求采用兩種以上的測(cè)量方式如差壓式、電接點(diǎn)式同時(shí)顯示，這些儀表中通常認(rèn)為就地玻璃水位計(jì)可靠，差壓式、電接點(diǎn)式都有可能出故障?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多鍋爐上都采用工業(yè)電視直接將就地玻璃水位計(jì)的圖像傳送到控制室顯示就地鍋爐壓力表的圖像也在同一幅畫面上顯示，非常直觀，水位監(jiān)控的可靠性也大大提高了。

傳感器和檢測(cè)儀表信號(hào)傳送一直是業(yè)界關(guān)心的問(wèn)題，較早是各自為政，五花八門各種各樣信號(hào)同時(shí)存在，稍后國(guó)際上統(tǒng)一為4～20mA一對(duì)一傳送，以后出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸方式，多臺(tái)變送器的數(shù)字輸出信號(hào)可用一根總線來(lái)傳送，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)無(wú)線傳送信號(hào)的變送器。工控領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了無(wú)線局域網(wǎng)WLAN和無(wú)線短程網(wǎng)，如美國(guó)霍尼威爾公司2003年推出的XYR5000無(wú)線變送器見(jiàn)圖2，它采用了無(wú)線短程網(wǎng)中的ZigBee方式，由干電池供電，可連續(xù)工作3～5年，傳送距離600m，準(zhǔn)確度指標(biāo)為±0.1%。而在一些測(cè)點(diǎn)分散的場(chǎng)合，例如油田、城市煤氣管網(wǎng)、城市供水管網(wǎng)，大氣及水環(huán)境環(huán)保監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，采用基于GPRS/GSM手機(jī)短信息傳輸方式在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅猛異常。有線一對(duì)一傳送——現(xiàn)場(chǎng)總線傳送——無(wú)線傳送，這是否是信號(hào)傳送新的發(fā)展趨勢(shì)呢？