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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)傳感器和檢測(cè)儀表，一輛普通家用轎車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)車(chē)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(xiàn)，當(dāng)玻璃表面干燥時(shí)，光線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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(chē)，也至少得裝有電壓表和車(chē)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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(chē)輛載重量的汽車(chē)衡、軌道衡是從靜態(tài)車(chē)輛開(kāi)始的，其測(cè)量速度慢、需人工介入，難以滿(mǎn)足大運(yùn)輸量的發(fā)展要求，所以動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡、動(dòng)態(tài)軌道衡也就誕生了，它們可以在車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行稱(chēng)重，汽車(chē)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(lèi)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(mǎn)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(pán)，荷重測(cè)量是通過(guò)杠桿將力轉(zhuǎn)換成在圓盤(pán)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(pán)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(kāi)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(chēng)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(chēng)量難度要低得多，而稱(chēng)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(chēng)重，而失重式給料機(jī)秤的稱(chēng)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(zhuān)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(lèi)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(chǎng)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。現(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(huà)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(mén)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(xiàn)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(xiàn)來(lái)傳送，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳送信號(hào)的變送器。工控領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN和無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)，如美國(guó)霍尼威爾公司2003年推出的XYR5000無(wú)線(xiàn)變送器見(jiàn)圖2，它采用了無(wú)線(xiàn)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(xiàn)一對(duì)一傳送——現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳送——無(wú)線(xiàn)傳送，這是否是信號(hào)傳送新的發(fā)展趨勢(shì)呢？