Датчики окружающей среды

МИНИСТЕРСТВО  ВЫСШЕГО И СРЕДНЕ-СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Имени Абу Райхана Берени

 

 

 

Факультет: Электроники и  Автоматики

Кафедра: Автоматизация и управление

 

Самостоятельная работа

На тему:Датчики окружающей среды

 

Выполнил: студент

группы 126-10 АУ

 Шукуров Х

Проверил: профессор

 Шипулин Ю. Г

 

 

Ташкент 2012

Общие сведения

 

Датчики являются элементом  технических систем, предназначенных  для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

 

Исторически и логически  датчики связаны с техникой измерений  и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с  развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство —  объект управления. В качестве отдельной  категории использования датчиков в автоматических системах регистрации  параметров можно выделить их применение в системах научных исследований и экспериментов.

 

Определения понятия  датчик

 

Широко встречаются следующие определения: чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например — пневматический сигнал;

законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в  системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика  сам по себе может называться сенсором.

датчиком называется часть  измерительной или управляющей  системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала, размещенную в зоне действия влияющих факторов объекта и воспринимающий естественно закодированную информацию от этого объекта.

Датчик – конструктивно обособленная часть измерительной системы, содержащая один или несколько первичных преобразователей, а также один или несколько промежуточных преобразователей.

 

Эти определения соответствуют  практике использования термина  производителями датчиков. В первом случае датчик это небольшое, обычно монолитное устройство электронной  техники, например, терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для  создания более сложных электронных  приборов. Во втором случае — это  законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных  интерфейсов к системе автоматического  управления или регистрации. Например, фотодиоды в матрицах (фото) и  др. В третьем и четвертом определении  акцент делается на том, что датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы, воспринимающей информацию, а следовательно обладающий самодостаточностью для выполнения этой задачи и определенными метрологическими характеристиками

.

Применение датчиков

 

В последнее время в  связи с удешевлением электронных  систем всё чаще применяются датчики  со сложной обработкой сигналов, возможностями  настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы  управления. Имеется определённая тенденция  расширительной трактовки и перенесения  этого термина на измерительные  приборы, появившиеся значительно  ранее массированного использования  датчиков, а также по аналогии —  на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика  по практической направленности и деталям  технической реализации близко к  понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания  этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.

Газоанализаторные датчики предназначены для непрерывного контроля за составом воздуха в помещениях, производственных цехах, а также для мониторинга состава атмосферы в городах и вблизи промышленных объектов. В зависимости от типа устанавливаемого чувствительного элемента, датчики чувствительны к разным газовым составам, самыми распространенными, являются датчики СО2, метана, пропана, бутана, и природного газа. Датчики с аналоговым выходом поставляются с градуировочными графиками.

Газовые сигнализаторы (компараторы) являются дискретными устройствами, сигнализаторы срабатывают при  превышении определенного порога содержания вредных примесей в воздухе. Выходным элементом сигнализаторов является мощное реле. 

Основным применением  газовых сигнализаторов является слежение за составом воздуха в шахтах  и других местах, где возможно накопление газа до взрывоопасной концентрации. Шахтные сигнализаторы выпускаются  в пыле/брызгозащищенном исполнении, корпуса датчиков имеют крепеж для монтажа на поверхность, предусмотрена возможность работы от встроенных батарей. В комплект сигнализатора может входить сирена и радиооповеститель.

Датчики с аналоговым выходом  градуируются по требованию заказчика, чувствительность датчиков зависит  от типа измерительного элемента, и  может достигать 1 на 10^9, то есть, датчики  улавливают одну молекулу ядовитого  газа среди одного миллиарда молекул, составляющих нормальную дыхательную  среду. Выходной сигнал аналоговых датчиков нормируется в стандартных токовых  единицах - 0-5 мА или 4-20 мА.

 

 

 

 

 

 

 

  Датчики для мониторинга окружающей среды, газовые датчики и сигнализаторы, датчики чистоты воздуха, радиации  

 

 

 Газоанализаторные датчики предназначены для непрерывного контроля за составом воздуха в помещениях, производственных цехах, а также для мониторинга состава атмосферы в городах и вблизи промышленных объектов. В зависимости от типа устанавливаемого чувствительного элемента, датчики чувствительны к разным газовым составам, самыми распространенными, являются датчики СО2, метана, пропана, бутана, и природного газа. Датчики с аналоговым выходом поставляются с градуировочными графиками.

Газовые сигнализаторы (компараторы) являются дискретными устройствами, сигнализаторы срабатывают при  превышении определенного порога содержания вредных примесей в воздухе. Выходным элементом сигнализаторов является мощное реле. 

Основным применением  газовых сигнализаторов является слежение за составом воздуха в шахтах  и других местах, где возможно накопление газа до взрывоопасной концентрации. Шахтные сигнализаторы выпускаются  в пыле/брызгозащищенном исполнении, корпуса датчиков имеют крепеж для монтажа на поверхность, предусмотрена возможность работы от встроенных батарей. В комплект сигнализатора может входить сирена и радиооповеститель.

 

Датчики с аналоговым выходом  градуируются по требованию заказчика, чувствительность датчиков зависит  от типа измерительного элемента, и  может достигать 1 на 10^9, то есть, датчики  улавливают одну молекулу ядовитого  газа среди одного миллиарда молекул, составляющих нормальную дыхательную среду. Выходной сигнал аналоговых датчиков нормируется в стандартных токовых  единицах - 0-5 мА или 4-20 мА.

Датчики поставляются после  полного согласования с техподдержкой, цена на датчики устанавливается в процессе заказа, ориентировочно, аналоговый датчик стоит не более 100 долл. Время, требуемое на изготовления датчиков не более одного месяца со дня размещения заказа, датчики выполняются по технологии поверхностного монтажа с эпоксидной маской и маркировкой. Модуль электроники аналоговых и дискретных датчиков - идентичный для всех чувствительных элементов TGS, поэтому пользователь датчика может самостоятельно перестроить датчик на измерение любых газовых примесей. Чувствительный элемент устанавливается в специальный разъём, поэтому при смене элемента пайка не нужна.

По отдельному заказу поставляются продувные камеры, представляющие собой миниатюрную трубу с вентиляторами на входе и выходе. Датчик устанавливается в центре трубы, и соединяется с платой электроники при помощи четырехжильного сигнального кабеля.

Для подробного изучения принципа действия газоанализаторных чувствительных элементов, а также, для ознакомления с увлекательной процедурой калибровки датчиков алкогольных паров, можно прочесть книгу Виглеба - "Датчики", размещенную в нашей библиотеке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Акустические  Датчики вибрации инфразвукового, звукового  и ультразвукового диапазонов. датчики ускорения - акселерометры, сейсмодатчики.

 

  Многофункциональный модуль широкополосного измерителя   (ММШИ),                 предназначеный для использования в качестве решающего инструментального усилителя в различных областях акустических исследований, таких как ультразвуковая дефектоскопия, сейсмология, измерение и исследование механической вибрации в машинах и механизмах. Модуль представляет собой скоростной решающий инструментальный усилитель, снабженный широкополосным аналоговым перемножителем - делителем, регулируемой линией задержки и следящим фильтром на основе ФАПЧ. Модуль производит среднеквадратические измерения, обработку и демодуляцию акустических сигналов в диапазоне 0,5 Гц до 1 мгц. В зависимости от диапазона рабочих частот, модуль снабжается различными чувствительными элементами: в простейших измерениях используются некалиброваные пьезоэлектрические элементы, в измерениях, требующих высокой точности, применяются калиброванные индуктивные сейсмодатчики и твердотельные акселерометры.

 

Некалиброванные датчики  калибруются непосредственно на месте установки, по нормальному  акустическому шуму работающего  механизма, например электромотора, редуктора, гидротурбины, подшипников буксы  железнодорожных ваговнов, и других механических устройств, требующих непрерывного контроля. В этом случае датчики могут иметь беспроводной интерфейс с радиусом действия до 200 метров, работающий в диапазонах 300, 400, 500 или 900 МГц. Беспроводные датчики работают в режиме радиомаяка, и выдают одно измерение с интервалом 10-30 секунд. Питание датчиков происходит от миниатюрных батарей большой емкости, что дает возможность непрерывной работы от одного года до трех лет, в зависимости от интервала измерений. Считывание показаний датчиков происходит при помощи группового приемника - модема, и компьютера с системой Windows. Описание приемного устройства находится здесь - см. страницу сети радиотелеметрии. Датчики, предназначенные для контроля механизмов, работают с применением принципов классической ультразвуковой дефектоскопии, основанных на обработке высших гармоник акустических колебаний, производимых работающими механическими деталями. Диапазон измерения гармонических составляющих - 20 КГц - 1 МГц.

 

Датчики верхних гармонических  составляющих обладают высокой чувствительностью  и избирательностью, так, при помощи нашего датчика легко обнаруживается тикание обычных карманных часов, лежащих рядом с работающей акустической системой (колонкой) музыкального центра. Многочисленные исследования и котрольные измерения, показали, что дефектоскопические датчики Ексергия не уступают, а по многим параметрам превосходят аналогичные устройства ведущих разработчиков дефектоскопических устройств, основанных на измерениях ультразвуковых колебаний. Приемущества датчиков Ексергия заключаются в применении оптимальных аналоговых способов обработки сигналов, с применением корреляторов, линий задержки и детекторов с динамической аналоговой ФАПЧ*.

 

Дефектоскопические датчики  также выпускаются в виде ручного  прибора с различными насадками  для чувствительного элемента. Насадки  имеют форму конусов- штырей различной  длины, предназначенных для контактного  измерения вибраций, такие датчики  легко обнаруживают стуки и посторонние  шумы в подшипниках, газораспределительных  кулачковых механизмах двигателей внутреннего  сгорания и других подобных местах. В этом случае измерение ведется  на слух, путем сдвига гармонических  составляющих в диапазон 20 Гц - 20 КГц. Качество звука таково, что неисправный  механический узел легко распознается даже неподготовленным оператором. В  сравнительных опытах, проведенных  нашими специалистами, неисправные узлы легко находили дети, секретарши оффисов и просто посторонние люди.

 

Калиброванные датчики применяются  для измерений сейсмических колебаний, виброакустических шумов и других акустических воздействий в диапазоне 0,5 Гц - 3000 Гц. В качестве чувствительных элементов используются гидрофоны, аналоговые акселерометры, электронные компасы и гироскопы фирмы Analog Devices, а также индуктивные сейсмодатчики с калиброванной характеристикой. Сейсмодатчики, снабженные беспроводным интерфейсом, используются в сетях портативных сейсмостанций, охране границ, периметров, в различных измерительных комплексах наблюдения за селевыми потоками, лавинами и оползнями. Также, сейсмические датчики используются в горнопроходческом деле, и геологических исследованиях.

 

Датчики выполняются только на заказ, по согласованному техническому заданию, которое четко описывает  область применения, способы крепления  и размеры датчика. Крепление  датчика может быть резьбовым, в  этом случае датчик представляет собой  цилиндр с резьбовой (М8-M12) шпилькой, и вворачивается в специально подготовленное резьбовое отверстие, датчик может крепиться на магнитной  подошве, на клей или индустриальную липкую ленту 3М. В случае простых  способов крепежа, датчики имеют  форму параллелепипеда с размерами  от спичечночо коробка до сигаретной пачки. Такие датчики могут иметь фланцы для крепления. Также, техническое задание должно включать в себя требования к интерфейсу датчика, в случае заказа беспроводных датчиков, указывается рабочая частота. Рабочие частоты датчиков могут быть выбраны в диапазонах 315, 433, 512, 900 мегагерц. В случае необходимости применения других частот, цена датчиков может быть увеличена. Ценовой диапазон датчиков от 100 до 500 долларов за единицу, ручные измерители стоят от 500 до 1400 долларов, измерители могут быть снабжены программным обеспечением для измерений и наблюдений энергетического спектра входных колебаний. Исполнение датчиков - герметичное, всепогодное, если другое не оговаривается, датчики могут поставляться в виде печатной платы в сборе, под ОЕМ использование. Температурный диапазон датчиков - не менее -40/+60