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传感器及应用 代课老师 张雪琴仪表 中 1131 成员 葛丽梅杨佳佳韩艳艳杨素丽孔祥月 位移传感器在化工厂上的应用 位移传感器的定义所谓位移传感器 是利用各种元件检测对象物的物理变化量 通过将该变化量换算为距离 来测量从传感器到对象物的距离位移的机器 目录 1 位移传感器的工作原理2 位移传感器种类3 常用位移传感器的应用领域4 气体传感器在石油化学工业气体中的应用5 化学传感器在石化工业中的应用6 反应釜称重传感器在化工行业中的应用7 小结8 思考题 一 位移传感器的工作原理 位移传感器又称为线性传感器 它分为电感式位移传感器 电容式位移传感器 光电式位移传感器 超声波式位移传感器 霍尔式位移传感器 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件 接通电源后 在开关的感应面属于金属感应的线性器件 接通电源后 在开关的感应面将产生一个交变磁场 当金属物体接近此感应面时 金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量 使振荡器输出幅度线性衰减 然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的 电感式位移传感器具有无滑动触点 工作时不受灰尘等非金属因素的影响 并且低功耗 长寿命 可使用在各种恶劣条件下 位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制 返回目录 二 位移传感器种类 位移传感器种类很多 按其运动方式可分为线位移和角位移 传感器之家就是按照这种方式将产品进行划分 这也是针对选型的需要 按位移传感器材料划分可将其分为导电塑料式 电感式 光电式 金属膜式 金属玻璃铀式和磁致伸缩位移传感器等 线位移传感器 又称直线位移传感器 这是在实际应用最多的一种测量位移的传感器 它是将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位 滑片在滑轨上运动时 其阻值会发生变化 传感器滑轨两端连接稳态直流电压 允许流过微安培的小电流 当滑片运动的时候 滑片和始端之间的电压的大小与滑片移动的长度成正比 然后把测量电压换算成对应的位移 就得出实际运行中位移的大小 将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求 这样对于温度变化而引起的阻值变化不会影响到最终的测量结果 返回目录 导电塑料位移传感器 它是采用特殊工艺将DAP电阻浆料涂在绝缘机体上 加热聚合成电阻膜 或将DAP电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成的实心体作为电阻体 这种传感器的优点在于平滑性好 耐磨性好 动噪声小 可靠性极高 耐化学腐蚀等等 通常用于宇宙装置 导弹 飞机雷达天线的伺服系统中 磁致伸缩位移传感器 它的工作原理是首先由电子仓内电子电路产生一起始脉冲 当它在波导丝中传输时 产生一沿波导丝方向前进的旋转磁场 当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时 产生磁致伸缩效应 导致波导丝发生扭动 这一变化被安装在电子仓内的拾能机构所测得并转换成对应的电流脉冲 计算两个脉冲之间的时间差 就可以精确的测量出位移变化的大小 该产品属于非接触式测量传感器 具有精度高 重复性好 稳定可靠 寿命长 安装方便 抗环境性能强等优点 在一些环境恶劣和精确测量的场合广泛应用 它的输出信号是一个真正的绝对位置输出 而不是比例的或需要再放大处理的信号 因此不存在信号漂移或变值的情况 这就减少了定期重标和维护的工作 即使在电源中断后重新接通的情况下也不会对传感器数据接收造成影响 返回目录 压力传感器液位传感器流量传感器温度传感器气体传感器 三 常用位移传感器的应用领域 位移传感器的应用范围相当广泛 常用在工业自动化或者建筑桥梁等方面 位移传感器根据位移量的大小输出大小不同的电信号 然后能判断位移量的大小 常用的有应变式位移传感器 磁致伸缩位移传感器 光栅位移传感器 激光位移传感器 角度位移器 一 磁致伸缩位移传感器的应用领域1 磁致伸缩位移传感器的应用领域 位移 伺服液压油缸活塞位置反馈或预置研磨机械位置反馈或预置木材加工定位控制水轮机导叶开度的检测与控制纸张和塑料薄膜成型挤注模具机械吹塑工程机械金属成型 剪切冲压 其它机械定位和位移检测水坝闸门伺服汽缸活塞位置反馈或预置铸锻机床位移控制注塑机模板定位与监测汽轮机气阻阀门开度的检测与控制玻璃压制塑料机械改造气动缸钢材滚压食品加工港口机械船舶舵机伺服系统 2 磁致伸缩位移传感器的应用领域 液位 可广泛应用于石油 化工 水利 制药 食品 饮料等行业的各种液罐的液位计量和控制 航天加油系统 汽车加油系统 柴油加油系统及各种液压罐 水文监测 水处理等 磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度 长行程绝对位置测量的位移传感器 它采用内部非接触的测量方式 由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触 不至于被摩擦 磨损 因而其使用寿命长 环境适应能力强 可靠性高 安全性好 便于系统自动化工作 即使在恶劣的工业环境下 如容易受油溃 尘埃或其他的污染场合 也能正常工作 01 此外 它还能承受高温 高压和强振动 现已被广泛应用于机械位移的测量 控制中 它的行程可达3米或更长 标称精度为0 05 F S 行程1米以上传感器精度可达0 02 F S 重复性可达0 002 F S 因此它在石油化工 航空航天 电力 水利等行业得到广泛的应用 返回目录 二 激光位移传感器的应用激光传感器 直线位移传感器 是利用激光技术进行测量的传感器 它由激光器 激光检测器和测量电路组成 激光传感器是新型测量仪表 利用了激光具有高方向性 高单色性和高亮度的特点 它的优点是能实现无接触远距离测量 速度快 精度高 量程大 抗光 电干扰能力强等 激光传感器常用于长度 距离 振动 速度 方位等物理量的测量 还可用于探伤和大气污染物的监测等 尺寸测定 微小零件的位置识别 传送带上有无零件的监测 材料重叠和覆盖的探测 机械手位置 工具中心位置 的控制 器件状态检测 器件位置的探测 通过小孔 液位的监测 厚度的测量 振动分析 碰撞试验测量 汽车相关试验等 金属薄片和薄板的厚度测量 激光传感器测量金属薄片 薄板 的厚度 厚度的变化检出可以帮助发现皱纹 小洞或者重叠 以避免机器发生故障 气缸筒的测量 同时测量 角度 长度 内 外直径偏心度 圆锥度 同心度以及表面轮廓 长度的测量 将测量的组件放在指定位置的输送带上 激光传感器检测到该组件并与触发的激光扫描仪同时进行测量 最后得到组件的长度 均匀度的检查 在要测量的工件运动的倾斜方向一行放几个激光传感器 直接通过一个传感器进行度量值的输出 另外也可以用一个软件计算出度量值 并根据信号或数据读出结果 电子元件的检查 用两个激光扫描仪 如下图一样面对面的摆放 将被测元件摆放在两者之间 最后通过传感器读出数据 从而检测出该元件尺寸的精确度及完整性 生产线上灌装级别的检查 激光传感器集成到灌装产品的生产制造中 当灌装产品经过传感器时 就可以检测到是否填充满 传感器用激光束反射表面的扩展程序就能精确的识别灌装产品填充是否合格以及产品的数量 三 三 角位移传感器的应用系列倾角 角度传感器 距离传感器 加速度传感器 以及测量方位用的数字罗盘 电子罗盘和陀螺仪已经广泛的应用应用于石油 煤炭 钢铁 船舶 隧道 医疗设备 大坝 机械 物探仪器 地质 岩土 石油 矿山 管道 测斜导管 铁路 港口 水利 高层建筑 墙洞 矿井 隧道 船坞 抗滑桩和板桩 煤矿 动态冲击实验 地质 卫星GPS系统 风水 越野车 航海 实验仪器 数字水平仪 医疗 机械调平 角度测量和监视 汽车 起重机械运动检测 康复系统 生物工程系统 虚拟现实 现实放大 体育 惯性导航系统 人体姿态测量工业机械 摩托车陀螺仪 光纤 制导 平衡 导向 方向测量 动态跟踪 捷联 惯性 导航 方位角 角速度 速率 机械 爆转 测量等行业 角度传感器的典型应用场合 地理 山体滑坡 雪崩 民用 大坝 建筑 桥梁 玩具 报警 运输 工业 吊车 吊架 收割机 起重机 称重系统的倾斜补偿 沥青机 铺路机等 火车 高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量 海事 纵倾和横滚控制 油轮控制 天线位置控制 钻井 精确钻井倾斜控制 机械 倾斜控制 大型机械对准控制 弯曲控制 起重机 军用 火炮和雷达调整 初始位置控制 导航系统 军用着陆平台控制 位移传感器的种类有很多 不同的位移传感器的应用领域也各不相同 熟知位移传感器的工作原理 了解各种位移传感器的应用领域 有利于广大工程师朋友轻松的选用 提高工作效率 四 气体传感器在石油化学工业气体中的应用 一 气体传感器国外从30年代开始研究开发气体传感器 过去气体传感器主要用于煤气 液化石油气 天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警 目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体 H2 C4H10 CH4 等扩展到毒性气体 CO NO2 H2S NO NH3 PH3 等 气体传感器种类繁多 按所用气敏材料及气敏特性不同 可分为半导体式 固体电解质式 电化学式 接触燃烧式 高分子式等 1 半导体气体传感器这种传感器主要使用半导体气敏材料 自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来 由于具有灵敏度高 响应快等优点 得到了广泛的应用 目前已成为世界上产量最大 使用最广的传感器之一 按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种 电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的 主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料 随着近年来复合金属氧化物 混合金属氧化物等新型材料的研究和开发 大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围 例如 WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为5ppm 50ppm ZnO CuO气体传感器对200ppm的CO非常敏感 非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流或电压随气体含量而变化的原理工作的 主要有MOS二极管式和结型二极管式 以及场效应管式气体传感器 检测气体大多为氢气 硅烷等可燃气体2 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件 其原理是气敏材料在通过气体时产生离子 从而形成电动势 测量电动势从而测量气体浓度 由于这种传感器电导率高 灵敏度和选择性好 得到了广泛的应用 几乎打入了石化 环保 矿业等各个领域 仅次于金属氧化物半导体气体传感器 如测量H2S的YST Au WO3 测量NH3的NH 4CaCO3等 返回目录 2 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件 其原理是气敏材料在通过气体时产生离子 从而形成电动势 测量电动势从而测量气体浓度 由于这种传感器电导率高 灵敏度和选择性好 得到了广泛的应用 几乎打入了石化 环保 矿业等各个领域 仅次于金属氧化物半导体气体传感器 如测量H2S的YST Au WO3 测量NH3的NH 4CaCO3等 3 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种 其工作原理是 气敏材料在通电状态下 可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧 产生的热量使电热丝升温 从而使其电阻值发生变化 测量电阻变化从而测量气体浓度 这种传感器只能测量可燃气体 对不燃性气体不敏感 例如 在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器 具有广谱特性 即可以检测各种可燃气体 接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定 并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测 普遍应用于石油化工厂 造船厂 矿井隧道 浴室 厨房等处的可燃性气体的监测和报警 4 高分子气体传感器利用高分子气敏材料的气体传感器近年来得到了很大的发展 高分子气敏材料在遇到特定气体时 其电阻 介电常数 材料表面声波传播速度和频率 材料重量等物理性能发生变化 主要有酞菁聚合物 LB膜 苯菁基乙炔 聚乙烯醇 磷酸 聚异丁烯 氨基十一烷基硅烷等 高分子气敏材料由于具有易操作性 工艺简单 常温选择性好 价格低廉 易与微结构传感器和声表面波器件相结合 在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用 根据所用材料的气敏特性 这类传感器可分为 通过测量气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子电阻式气体传感器 根据气敏材料吸收气体时形成浓差电池 测量电动势来确定气体浓度的浓差电池式气体传感器 根据高分子气敏材料吸收气体后声波在材料表面传播速度或频率发生变化的原理制成的声表面波气体传感器 以及根据高分子气敏材料吸收气体后重量变化而制成的石英振子式气体传感器等 高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高 选择性好 且结构简单 能在常温下使用 可以补充其它气体传感器的不足 二 气体传感器的发展方向目前 国内外对新的气敏材料和气体传感器的研究非常活跃 其主要研究和发展方向主要集中在以下几点 首先 开发新的气敏材料 主要措施是在传统的半导体气敏材料SnO SnO2 Fe2O3中掺杂一些元素 目前有很多这方面的研究报道 其次是研制和开发复合型和混合型半导体气敏材料和高分子气敏材料 使这些材料对不同气体具有高灵敏度 高选择性 高稳定性 另外 开发新的气体传感器 应用新材料 新工艺和新技术 对气体传感器的机理做进一步研究 使传感器更加微型化和多功能化 并具有性能稳定 使用方便 价格低廉等特点 同时 进一步采用计算机技术实现气体传感器的智能化 气体传感器和计算机技术相结合 出现了智能气体传感器 电子鼻 国内外已成功开发了鉴别和检测食品 香料等的电子鼻 研制开发新型仿生气体传感器 仿生电子鼻是未来气体传感器发展的主要方向 一 化学传感器的原理分类化学传感器是一类专门用于检测 感知化学物质的特殊传感器 通常用于检测气体或液体中的特定化学成分 并将该化学成分的浓度信号转换为可检知的电流或电压信号 化学传感器除广泛用于石油化工系统之外 在现代生活中还广泛应用于诸如汽车 温室 楼宇瓦斯报警及公共场所等 4 化学传感器的种类繁多 根据多数文献介绍 一般常用的化学传感器按其工作原理有以下几种 1 触媒催化或可燃性气体传感器 根据待测的化合物与触媒的催化反应所释放的能量H 并引起温度的变化 再依据方程式H CPT 式中的CP为比热 再根据因温度的改变T所引起其所在的电阻发生的电阻值变化 通过惠斯顿电桥测出产生的电压信号 被测气体的浓度越高 其燃烧后产生的热量越多 引起电阻变化也越大 故由温度变化的多少 可以换算成该化合物气体的浓度值 2 半导体或气体传感器 根据半导体材料与待测气体接触后 被吸附的气体与半导体之间发生电子转移而引起半导体敏感材料的电阻特性变化 利用此类半导体电阻特性变化来比较测定气体浓度的传感器称为电阻式半导体气体传感器 3 电化学传感器 1 浓差电池式气体传感器 利用传感器两面气体浓差差异而产生浓差电势进行测量 其浓差电势一般符合能势特方程 2 界限电流式气体传感器 在一定工作电压下由于受传感器特定扩散腔体及扩散孔的限制 工作电流呈现出饱和现象 并且该饱和电流值与被测气体的浓度存在一定的函数关系 从而达到对被测气体的测量 4 光学式气体传感器 采用被测气体的浓度与光投射强度相关的原理进行气体浓差测量 五 化学传感器在石化工业中的应用 返回目录 二 化学传感器在石化产业的使用概况1 化学传感器的使用量一般化学传感器主要用于探测包括 H2S O2 NOX NH3 HCN HF COX HCl Cl2 SOX CH4及VOC等 根据有关资料报导 我国某地区的89家石化工厂中所使用的化学传感器按照工作特性又分成自动监测式与携带式两种 自动监测式化学传感器的使用量统计表如表1所示 其中触媒式传感器用量最多 共有1136只 半导体式居第二 共972只 电化学式889只居第三位 光学式有149只居第四 其他12只 合计使用3158只传感器 由以上统计可以看出化学式传感器的使用十分普遍 其中以触媒燃烧式传感器的用量最大 可能的原因是其成本低廉故较受欢迎的缘故 在各类传感器的使用中又以VOC监测的用量最大共计1876只 其中包括触媒式855只 约占45 与半导体式817只 电化学式177只 光学式21只 其他6只 可见触媒式仍然是用量最多的 再其次为CH4传感器总共用量385只 携带式化学传感器的使用以半导体式的传感器的用量最多共84只 电化学式居第二位共83只 触媒式52只居第三位 光学式有7只 其他23只 总计用量249只 可见携带式的用量明显少于自动监控式的用量 即一般工厂仍以固定监控式为主 移动式监控为辅 并多用于排放源固定且需随时跟踪检测的场合 其中携带式化学传感器又以半导体式最多 主要可能是体积可以缩小便于携带 其中以对CH4监测的有91个为最多 其次为VOC有78个居第二位 O2有45个居第三 从统计表可以看出 目前石化工厂最常使用的仍以探测碳氢类化合物质的气体为主 返回目录 2 石化工厂排放化学物质的种类石化工厂从制造工艺过程中所排放的化学物质的种类甚多 例如有带恶臭类的胺类 硫醇类等 还有毒性气体如CO Cl2 可燃性气体如甲烷 碳氢化合物等 挥发性有机气体VOC等 被统计调查的我国某地区几十家石化工厂中 所排放的化学物质如表3所示 以SOX与VOC为最多 各占38家 另外还有NOX占31家居第二位 O2的探测也占很高比例有25家 其余的特殊化学物质如CPL Benzene等较少 由表3可以看出 石化工厂化学传感器的使用仍以针对环保检测气体较具共通性 其余特殊工艺所排放的气体较少 而SOX与NOX大多来自石油或煤的燃烧所产生的环保管制性气体 3 化学传感器的主要用途化学传感器的用途十分广泛 如用于瓦斯泄漏报警 空气污染排放管制 及工艺卫生与安全检测 工艺过程管理等 据统计有71 的传感器用于环保监测 25 的传感器用于生产工艺过程控制 工艺安全与工艺卫生方面的传感器用量约占4 左右 由此可看出大多数的化学传感器是用在环保方面 此外 一般石化工艺过程与工艺卫生方面的分析检测仍多用传统分析方法进行 目前使用化学传感器的数量并不大 但预计今后在这方面的使用量4 化学传感器的生产厂我国某地区石化工厂中使用的化学传感器主要由国外厂商供应并提供相应的技术支撑与服务 一些有关环保方面检测项目 例如烟道排放则由环境工程公司承包 但传感器安装 维修 更换也均由该公司代理国外供应商完成 以SOX传感器为例 生产厂商很多而且分散 可以看出在SOX自动监测系统中 传感器主要使用COSMOS HORIBA和THERMALENVIRONMENTINSTRUMENT三家产品 分别占自动监测系统中传感器数目的12 23 和17 三家供应43台 占自动监测系统52 的用量 在便携式传感器中 以TESTO为主 占便携式传感器中75 3台 对SOX的监测主要使用自动监测系统 其中又以光学式传感器的使用为主 六 反应釜称重传感器在化工行业中的应用 1 称重模块应用于物料计量一般来说 目前贮槽液体的计量 大部分都是采用标尺或流量计来计量的 但这两种方法都以体积计量 然后再根据液体的密度换算成重量 由于密度与温度等因素有关 误差比较大 尽管目前有质量流量计 但因价格昂贵 一般企业很少采用 因而用电子称重模块 直接称出物料的重量是比较经济实用的 2 称重模块应用于液位指示和控制液位是化工生产过程的一个重要控制参数 通常液位指示除了现场的液位指示仪表外 一般采用变送器把液位信号转换成标准电信号或气信号远传到控制室 但这种方法 除了前面所说因密度的变化引起液位的误差外 还有可能因物料结晶 堵塞等造成假液位的情况 严重时甚至会酿成事故 另外 因变送器的测量部分直接与被测介质接触 对于一些腐蚀性介质 则需要选用价格昂贵的耐腐蚀材料 而称重模块不与被测介质直接接触 上述缺点均不存在 并且称重显示仪可以选用带模拟量输出接口 接到记录仪 调节器上 实现自动记录和控制 3 称重模块应用于投料量有严格要求的场合有一些生产过程对投料量有严格的要求 不少企业都把计量槽直接放在地上衡上来控制投料量 但地上衡检修或检定时 需要用