工业传感器是实现智能制造的关键

本文介绍了工业过程控制和监控中使用的传感器的特点。

  市场上有各种各样的工业传感器,因此为特定应用选择合适的传感器可能是一个挑战。工业传感器几乎涵盖所有传感器类别,包括接近、位置、速度、水平、温度、力和压力,其中包括工业过程控制、能源、航空、安全和安保、汽车、医疗和建筑自动化等领域。

  有时传感器构成了产品和解决方案的核心要素。这些是产品的重要组成部分,定义了预期应用的质量、效率和安全性。从裸露的半导体芯片和变送器到复杂的系统,传感器解决方案和技术存在于整个价值链中。本文介绍了工业过程控制和监控中使用的传感器的特点,包括无线传感器,然后介绍了一些领先的工业传感器制造商。

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  一、工业过程控制

  工业过程控制涉及对许多行业的机械、系统和过程的监测和控制,包括化学品、制药、生物技术、能源、水、石油和天然气、塑料、纸张以及食品和饮料。现代工业加工和制造系统高度自动化,确保以高效的方式消耗原材料和能源。有许多参数需要监测和控制,包括压力、温度、液位、流速、湿度、灰尘、腐蚀性物质、爆炸物、液体和气体。

  传感器是过程控制和测量系统中的第一个元件。在过去几年中,在纳米和皮米计等非常小的尺度上进行精确的控制和精确的位移/位置测量变得越来越重要。

  工业传感器的主要性能指标是灵敏度、分辨率、紧凑性、长期稳定性、热漂移和功率效率。

  二、工业过程控制中的传感器类型

  接近传感器。它们可以是机械的、光学的、感应的和电容的,广泛应用于工业自动化中,如计数和堵塞检测的输送线、安全联锁和排序的机床等,它们还用于检测物体的存在或不存在。

  机械传感器基本上是开关操作的机械开关。

  光传感器可以是像发光二极管(led)和光晶体管这样的光源,这些传感器基本上是非接触式的,没有运动部件。它们体积小,开关速度快,对振动和冲击不敏感。但是,它们需要对齐,可以被环境光照条件遮住,可能需要清洁、无尘和无水的环境。

  感应式和电容式近程传感器通常具有很短的距离,但非常坚固可靠。感应式传感器利用磁性来检测金属物体的存在,电容传感器通常用于检测非金属物体引起的电容。

  位置传感器。其中包括编码器和线性可变差动变压器(LVDTs)。编码器是数字传感器,通常用于为执行器提供位置反馈,它们由一个玻璃或塑料盘组成,在光源(LED)和一对光电探测器之间旋转,塑料磁盘是用交替的亮和暗扇区编码的,因此当磁盘旋转时会产生脉冲。LVDTs由一个在圆柱体中运动的磁芯组成,它们通常用于伺服机构、自动测量和许多其他工业和科学应用中的位置反馈。

  力传感器。力和压力传感器通常充当传感器,这些传感器根据施加在它们身上的压力产生信号。力传感电阻器是两个针式力传感器,当力、压力或机械应力作用于传感器表面时,其电阻会发生变化。

  振动/加速度传感器。压电陶瓷传感器或加速度计最常用于检测振动。三轴加速度计用于移动系统、汽车、涡轮机和飞机,它们提供振动信息和位置数据。惯性测量装置通常用陀螺仪和加速度计测量线性和角运动。它们广泛应用于飞机和导弹的导航和制导。

  液位传感器。这些传感器在工业过程控制中非常常见,选择合适的液位传感器取决于其尺寸和几何形状。工业过程控制包括静液压和光学液位传感器,从简单的极限值检测到精确的连续液位传感。静水压传感器可以安装为潜水式传感器,用于在液体中定位,也可以使用螺纹连接到外部罐壁。

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  三、工业无线传感器

  大多数传统的传感器通常需要一根电线或电缆来连接外部仪器,电缆可以是铜线、双绞线或光纤。然而,传输线电缆会造成信号和功率损耗,另外,有线网络的安装也很麻烦,而且需要很多时间。无线传感器提供了安装的灵活性,从而改进了过程监控和控制,还降低了安装和维护成本。

  在工业应用中,无线数据传输由来已久。通过无线技术监测温度、流量、液位和压力参数正成为工业应用的一种流行趋势。随着物联网技术的出现,无线传感器网络在一些关键的工业应用中得到了广泛的应用,用于监控和数据采集(SCADA)的无线传感器有效地解决了各种工业应用的需求。

  许多公司一直致力于将微型和低功耗无线电台与传感器集成,正在开发具有压力、流量和温度监测和控制选项的无线模块,以降低大型商业和工业建筑的安装和电缆成本。

  近年来,电子技术的发展使适合于短距离工业应用的微型、低功耗、多功能传感器得以广泛应用。通过无线链路或无线传感器网络连接的智能传感器为包括环境在内的各种工业监控应用提供了前所未有的机遇。

  加速度、振动和速度的无线传感为防止设备故障提供了一种更有效的方法。无线传感器不仅可穿戴,而且具有实时性、连续性、远距离传感和易操作等优点。

  无线数据传输有许多技术,包括手机、Zigbee、GPS、Wi-Fi、卫星、红外、射频和蓝牙。所有行业都是不同的,它们的确切要求和应用也是不同的。因此,HART和Zigbee等工业联盟定义了各种传感器连接标准,以满足各种工业应用的要求。ZigBee的工作频率为2.4GHz,数据速率为250kbps。根据功率输出和环境特性,这些传感器的室外视线范围可达1500米。物联网应用标准,如IEEE 802.15.4和窄带物联网(NB-IoT)支持广泛的设备和应用。

  四、工业无线传感器的应用

  监测机械设备。无线传感器网络用于监测机械的状态维修,无线传感器可以方便地进入无法进入的位置、旋转机械、危险或受限区域以及移动设备,否则使用有线技术很难进入这些区域。

  数据记录。无线传感器还用于收集环境监测数据,例如监测冰箱内的温度或监测核电站溢流水箱的水位。

  水资源管理。无线传感器适用于监测地下或地表水的水质,防止水的浪费,特别是对于基础设施有限的偏远地区,无线传感器网络非常理想,因为它们部署速度快,对本地环境的干扰最小。

  化学过程监测。利用传感器网络可以监测和控制化工过程中物料的浓度分布,单个传感器节点可以与其他节点进行通信,以提供整个过程的全貌,这些信息可能包括温度、压力、阻抗、pH值和溶解气体。

  五、领先的工业传感器制造商

  工业传感器领域有许多制造商,其中包括一些来自印度的制造商。一些主要的半导体制造商,如德州仪器、恩智浦半导体、ADI、ST和Vishay 也为各种工业应用制造传感器。像霍尼韦尔国际公司这样的公司开发专注于工业应用的无线监控产品。罗姆半导体公司提供广泛的工业传感器组合,包括接近传感器、光传感器、霍尔传感器、电容式和MEMS传感器。TE连接性为汽车、工业、医疗、电器和国防等广泛行业提供不同类型的传感器。Libelium的插头和传感设备是独特的传感器,可连接最常见的工业通信协议,如RS-232、RS-485、Modbus、电流环和CAN总线,这些应用广泛,包括工业传感和自动化、军事、汽车和远程工厂管理。

  不同类型的传感器可用于不同的工业应用要求,选择合适的传感器对于各种工业过程控制应用非常重要,智能无线传感器正成为解决现代工业应用中各种问题的热门技术。

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