Датчики измерения параметров технологического процесса

1. ВВЕДЕНИЕ Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось
предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств, для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ. Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах там, где другие параметры измерить невозможно.

Так например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как
давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д. В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры, например для регулирования отопления на основании
измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры; регулирование температуры нагрева воды в автоматических стиральных машинах; регулирование температуры электроплит, электродуховок и т.п.

3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ. Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее
соответствующие конкретным задачам. Перечислим основные из этих характеристик:

1). Функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины: у = f(x) (1) Зависимость представляется в именованных величинах: у в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, х в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры Ом/С или мВ/К.

2). Чувствительность отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины: S = dy/dx (2) Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.

3). Порог чувствительности минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан
как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования
измеряемой величины в датчике.

4). Предел преобразования максимального значение измеряемой
величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате
рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела
преобразования по крайней мере на 10%.

5). Метрологические характеристики определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств, применяемых в
нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.
Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики.

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ. Датчики систем автоматического регулирования.

Состояние машин и установок можно контролировать не только человеком, но и специальными устройствами, называемыми чувствительными элементами или датчиками. Сигнал от датчика подается на устройство сравнения вместе с заданным сигналом. Результирующий сигнал разности подается на усилитель, и этот усиленный сигнал действует на исполнительный орган, изменяющий состояние регулируемого объекта.

В электроустановках датчик воздействует на электрическую цепь, включая или выключая ее, изменяя электрическое сопротивление или вырабатывая электричество.

Всегда важно выбрать место установки датчика. Например, в системе водяного отопления от электрокотла датчик температуры ставится на выходе воды из котла, чтобы подавать сигнал на включение и отключение нагревательных элементов котла для поддержания температуры воды на выходе котла соответствующей заданной. При установке датчика в других местах котел может не отключиться даже при аварийных режимах работы, например, при отсутствии циркуляции воды и перегреве котла.

Датчики температуры

дистанционного измерения температуры. Их принцип работы основан на свойстве металлов изменять удельное сопротивление при изменении температуры. Схема термопреобразователя сопротивления показана на рис. 2.1

Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления) применяются для передачи сигнала о температуре объекта на расстоянии от объекта до показывающего прибора, т. е. для

Рис. 2.1. Схема термопреобразователя сопротивления

1 - чувствительный элемент, 2 - провода, 3 - корпус, 4 - штуцер крепления корпуса, 5 - клеммы, 6 -штуцер для вывода проводов.

Чувствительный элемент термопреобразователя состоит из проволоки, намотанной на каркас. В зависимости от материала проволоки различаются термопреобразователи сопротивления медные (ТСМ) и платиновые (ТСП). Размер каркаса чувствительного элемента от 60 до 100 мм. Каркас вставляется в конец корпуса защитной арматуры, а на другом конце корпуса имеется головка с зажимами для проводов, идущих от чувствительного элемента. На корпусе имеется штуцер для его крепления на технологическом оборудовании. Термопреобразователи различаются монтажной длиной - расстоянием от штуцера до конца, в котором находится чувствительный элемент, которая может меняться от 80 до 3150 мм.

Пределы измеряемой температуры термопреобразователя от-200 до 600 -С.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) служат также для дистанционного измерения температуры. Их принцип действия основан на использовании ЭДС, получаемой от двух спаянных концов разного металла, если их спай и свободные концы находятся при разных температурах.

Термоэлектрические преобразователи обозначаются в зависимости от применяемых сплавов: хромель-копель - ТХК, хромель-алюмель - ТХА, платинородий-платина - ТПП, платинородий (30% родия) - платинородий (6% родия) -ТПР.

Термоэлектрический преобразователь устроен аналогично

термопреобразователю сопротивления. Длина его монтажной части до 10 м, пределы измеряемой температуры - от -50 до 1800°С.

Особенность применения термоэлектрических преобразователей заключается в необходимости компенсации температуры холодных концов спая. Если температура холодных концов, равная температуре окружающего воздуха, будет изменяться, а температура измеряемой среды будет неизменной, то значения термо-ЭДС будут также изменяться. Неизменность показаний прибора достигают электрической компенсацией влияний температуры в месте установки прибора, воспринимающего термо-ЭДС. Для этого термоэлектрический преобразователь присоединяют к вторичному прибору специальными компенсационными проводами (табл.2.1)

Таблица 2.1 ДАННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОВОДОВ

Манометрические термометры применяются для дистанционного измерения температуры. Их принцип действия основан на зависимости между температурой и давлением жидкости или газа при постоянном объеме. Схема манометрического термометра показана на рис. 2.2.

Прибор состоит из термобаллона, соединенного капилляром с вторичным прибором - манометром. В манометре капилляр соединяется с трубчатой пружиной, которая скручиваемся или раскручивается в зависимости от давления жидкости

или газа в системе манометра, зависящего от температуры измеряемой среды, куда помещен термобаллон. Пружина действует на механизм манометра, воздействующий на показывающие и регулирующие устройства (стрелки, самописцы, контакты).

Манометрические термометры могут быть газовые, жидкостные и конденсационные, самопишущие, сигнализирующие и показывающие. К последним относятся газовые типа ТГП-100, конденсационные типа ТКП-100. Пределы измерения различных типов приборов от -50 до 600 °С, длина капилляра от 1,6 до 40 м.

Рис. 2.2. Схема манометрического термометра:

1 - пружина манометрическая, 2 - стрелка показывающая, 3 - ось, 4 - механизм передаточный, 5 -капилляр, 6 -термобаллон.

Биметаллические элементы являются датчиками температурами. Их принцип действия основан на свойстве пластинки, сваренной из двух разных металлов, изгибаться из-за разного удлинения этих металлов при нагревании. Биметаллические элементы применяются в приборах для регулирования температуры различных сред, в защитных тепловых реле, применяемых в бытовых приборах и в промышленных установках

точность работы - делают датчики давления незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже тысячные доли процента, а поэтому необходимо датчики давления развивать и осваивать.