Датчики температуры

Лабораторная работа № 2

Тема: Датчики систем автоматики.

Наименование работы: Изучение устройства и работы датчиков.

Цель работы:

1. Изучить устройство датчиков.

2. Изучить принцип действия датчиков.

Приобретаемые умения и навыки:

1. Научиться настраивать датчики.

Общие сведения

Датчики температуры

Температуру нагретого тела, жидкости, газа определяют, измеряя физические параметры или самой контролируемой среды, или находящегося с ней в тепловом контакте специального элемента, воспринимающего изменение температуры.

В практике в качестве датчиков температуры используют обычно такие первичные преобразователи, которые весьма существенно изменяют свои физические свойства в зависимости от температуры и незначительно подвержены влиянию других факторов, например влажности, атмосферного давления, состава среды и т. п. В датчиках температуры широко применяют элементы, обладающие по возможности наибольшими значениями коэффициента теплового линейного или объемного расширения, температурного коэффициента сопротивления, термо-ЭДС, изменения давления, плотности и вязкости различных веществ в зависимости от температуры. В связи с этим в практике находят применение датчики температуры различных видов.

Для измерения температуры применяют термометры расширения, термопреобразователи сопротивления (ТС), термоэлектрические и манометрические термопреобразователи и приборы. В дистанционных системах передачи показаний с термопреобразователями сопротивления и термоэлектропреобразователями применяют вторичные приборы - логометры, автоматические мосты, милливольтметры и потенциометры.

Термометры расширения.

К датчикам, использующим принцип теплового расширения жидкостей и газов, относятся жидкостные объемные и контактные термометры, а также манометрические термодатчики.

Жидкостные термометры.

Жидкостный термометр состоит из резервуара с термометрической жидкостью, соединенного с капиллярной трубкой, при нагревании резервуара жидкость расширяется и ее столбик поднимается по капилляру, изменение высоты ∆ hстолба жидкости в капилляре определяется соотношением:

∆ h = ∆ V/S_к. [1]

где ∆ V=V(β - 3α)∆ θ — изменение объема жидкости;

S_к — сечение капилляра;

β — температурный коэффициент линейного расширения жидкости;

V —первоначальный объем жидкости;

α — температурный коэффициент линейного расширения материала резервуара и капилляра.

Обычно объем резервуара значительно больше объема капилляра, так как это повышает разрешающую способность термометров (увеличение перемещения столбика жидкости в капилляре при изменении температуры на 1 градус).

В качестве термометрических жидкостей используют ртуть, этиловый спирт, толуол, петролейный эфир и пентан.

Ртутные термометры применяют для измерения температуры до 600 °С. Так как температура кипения ртути 357 °С, то для улучшения работы термометра его капилляр заполняют нейтральным газом под давлением.

Жидкостные термометры подразделяют на палочные, с вложенной шкалой и электроконтактные. В палочных термометрах градуировку наносят непосредственно на защитную толстостенную диаметром 6-8 мм стеклянную трубку, внутри которой расположен капилляр. Термометры с вложенной шкалой имеют тонкостенный капилляр, позади которого располагается шкала. Капилляр вместе со шкалой заключен в защитную стеклянную оболочку. Жидкостные шкальные термометры являются показывающими приборами. Их показания считывает оператор, управляющий технологическим процессом. На рисунке 1 показан внешний вид жидкостных термометров.

В автоматических устройствах применяют электроконтактные ртутные термометры с впаянными и подвижными контактами, которые замыкаются при соприкосновении со ртутью.

Ртутные термометры с впаянными контактами или термосигнализаторы применяют в системах стабилизации фиксированных значений температуры, на рисунке 2 показан внешний вид термосигнализатора и рисунок поясняющий его действие.

Как уже отмечалось, контакты термометра коммутируются столбиком ртути, что и является выходным сигналом таких термометров. Один из неподвижных контактов обычно впаивают в капилляр в начале шкалы, а другие — на определенных ее значениях. Контакты делают из платиновой проволоки диаметром 0, 1 мм, не растворяющейся в ртути и не вступающей с ней в реакцию.

Ртутные термометры с подвижным контактом обеспечивают настройку системы на любую температуру в диапазоне работы термометра. Внешний вид термометра с подвижным контактом и рисунок, поясняющий его конструкцию показаны на рисунке 3.У термометров с подвижным контактом в баллоне находится металлическая шпилька 3, которая опускается или поднимается винтом 5 при вращении вокруг стеклянного баллона постоянного магнита 7. Электрическое напряжение подводится к шпильке, а с другой стороны к столбику ртути через электрод 2.

Контактные термометры относятся к слаботочным устройствам автоматики. Максимально допустимый ток через контакты составляет десятки миллиампер. Напряжение, прилагаемое к контактам, не должно превышать десятков вольт, а коммутируемая мощность не должна превышать 1 ВА при силе переменного тока 0, 04 А.

Жидкостные датчики просты по устройству, но недолговечны и не обеспечивают необходимой точности в условиях вибраций. Для защиты от повреждений стеклянные термометры помещают в металлические оправы.

Манометрические датчики.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости между температурой и давлением жидкости или газа при постоянном объеме. В манометрических датчиках тепловое изменение объема жидкости или газа (ртуть, ацетон, эфир, спирт, азот, инертные газы, различные смеси и соединения) преобразуется в перемещение специальных мембран, сильфонов или манометрических трубок и пружин, а также других измерительных преобразователей давления. При повышении температуры манометрическая пружина раскручивается, манометрическая трубка разгибается и т.п., тогда как при уменьшении температуры измерительный элемент деформируется или перемещается в противоположном направлении (манометрическая пружина соответственно закручивается и т.д.).

Газовые термосистемы заполняют азотом или другим газом под давлением 1 МПа и выше. Высокое начальное давление в системе обеспечивает необходимую чувствительность измерителя к изменениям температуры окружающей среды и одновременно уменьшает погрешность, связанную с изменением атмосферного давления. Существенный недостаток газовых термосистем — высокая инерционность из-за низкого коэффициента теплоотдачи от термобаллона газу.

Жидкостные термосистемы обладают меньшей инертностью. Поскольку жидкость практически несжимаема, то перемещения измерительного преобразователя определяются только изменением объема жидкости при нагревании, в то время как в газовых термосистемах его перемещение определяется жесткостью упругого элемента. По этой причине относительная погрешность выше в жидкостных термосистемах по сравнению с газовой. Ввиду того что жидкость при тепловом расширении может развивать большое усилие, жидкостные термосистемы применяют в регуляторах температуры прямого действия.

Конденсационные манометрические термосистемы широко применяют в холодильной технике. В этих термосистемах жидкость, имеющая температуру кипения ниже измеряемой, находится в термодинамическом равновесии с насыщенным паром. При повышении температуры среды часть жидкости выкипает и давление в системе растет. И наоборот, с понижением температуры насыщенные пары конденсируются и давление падает. Чувствительность конденсационной термосистемы в 5...10 раз выше, чем газовой. Одним из недостатков конденсационных термосистем является то, что температура измерительного преобразователя должна быть всегда выше температуры термобаллона. Если это условие не выполняется, то насыщенные пары будут конденсироваться на холодной поверхности измерительного преобразователя, вся жидкость в термобаллоне превратится в пар и измеритель температуры потеряет чувствительность.

На рисунке 4 показана схема одного из манометрических датчиков. Датчик состоят из теплоприемника (термобаллона) 1, соединительной капиллярной трубки 2, измерительного элемента (преобразователя), представляющего собой манометрическую трубку и контактов электрической сигнализации достижения предельных значений.

Как уже отмечалось ранее работа термометра основана на зависимости давления заполнителя термосистемы от температуры измеряемой среды. Изменение температуры контролируемой среды воспринимается заполнителем термосистемы через термобаллон 1 и преобразуется в изменение давления, под действием которого манометрическая трубчатая пружина 3 через сектор 4 и трибку 5 перемещает показывающую стрелку 6 относительно циферблата 7.

В качестве датчиков электрического сигнала используются два предельных контакта. Один из них 8 – выдает сигнал минимального значения, другой 9 – максимального значения температуры контролируемой среды. Связь показывающей стрелки и контактов осуществляется посредством передаточного механизма обеспечивающего то, что после срабатывания контакта измеряемая температура может изменяться в том же направлении, которое вызвало срабатывание контакта и при этом его состояние не должно изменяться. Это означает, что если контакт замкнулся, то он должен оставаться замкнутым, в то время как показывающая стрелка должна следить за изменением температуры. Стрелки установки пределов сигнализации 10 и 11 несут на себе два контакта 8 и 9 соответственно. Когда температура достигает заданного с их помощью значения, находящиеся на них контакты срабатывают. Стрелки (указатели) пределов сигнализации устанавливают при помощи регулировочных винтов или специального флажка.

Существенным недостатком датчиков рассматриваемого типа является значительная инерционность, погрешность составляет 1...2, 5%, диапазон измерений ограничивается предельными значениями параметров рабочего тела (например, значениями температуры замерзания и кипения рабочей жидкости).

Термометры сопротивления (термопреобразователи сопротивления).

Термопреобразователи сопротивления применяют в системах, где требуется измерять температуру и дистанционно передавать показания. Принцип работы таких преобразователей основан на свойстве металлов изменять свое сопротивление при изменении температуры. Конструкция одного из термометров сопротивления представлена на рисунке 5. Чувствительные элементы термопреобразователей выполняют из платины (ТСП) или меди (ТСМ). Платиновую или медную проволоку наматывают на каркас. Размеры каркаса в зависимости от конструкции могут быть от 60 до 100 мм. Каркас с чувствительным элементом 9 помещен в корпус защитной арматуры (кожуха) 7, выполненной, как правило, из нержавеющей стали. Провода проходят в изолирующих керамических бусах и подсоединяются к клеммам 5 головки термопреобразователя сопротивления. К линии связи преобразователь подсоединяют через сальниковое уплотнение 2. На технологических трубопроводах преобразователь вставляют в гнездо и укрепляют штуцером 11. Монтажная длина термопреобразователей - от 10 до 3150 мм, диаметр защитной арматуры - от 10 до 300 мм.

Статические характеристики преобразователя стандартизованы (ГОСТ 6651-78) и выражают зависимость сопротивления чувствительного элемента от измеряемой температуры. Характеристика обозначается 1П, 100П, 10М, 100М и т.д. Число (1, 10, 100) обозначает сопротивление чувствительного элемента при 0 ^оС (1, 10, 100 Ом), а буква - материал чувствительного элемента. По точности измерения преобразователи выпускают пять классов, которые обозначают римскими цифрами. Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры в диапазоне от - 260 С до + 1100 ^оС, а медные для измерения температуры в диапазоне от - 200 ^оС до + 200 ^оС. Применение преобразователей ограничено как из-за сравнительно низкой максимальной температуры, так и из-за значительных размеров каркаса чувствительного элемента.

Термоэлектропреобразователи (термопары).

Термоэлектропреобразователи (термопары) применяют для измерения температуры в пределах до 2500 ^оС (ГОСТ 6616-74). Действие термопреобразователя основано на следующем принципе. Если спаять два стержня различных металлов, а затем спаянный (горячий) и свободные (холодные) концы поместить в среды с различными температурами, то между свободными концами стержней возникает разность потенциалов. Свободные концы соединяют с приемником тока и получают электрическую цепь, в которой находится источник ЭДС. Величина термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) в цепи зависит от разности температур, в которые помещены свободные и спаянные концы преобразователя, от свойств металлов или сплавов, из которых изготовлены стержни и составляет единицы милливольт на 100°С. Так, например, термопара хромель-алюмель дает 4, 16 мВ на 100 °С.

В промышленности наибольшее распространение получили преобразователи из следующих сплавов: хромель-копель (ХК), вольфрам-рений (ВР), хромель-алюмель (ХА), платинородий-платина (ПП), платинородий-платинородий (ПР) и другие. В таблице 1 приведены их основные характеристики.

Таблица 1. Характеристики термоэлектропреобразователей (термопар).

Каждый тип термоэлектрического преобразователя (ХК, ХА, ПП, ПР и др.) имеет свою градуировочную характеристику - зависимость между разницей температур горячего и холодного концов и величиной возникающей между ними термо-ЭДС. На рисунке 6 приведены градуировочные характеристики термопар.

Термоэлектропреобразователь (термопара) устроен аналогично термопреобразователю сопротивления (см. рис. 7).

Чувствительный элемент 1 (в увеличенном виде представлен на рисунке 8), помещенный в защитный кожух 4, представляет собой спай термоэлектродов (горячий) конец. Термоэлектроды изготовляют из указанных выше металлов или сплавов. Термоэлектроды выведены через каналы изолирующих бус 3 на клеммы 6 головки 5. К корпусам аппаратов или трубопроводов термопреобразователь крепят штуцерами 11 или фланцами. Сложность применения термоэлектропреобразователей заключается в необходимости стабилизации температуры их свободных (холодных) концов. Если температура холодных концов, т.е. температура окружающего воздуха, будет изменяться, а температура, измеряемая в точке погружения горячего конца, останется неизменной, значения термо-ЭДС тоже будут изменяться. Нечувствительности системы измерения к колебаниям температуры холодных концов достигают путем термостатирования холодных концов термопреобразователя, электрической компенсацией температурных влияний в месте установки термоэлектропреобразователя или или электрической компенсацией влияний в месте установки вторичного прибора. На практике в основном применяют последний способ, при котором соединительную линию между термоэлектропреобразователем и вторичным прибором монтируют специальными компенсационными проводами. Для каждого типа термопреобразователя установлена определенная марка компенсационных проводов. При присоединении холодных концов термоэлектропреобразователя к компенсационным проводам между каждым термоэлектродом и проводом образуется дополнительная термопара. Материалы компенсационных проводов и способ их подключения выбирают такими, чтобы термо-ЭДС каждой дополнительной термопары были равны между собой и были включены встречно. В этом случае суммарная термо-ЭДС будет зависеть только от разности температур горячего конца термопреобразователя и свободных концов компенсационных проводов, подключаемых на вход вторичного прибора. Во вторичном приборе устанавливают устройство, которое автоматически вносит поправку в величине термо-ЭДС в зависимости от температуры, при которой находятся свободные концы компенсационных проводов внутри прибора.

Биметаллический датчик.

Чувствительный элемент термобиметаллического преобразователя изготовлен в виде пластины, сваренной из двух сплавов, обладающих разными коэффициентами температурного расширения (например, инвар-сталь). Если один конец пластины закрепить и нагревать ее, то свободный конец начнет перемещаться в сторону сплава с меньшим коэффициентом расширения (инвара). Причем перемещение свободного конца будет пропорционально изменению температуры. Такие преобразователи широко применяются в конструкциях датчиков температуры и тепловых реле.

Датчик ДТКБ (датчик температуры камерный биметаллический) применяется для позиционного регулирования температуры в помещениях с неагрессивной средой в пределах от —30 до +50° С (см. рис. 9).

Чувствительным элементом является биметаллическая спираль 1, один конец которой укреплен на эксцентрике 3, поворачивающемся с помощью шкалы 2, а на свободном конце укреплен подвижный контакт 5. При изменении температуры окружающей среды спираль разгибается и свободный конец с подвижным контактом размыкает электрическую цепь. Постоянные магниты 4 обеспечивают четкость срабатывания контактов, устраняют вибрацию контактов, а также задают зону нечувствительности датчика. Заданную температуру регулирования устанавливают поворотом шкалы, скрепленной с эксцентриком.

Все элементы регулятора смонтированы на изоляционном основании и закрыты съемной крышкой.

Разрывная мощность контактов регулятора — 50 ВА, зона нечувствительности — от 2 до 8 °С, допустимая погрешность срабатывания на средних отметках шкалы — ±10%, на крайних — ±2, 5%.

Такие датчики широко применяются в автоматических системах управления установками микроклимата.

Реле температурное ТРМ-11 применяется для контроля температуры жидких или газообразных сред. Внешний вид реле представлен на рисунке 10.

рис. 10. Реле температурное ТРМ11.

Реле изготавливаются отрегулированными на температурув диапазоне от 25 до 200 °С через каждые 5 °С. Погрешность срабатывания на любой уставке температур ± 4 °С, дифференциал реле 2-10 °С при скорости изменения температуры рабочей среды не более 0, 5 °С в минуту.

Количество и родконтактов (в скобках указана модификация температурного реле):

· 1 переключающий (ТРМ11-11);

· 1 замыкающий (ТРМ11-10);

· 1 размыкающий (ТРМ11-01).

Номинальное напряжение коммутируемой цепи:

постоянного тока 24— 200 В

переменного тока частоты 50 и 60 Гц 24—220 В

Минимальный ток, коммутируемый контактами 0, 1 А

Длительно допустимый ток контактов не более 2 А

Мощность, коммутируемая контактами, не более:

в цепях постоянного тока при τ = 0, 5•10^-3 с 20 Вт

в цепях переменного тока при cos φ = 0, 4 100 В•А

Максимальная мощность, коммутируемая од­ним контактом в цепи переменного тока при cos φ = 0, 4 250 В•А

Коммутационная износостойкость реле не менее 200000 циклов.

Коммутационная износостойкость одного контакта реле для цепей с мощностью 250 В•А не менее 10000 циклов.

Дилатометрический датчик.

Дилатометрические преобразователи (рис. 11) применяются в конструкции температурных реле типа ТР. Реле представляет собой латунную трубку 1, которую погружают в рабочую среду. Внутри трубки размещены инварные пружины 3 с изолированными от них контактами 4. При нагреве латунная трубка удлиняется больше, чем инварные пружины, так как коэффициент линейного расширения латуни примерно в 10 раз больше, чем инвара.

рис. 11. Температурное реле ТР-200.

В связи с этим зазор между упором 2 и пружинами уменьшается. По достижении заданной температуры упор прижимается к пружинам и дальнейшее повышение температуры вызывает растяжение пружин и размыкание контактов 4. При понижении температуры длина трубки уменьшается, упор 2 перемещается влево, контакты 4 замыкаются. Таким образом, в рассматриваемом реле происходит двукратное преобразование управляемой величины. Вначале тепло преобразуется в перемещение трубки и пружин, а затем перемещение — в электрический сигнал (замыкание или размыкание контактов).

Из-за больших погрешностей и ряда других недостатков биметаллических и дилатометрических термодатчиков область их применения весьма ограничена.