Краткие теоретические сведения. Изучение датчиков для измерения температуры и давления,

Изучение датчиков для измерения температуры и давления,

Исследование характеристик реле давления

 

 

5.1 Цель работы:

 

1 Изучение датчиков для измерения температуры;

2 Изучение датчиков для измерения давления;

3 Изучение устройства и исследование характеристик реле давления.

 

 

Краткие теоретические сведения

 

5.2.1 Датчики температуры. К простейшим датчикам температуры относят устройства, в основу работы которых положено явление теплового расширения газов, жидкостей и твердых материалов. Примером такого типа датчиков может служить жидкостный термометр, который используют как в лабораторных, так и в технических измерениях. К этому же типу относятся термоконтактные, а также манометрические датчики. На рисунке 5.1 приведены в качестве примера ртутный контактный термометр (рисунок 5.1, а) и биметаллический термоконтактный датчик (рисунок 5.1, б).

 

 

а) б)

 

1, 2 – впаянные электроды; 1 – неподвижный электрод;

3 – ртуть; 2 – подвижный электрод

4 – капилляр; (биметаллическая пластина);

3 – корпус;

4 – винт регулировки температуры

срабатывания

 

а – ртутный контактный термометр;

б – биметаллический термоконтактный датчик

 

Рисунок 5.1 – Датчики температуры

При повышении температуры и достижении значения t _cp ртуть в капилляре датчика (рисунок 5.1, а) замыкает цепь двух впаянных в капилляр термометра электродов 1 и 2 (ртуть обладает хорошей электропроводностью).

Датчики такой конструкции обладают высокой точностью и чувствительностью, но имеют ряд недостатков: они хрупки, плохо переносят вибрацию и толчки, устанавливаются только в вертикальном положении. Такие датчики применяются обычно в лабораторных условиях.

В датчике (рисунок 5.1, б) термочувствительным электродом является биметаллическая пластина 2, которая состоит из двух сваренных или спаянных металлических пластинок из металлов с различными коэффициентами теплового расширения (обычно латунной и из железоникелевого сплава). При изменении температуры пластина 2 изгибается и замыкает цепь А - В. Регулировочным винтом 4 можно регулировать положение неподвижного контакта 1, и, тем самым, регулировать температуру срабатывания t _cp датчика. Чувствительность и точность такого датчика несколько ниже, чем у ртутных термоконтактов (рисунок 5.1, а), но они надежнее при эксплуатации в производственных условиях.

Рассмотренные датчики являются двухпозиционными устройствами (имеющими два возможных состояния), они не позволяют получать непрерывную информацию об изменении температуры, фиксируется лишь момент достижения установленного порога.

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. Эти датчики характеризуются значительной инерционностью и высокой погрешностью измерения, достигающей 1 – 2,5 %.

Для непрерывных измерений температуры используются другие типы датчиков, которые осуществляют непрерывное преобразование температуры в сигнал (чаще всего электрический).

К датчикам, получившим наибольшее распространение, могут быть отнесены термопары и терморезисторы.

Термопара (рисунок 5.2, а) представляет собой спай двух разнородных проводников (полупроводников). Принцип работы термопары основан на возникновении электродвижущей силы (термо-э.д.с.) в цепи двух разных металлов при различии температур мест их спая ("горячего конца") и свободных ("холодных") концов.

В межмолекулярном пространстве любого проводника имеются свободные электроны, подвижность и количество которых в единице объема зависит от рода материала и его температуры. В результате, в месте контакта различных металлов начинается взаимное проникновение свободных носителей заряда; более подвижные носители заряда проникают в проводник с меньшей подвижностью носителей, что приводит к появлению на нем отрицательного потенциала, в свою очередь проводник с большей подвижностью приобретает положительный заряд. Между свободными концами проводников появится разность потенциалов – термо-э.д.с.

 

Et = k·(tl-t2)   Величина термо-э.д.с. для термопар (mV/100°C) из   хромель-копеля - - 6.9 хромель-алюмеля - 4.1 медь-константана - 4.29 платинородий-платины - 0.64

 

а)

 

 

б)

а – конструкция;

б – вариант схемы использования

 

Рисунок 5.2 – Термопара

 

Величина термо-э.д.с. Е _t зависит от рода проводников, составля­ющих термопару, и разницы температур "горячего" (t₁) и "холодного" (t₂) спаев. Поэтому при пользовании термопарой необходимо учитывать температуру "холодного" спая. Обычно при использовании термопары (рисунок 5.2, б) "горячий" рабочий спай помещают в среду, температуру которой измеряют, а "холодный" спай помещают в среду с постоянной температурой – термостат. Если в термостате находится тающий лед, то показания милливольтметра будут пропорциональны значению температуры t₁ по шкале Цельсия.

При использовании термопар в производственных условиях учет температуры "холодного" спая производится обычно с помощью специальных устройств, измеряющих внешнюю температуру термометрами сопротивления (см. ниже).

Необходимо отметить, что величина термо-э.д.с. даже для наиболее чувствительных металлических термопар составляет вели­чину 5 – 7 mV/100 °C, что заставляет применять для измерения термо-э.д.с. чувствительные милливольтметры или использовать усилители напряжения.

Для защиты термопары от механических повреждений ее час­то помещают в защитный корпус, но это резко увеличивает инерционность датчика.

Для термоэлектродов используются различные металлы. Так, для темпе­ратур свыше 1000 °С применяют металлы платиновой группы. На­пример, один электрод может быть изготовлен из чистой платины, а другой – из сплава платины с родием. Для измерения температур ниже 1000 °С применяют термопары из неблагородных металлов: хромель-копелевые, хромель-алюмелевые, медь-константановые, железо-константановые термопары.

Принцип работы терморезистора основан на зависимости электропроводности металлов и полупроводников от температуры.

Металлический терморезистор – термометр сопротивления – представляет собой тонкую (0,05 мм) медную, никелевую или платиновую проволоку, намотанную на керамический или слюдяной каркас и помещенную в защитный корпус. Электрическое сопротивление металлических проводников зависит от температуры и определяется из выражения:

 

(5.1)

 

где – сопротивление при 0 °С;

– сопротивление при температуре t;

– температурный коэффициент сопротивления (для меди = 4,28·10^-3 °С ^-1 ; для платины = 3,94·10 ^-3 °С ^-1 ).

Медные термометры сопротивления позволяют измерять температуру в диапазоне -150... +350 °С, платиновые – до +800 °С.

Так как сопротивление датчиков меняется незначительно (0,4 % на °С), то для измерения сопротивления или силы тока в цепи терморезистора необходимо применять высокочувствительные приборы.

На испытательном стенде для измерения температуры воды используется термометр сопротивления, изготовленный из медной проволоки. терморезистор включен в цепь, по которой протекает электрический ток. При изменении сопротивления терморезистора, обусловленном изменением температуры, изменяется и величина тока в цепи, что воспринимается микроамперметром, шкала которого проградуирована в °С.

В устройствах автоматизации тепловых процессов находят применение также полупроводниковые терморезисторы – термисторы. Термисторы обладают, как правило, отрицательным температурным коэффициентом сопротивления , то есть их сопротивление уменьшается с увеличением температуры (это связано с увеличением числа носителей заряда). В отличие от металлических термометров сопротивления у термисторов значительно более узкий диапазон измерения температуры (-100... +200 °С) и значительная нелинейность статической характеристики. Термисторы имеют по сравнению с металлическими термометрами сопротивления примерно в 10 раз более высокую чувствительность. Термисторы изготавливаются из смеси специальных спрессованных оксидов (MgCrO, LiO, ZnTiO и др.).

Несмотря на высокую чувствительность, термисторы редко используются для точных измерений температуры, что обусловлено нелинейной зависимостью их сопротивления от температуры, а также некоторым изменением этой зависимости со временем (старение датчика). Но благодаря малым размерам, а значит и малой тепловой инерции, датчики находят применение в портативных приборах для оперативного контроля температуры.

Кроме описанных выше поликристаллических оксидных термисторов в настоящее время все шире начинают применяться монокристаллические кремниевые полупроводниковые датчики температуры, имеющие линейную характеристику и высокую чувствительность.

5.2.2 Датчики давления. Широкое применение в системах автоматического управления, контроля, защиты, диагностики, измерения находят датчики давления.

Чувствительные элементы датчиков давления выполняют в виде мембран и пружин различной конфигурации. Если датчик давления содержит только первичный преобразователь, то давление преобразуется в перемещение упругого элемента, т.е. выходной величиной первичного преобразователя является перемещение. Так, в мембранном преобразователе (рису- нок 5.3, а) деформация мембраны у пропорциональна давлению р, в сильфонном (рисунок 5.3, 6) – гофрированный тонкостенный стакан изменя­ет свою длину пропорционально давлению; в преобразователе с трубчатой пружиной (рисунок 5.3, в) упругая трубка овального сечения под действием давления выпрямляется, форма ее сечения стремит­ся к круглой, а запаянный конец трубки перемещается.

 

 

а) б) в)

 

а – мембранный первичный преобразователь;

б – сильфонный первичный преобразователь;

в – трубчатый первичный преобразователь

 

Рисунок 5.3 – Схемы первичных преобразователей датчиков давления

 

Датчики давления могут быть снабжены вторичными преобразователями различных типов: реостатным, контактным, электро­тепловым. На их выходе формируется электрический информационный сигнал. Вторичным преобразователем может быть и указатель давления, используемый в обычных приборах контроля давления – пружинных манометрах, получивших очень широкое распространение (рисунок 5.4).

 

Рисунок 5.4 – Пружинный манометр

 

чувствительным элементом пружинного манометра является трубчатая пружина 2. Пружина открытым концом жестко соединена с держателем 7, укрепленным в цилиндрическом корпусе 1 манометра. Держатель имеет штуцер 8, предназначенный для соединения манометра с линией гидросети или пневмосети. Свободный конец трубчатой пружины закрыт пробкой с шарнирной осью и запаян. При помощи тяги 6 он связан с передаточным механизмом, состоящим из зубчатого сектора 5, находящегося в зацеплении с зубчатым колесом 4. Рядом с зубчатым колесом расположена спиральная пружина (волосок) 3, один конец которой соединен с зубчатым колесом, а другой закреплен неподвижно на стойке, поддерживающей передаточный механизм. Волосок постоянно прижимает зубчатое колесо к одной стороне зубцов сектора 5, благодаря чему устраняется мертвый ход в зубчатом зацеплении передаточного механизма. Отсчетное устройство манометра состоит из шкалы 10 и стрелки 9.

Принцип действия пружинного манометра заключается в следующем. При подводе к штуцеру манометра рабочей среды под давлением в результате деформации стенок трубчатой пружины ее свободный конец перемещается пропорционально давлению. Это перемещение при помощи тяги и передаточного механизма передается стрелке. Таким образом, выходным сигналом манометра является показание, отсчитываемое по шкале.

Важнейшей характеристикой манометра является класс точности (указывается на циферблате). Промышленные манометры бывают следующих классов точности: 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Допустимую погрешность измерения давления манометром определяют из следующего выражения:

 

(5.2)

 

где К – класс точности манометра;

П – верхний предел измерения давления.

Таким образом, чем меньше число, указывающее класс точности, тем точнее манометр.

Датчики давления, имеющие вторичные преобразователи контактного типа, по сути, являются реле давления. Под реле давления обычно понимают устройства, выдающие информацию или в виде механического перемещения выходного звена или в виде электрического сигнала при достижении в гидролинии заданного давления. Обычно реле давления выполняют в виде устройства, содержащего миниатюрный гидродвигатель с поступательным движением ведомого звена (гидроцилиндр, мембрана или сильфон), который в одну сторону перемещается под действием давления жидкости или газа, а в другую возвращается под действием возвратной пружины. Ведомое звено гидродвигателя очень часто управляет электрическими контактами.

На рисунке 5.5 показана схема реле давления, используемого на стенде для управления электродвигателем насосной установки.

 

 

Рисунок 5.5 – Схема реле давления

 

Реле давления имеет постоянно замкнутые контакты 1. При увеличении давления р до давления, равного верхнему порогу срабатывания р_верх, диафрагма 2 перемещается вправо, сжимая пружину 3, и размыкает контакты 1, установленные в цепи управления электродвигателем, что приводит к отключению насосной установки. Воздействие от диафрагмы на пружину 3 и контакты 1 передается через толкатель 4 и упор 5, закрепленный на толкателе. При уменьшении давления р диафрагма 2 с толкателем 4 под действием пружины 3 перемещаются влево, однако это не приводит к замыканию контактов 1 до тех пор, пока давление р не достигнет нижнего значения р_ниж (при этом упор 6, воздействуя на верхнюю рычажную систему 7, замкнет контакты 1, что приведет к включению насосной установки).

При воздействии на винт 8 и изменении усилия пружины 3 изменяется р_верх – давление, при котором отключается насосная установка. При воздействии на винт 9 и перемещении упора 10 изменяется р_ниж – давление, при котором включается насосная установка. Причем, при уменьшении размера а снижается р_ниж.