КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Датчики температуры
Вводная часть Одним из важнейших параметров в практике автоматизации технологических процессов является температура. Температура, как параметр, непосредственно характеризует такие процессы, как: сушка строительных материалов, тепловлажностная обработка ж/бетонных изделий, прогрев и разогрев бетона в технологии бетонных работ, обжиг керамических изделий, термическое преднапряжение арматуры и др. Кроме этого, температура может являться косвенной, промежуточной характеристикой, позволяющей определять другие параметры процессов. Например, используя измерения температуры можно оценивать расход (скорость движения) жидкостей и газов, мощность различных видов излучения, скорость протекания химических процессов, в частности, - скорость твердения бетона, а также влажность воздуха, химический состав, давление газов и т.д. Очевидно, что насколько точно и оперативно будет обеспечено измерение температуры в ходе таких технологических процессов, настолько эффективным будет и управление процессами. С позиций теории автоматического управления, процесс управления каким либо объектом, а под термином "объект управления" может пониматься технологическое оборудование, различные агрегаты, станки, машины и т.д., заключается в постоянном обмене информацией между объектом управления (ОУ) и управляющим устройством (УУ), (рис. 5.1). Функциями управляющего устройства являются: а) Восприятие (измерение) параметров ОУ. б) Переработка полученных данных об объекте управления по определенному алгоритму, позволяющему выявить характерные, наиболее важные признаки текущего состояния ОУ, (а также прогнозировать будущее состояние ОУ).
в) Формирование воздействия на ОУ, приводящего его в желаемое состояние. Рис. 5.1. Схема управления объектом: Стрелками показаны потоки сигналов (информации) между ОУ УУ Измерение параметров объектов управления осуществляется с помощью специальных элементов — ДАТЧИКОВ, или, как их еще называют - первичных преобразователей. Функцией датчика является преобразование воспринимаемого параметра в другую физическую величину — сигнал; который, в дальнейшем, будет обрабатываться в УУ. Т.о. датчик можно рассматривать в виде (рис. 5.2). Рис. 5.2. Условное графическое обозначение преобразователя сигнала: Р - измеряемый параметр (входной сигнал); [Р] - сигнал датчика (выходной сигнал). Часто выходным сигналом [Р] является электрическая величина: - ток, напряжение, сопротивление и т.д., это удобно для передачи сигнала на расстояние, усиления и дальнейшей его обработки. К основным характеристикам датчиков относятся: а) Коэффициент преобразования (чувствительность) S S=[∆P]/ ∆P б) Инерционность датчика. Она может оценивается временем запаздывания Т3, на которое изменения выходного сигнала [Р] отстают от соответствующих изменений входного параметра Р. Инерционность характеризует динамические свойства датчика. Чем меньше Т3, тем точнее датчик позволяет измерять быстроизменяющиеся значения параметра. Снижение инерционности датчиков является желательным, но, зачастую, представляет сложную в решении техническую задачу.
К простейшим датчикам температуры относятся конструкции, 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 датчики. На рис. 5.3. приведены в качестве примера ртутный контактный термометр (рис.5.3.а) и биметаллический термоконтактный датчик (рис. 5.3.б).
Рис. 5.3. Датчики температуры. При повышении температуры и достижении значения tcp, ртуть в капилляре датчика (рис. 5.3.а) замыкает цепь двух впаянных в капилляр термометра электродов 1,2. Датчики такой конструкции обладают хорошей точностью и чувствительностью, но имеют ряд недостатков: они хрупки, плохо переносят вибрацию и толчки, устанавливаются только в вертикальном положении. (При отклонении от вертикали на 90°и более, появляется вероятность разрыва ртутного столбика в капилляре). Такие датчики применяются обычно в лабораторных условиях. В датчике (рис. 5.3.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 tср. датчика. С целью повышения чувствительности датчика увеличивают длину биметаллической пластины (часто сворачивают ее в спираль). Такой датчик может быть как замыкающим, так и размыкающим цепь при превышении установленного порога температуры. Чувствительность и точность датчика (рис. 5.З.б) несколько ниже, чем у ртутных термоконтактов (рис. 5.3.а), но они надежнее при эксплуатации в производственных условиях. Обычно их применяют там, где главным требованием является не точность измерения температуры, а простота в обслуживании и надежность в работе; в частности, их используют в качестве датчиков в системе пожарной сигнализации в зданиях, в качестве чувствительных элементов в автоматических стабилизаторах температуры и др. Термоконтактные датчики используются для поддержания постоянной заданной температуры, например, при разогреве бетонной смеси перед ее укладкой; прогреве уложенной бетонной смеси, а также в специальной греющей опалубке. На рис. 5.4 приведен пример использования датчика при электродном прогреве бетонной смеси. (В схеме задействован размыкающийся термоконтакт). С помощью погруженных в бетонную массу электродов Э пропускается переменный электрический ток, вызывающий выделение тепла и нагрев бетона. Погруженный термоконтактный датчик Т^, а во многих случаях он располагается на поверхности, "плавает", изменяет состояние своей цепи, в зависимости от фактического значения температуры. Реле, катушка электромагнита которого К1 запитывается через термоконтакт, управляет контактом К1.1 подачей рабочего напряжения на первичную обмотку понижающего трансформатора ТР 1.
Необходимость применения понижающего трансформатора диктуется разными причинами, и в первую очередь требованиями техники безопасности. Но кроме этой причины есть и другая: пониженное напряжение питания электродов позволяет располагать их ближе друг к другу, что обеспечивает более равномерное температурное поле прогрева бетона. Следует иметь в виду, что тепловыделяющими элементами являются не электроды, а бетонная масса, по которой протекает ток.
Рис.5.4. Термоконтактный стабилизатор температуры при электропрогреве бетона: ТД- термоконтактный регулятор (термоконтакт); Э - электроды;ТР1 – понижающий трансформаторю. Рассмотренная схема обеспечивает автоматическое поддержание постоянного значения температуры бетона, независимо от проявления различных дестабилизирующих факторов: непостоянства величины тока через электроды (из-за изменения проводимости бетона, колебаний величины напряжения сети и др.), выделения бетоном тепла экзотермии, непостоянства условий теплообмена бетона с внешней средой и т.д. Рассмотренные датчики являются двухпозиционными устройствами (имеющими два возможных состояния), они не позволяют получать непрерывную информацию об изменении температуры, фиксируется лишь момент достижения установленного порога. Для непрерывных измерений температуры используются другие типы датчиков, которые осуществляют непрерывное преобразование температуры в сигнал.
К датчикам, получившим наибольшее распространение, могут быть отнесены ТЕРМОПАРЫ и ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ. Термопара, рис. 60а, 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. Величина термо-э.д.с. зависит от рода проводников составляющих термопару и разницы температур "горячего" и "холодного" спаев. Поэтому при пользовании термопарой необходимо учитывать температуру "холодного" спая. Обычно, при использовании термопары (рис.5.5.б), горячий рабочий спай 1 помещают в среду, температуру которой измеряют, 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).
Рис.5.5. Термопара: а – конструкция; б – вариант схемы использования Необходимо отметить, что величина термо-э.д.с. даже для наиболее чувствительных металлических термопар составляет величину 5-7 mV/°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 эта мера резко увеличивает инерционность датчика. В бескорпусном исполнении термопары используются в практике лабораторных измерений в случаях, когда необходимо контролировать быстрые изменения температуры. Для термо-электродов используются различные металлы в зависимости от измеряемого диапазона температур. 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-колелевые, 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 в соответствии с выражением: Rt = Ro × (1 + α × t), где Ro - сопротивление при 0°С; α - температурный коэффициент сопротивления: для меди αCu=4,28х10-3, 1/°С; 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 необходимо применять точные и высокочувствительные омметры. Чаще всего в роли измерительных устройств используют измерительные мосты сопротивления, в которых сопротивление датчика сравнивается с установленным в мосте регулируемым эталонным сопротивлением (см. рис.5.6). Через оба сопротивления Rt и Rv пропускаются токи i1 и i2, величины которых определяются вспомогательными сопротивлениями rl и г2. Их величины на несколько порядков больше сопротивлений Rt и Rv; поэтому токи i1 и i2 постоянны и не зависят от значений Rt и Rv. Напряжения на этих сопротивлениях будут в соответствии с законом Ома определяться выражениями: URt=Rt×i1; URv= Rv ×i2. Очевидно, что при il=i2, равенство напряжений будет при равенстве сопротивлений Rt и Rv. Если сопротивления Rt и Rv различны, то через гальванометр будет протекать ток. Регулируя величину сопротивления Rv, добиваются нулевых показаний гальванометра, значение измеряемого сопротивления Rt считывается по калиброванной шкале эталонного сопротивления Rv. Рис.5.6. Схема измерительного мостя сопротивления: Rt - сопротивление датчика; Rv - регулируемое эталонное сопротивление; г1, г2 - балластные сопротивления С целью повышения чувствительности измерительной схемы можно увеличивать токи i1, i2. Но, с другой стороны, прохождение измерительного тока через датчик Rt будет вызывать его нагрев, что приведет к ошибке измерения. Эта, так называемая, погрешность самопрогрева зависит от подводимой электрической мощности Р, (Р = i2×Rt), и условий теплообмена датчика с окружающей средой. Для количественной оценки погрешности самопрогрева вводится коэффициент самопрогрева Ек, который связан с подводимой мощностью и температурой среды соотношением:
∆t = t1 – t2 = P / Ek где tl и t2 - значения температуры датчика при наличии и отсутствии измерительного тока; Р - подводимая мощность (в милливаттах); Ек - коэффициент самопрогрева (мвт/°С). Коэффициент самопрогрева необходимо учитывать при точных измерениях температуры (при допустимой погрешности измерения меньше 0,5°С). В устройствах автоматизации тепловых процессов находят применение также полупроводниковые терморезисторы - ТЕРМИСТОРЫ. Термисторы обладают, как правило, отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), т.е. их сопротивление уменьшается при повышении температуры (это связано с увеличением числа носителей заряда). Значительно реже встречаются термисторы с положительным ТКС. В отличие от металлических термометров сопротивления, у термисторов значительно более узкий диапазон измерения температуры (-100..+200°С), и значительная нелинейность статической характеристики. Приближенно статическая характеристика термистора (зависимость сопротивления датчика от температуры) может быть описана экспоненциальной функцией: Rt = Ro × eB×t где Rt и Ro - сопротивление датчика при температурах t и 0°С; В — константа материала термистора. ТКС большинства термисторов составляет 3 - 7 % 1/°С, что примерно в 10 раз больше, чем у металлических терморезисторов. Термисторы изготавливаются из смеси специальных спрессованных оксидов (MgCrO; LiO; Zn TiO и др.). Несмотря на высокую чувствительность (ТКС), термисторы редко используются для точных измерений температуры, основными причинами являются: нелинейная зависимость их сопротивления от температуры и некоторое изменение 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 применяются монокристаллические кремниевые полупроводниковые датчики температуры, в частности, датчики на основе прямосмещенного полупроводникового перехода. У таких датчиков связь между температурой и падением напряжения на переходе обладает высокой линейностью и крутизной. Кроме этих, существуют конструкции полупроводниковых датчиков температуры, объединяющие чувствительный элемент и устройства усиления и обработки сигнала, вплоть до выдачи информации о температуре в виде цифрового кода. Это способствует унификации систем управления и контроля температуры и значительно упрощает их конструирование и настройку.
Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 56; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |