Первичный преобразователь. Основные характеристики датчика. Требования к датчикам

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ДАТЧИКИ

Классификация измерительной аппаратуры и датчиков

Приборы и средства автоматизации – это большая группа устройств, с помощью которых осуществляется измерение, регулирование, управление и сигнализация технологических процессов различных производств.

Подразделяют:

- измерительные и преобразующие приборы;

- регулирующие органы;

- исполнительные механизмы.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Показывающие приборы указывают значение измеряемой величины в данный момент времени. Отсчет ведется по положению стрелки относительно шкалы прибора.

Регистрирующие приборы осуществляют регистрацию показаний. В свою очередь, регистрирующие приборы делят на самопишущие (показания записываются в форме диаграммы) и печатающие (показания печатаются в цифровой форме).

По виду показаний измерительные приборы делят на аналоговые (непрерывные), в которых показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины, и цифровые (дискретные), в которых автоматически вырабатываются дискретные (прерывистые) сигналы измерительной информации, а показания будут представлены в цифровой форме.

По способу построения измерительной схемы различают приборы прямого действия, сравнения и автоматической компенсации.

Классы точности

Класс точности - это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осуществляемых с их помощью измерений. Классы точности регламентируются стандартами на отдель­ные виды средств измерения с использованием метрологических характеристик и способов их нормирования.

Средство измерения, вырабатывающее сигнал в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не позволяющее наблюдателю осуществить непосредственное восприятие, называют измерительным преобразователем.

Измерительные преобразователи являются составными частями приборов и измерительных систем. По месту, занимаемому в приборе, они бывают первичные, промежуточные и передающие.

Первичный измерительный преобразователь «датчик» – измерительный преобразователь, к которому подводится измеряемая величина (среда); он установлен в измерительной цепи первым. Примерами первичных измерительных преобразователей могут служить: преобразователь термоэлектрический (термопара), сужающее устройство для измерения расхода.

Промежуточным измерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем) называется элемент измерительного устройства, занимающий в измерительной цепи место после первичного преобразователя. Основное назначение промежуточного преобразователя – преобразование выходного сигнала первичного преобразователя в форму, удобную для последующего преобразования в сигнал измерительной информации для дистанционной передачи. Примером промежуточного измерительного преобразователя может служить мембранный блок дифманометра – расходомера. В измерительной цепи измерения расхода он занимает место непосредственно после сужающего устройства и преобразует перепад давления на сужающем устройстве в соответствующее перемещение мембраны мембранного блока и связанной с нею механической системой прибора.

Передающим измерительным преобразователем (или сокращенно передающим преобразователем) называется элемент измерительного устройства, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации.

В последнее время в связи с применением в измерительной технике различных ЭВМ и микропроцессоров получают распространение аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Первые – служат для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, изменяющиеся дискретно во времени с постоянным шагом; вторые – для преобразования дискретных по времени сигналов в аналоговые..

Чувствительный элемент – элемент измерительного преобразователя, находящийся под непосредственным воздействием измеряемой или регулируемой величины. В промышленных условиях в качестве чувствительных элементов применяют плоские и гофрированные упругие мембраны, гармониковые мембраны (сильфоны), трубчатые пружины, поплавки, биметаллические пластины и другое.

Условно измерительный прибор конструктивно можно разделить на три самостоятельных узла: датчик, измерительное устройство и указатель (или регистратор), которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяться между собой кабелем или другой линией связи, которым передаются результаты измерений от преобразователя ко вторичному прибору (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Простейшая функциональная схема измерительного прибора

Главным элементом измерительного прибора является первичный измерительный преобразователь или датчик. Вторичные приборы применяют для передачи, обработки, хранения информации. Один и тот же вторичный прибор может использоваться для контроля нескольких параметров.

Основным показателем датчика, характеризующим его статическую точность, является чувствительность, под которой понимают отношение изменения выходной величины Y, или его приращения Δ Y к соответствующему изменению входной величины X, или Δ X:

.

Порог чувствительности или разрешающая способность – наименьшее изменение входной величины , способное вызывать реакцию датчика. Важную роль играет мощность входного и выходного сигналов.

Чувствительность датчика зависит от вида его статической характеристики, которой является аналитически или графически выраженная зависимость выходной величины от входной. Желательно, чтобы характеристика была линейной, непрерывной и не имела гестерезиса (с однозначным выходным сигналом). У датчиков с линейной характеристикой чувствительность постоянна во всем диапазоне измерений, что дает возможность делать шкалу прибора равномерной.

Большое значение имеет динамическая характеристика датчика – зависимость выходного от входного сигнала во времени, особенно при изменениях в нестационарных условиях. Важнейшей динамической характеристикой является инерционность датчика. Об инерционности датчика судят по динамической постоянной Т_Z и времени запаздывания τ.

Нормальными условиями эксплуатации принято считать:

− температуру внешней среды – 20 5 ^○С,

− атмосферное давление – 760 20 мм.рт.ст.,

− влажность – 60 20 %,

− отсутствие вибрации, электрических и магнитных полей.

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Приборы для измерения температуры вещества основаны на изменении его свойств при изменении температуры и классифицируются:

1. По изменению объёма тела - термометры расширения;

2. По изменению линейного размера - дилатометры;

3. По изменению давления рабочего вещества в замкнутой камере - манометрические термометры.

4. По изменению электрического сопротивления:термометры сопротивления:

(термометры из благородных металлов - платины; из неблагородных металлов и полупроводниковые термометры (термисторы).

5. Основанные на явлении термоэффекта - термопары.

6. Использующие оптические свойства вещества - оптические термометры или пирометры:

• радиационные пирометры;

• яркостные пирометры;

• цветовые пирометры.

7. Использующие прочие свойства вещества:

• шумовые термометры, использующие зависимость уровня шума от температуры (для измерения низких температур);

• резонансные термометры, использующие зависимость резо­нансной частоты от температуры;

В таблице приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и их диапазоны измерения.

Используемый физический эффект	Наименование устройства	Пределы длительного измерения температуры, °С
Нижний	Верхний
Тепловое расширение	Жидкостные стеклянные термометры	- 200
Дилатометрические термометры	- 150
Биметаллические термометры	- 150
Изменение давления	манометрические термометры	- 160
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления	- 260
Термоэлектрические эффекты	Термоэлектрические термометры	-50
Тепловое излучение	Оптические пирометры
Радиационные пирометры	- 20
Фотоэлектрические пирометры
Цветовые пирометры

Тепловизор – прибор для регистрации тепловых полей.

Жидкостные термометры. Измерение температуры жидкостными термометрами различии коэффициентов объемного расширения материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в ней. Оболочка термометров изготовляется из специальных термометрических сортов стекла с малым коэффициентом расширения расширения основано на

Дилатометрические термометры. Принцип действия стержневого дилатометрического термометра основан на использовании разности удлинений трубки 1 и стержня 2 при нагревании вследствие различия коэффициентов их линейного расширения. Движение стержня передается стрелке прибора с помощью механической передачи 3.

Стержневой дилатометрический термометр

Биметаллические термометры. Чувствительный элемент термометра (рис. 3.2) выполнен в виде спиральной или плоской пружины, состоящей из двух пластин из разных металлов, сваренных по всей длине. Внутренняя пластина имеет больший коэффициент линейного расширения, чем внешняя, поэтому при нагревании такая

3.2. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Действие манометрических термометров основано на свойстве изменения давления вещества в замкнутом объёме под действием температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды - металлического термобаллона 1, рабочего манометра 2 для измерения давления в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды дав ление в системе изменяется, в результате чего изменившееся давление заставляет перемещаться стрелку по шкале манометра, отградуированного в градусах Цельсия.

Манометрические термометры подразделяют на три основные разновидности:

• жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жид­костью;

• конденсационные, в которых термобаллон заполнен частич­но жидкостью с низкой температурой кипения и частично - её насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр -насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной переда­точной жидкостью;

• газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

Термоэлектрические термометры. Данные измерительные устройства состоят из термоэлектрического преобразователя температуры – термопары, электроизмерительного прибора и соединительных проводов. В основе: термоэлектрический эффект, который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если места соединения (спая) нагреты до разной температуры. Цепь, состоящая из двух разнородных проводников, образующих

Защитная арматура термоэлектрического преобразователя температуры

Для образования термопары обычно используют сплавы металлов А и В:

1. Хромель - алюмель.

2. Хромель - копель.

3. Железо - копель.

Хромель - сплав никеля и хрома.

Копель - сплав меди и никеля.

Дата добавления: 2014-01-07