9372

31

где R0 – сопротивление датчика при t = 0ºC;

k – коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи); t – температура, ºC.

R, Ом

t, ºC

Рис. 2.2. Статическая характеристика металлического терморезистора

Зависимость выходной величины датчика (сопротивление R) от входной величины (t, ºC) называют статической характеристикой.

Достоинство терморезисторов из металлов – линейность статической характеристики, возможность применения в линейных регуляторах (П, И, ПИ, ПИД), сравнительно простая конструкция. Минус датчика – большие размеры и небольшое приращение сопротивления при изменении температуры среды на один градус.

Терморезистор может быть выполнен из полупроводникового материала. В этом случае его статическая характеристика нелинейная, с повышением температуры сопротивление полупроводникового терморезистора уменьша-

t, ºC

Рис. 2.3. Статическая характеристика полупроводникового терморезистора

Такую характеристику с некоторым приближением можно представить экспонентой

R Ae kt ,

где A и k – коэффициенты, учитывающие конструктивные размеры и материал терморезистора;

e = 2,72 – основание натуральных логарифмов.

Полупроводниковые терморезисторы имеют малые размеры (например, это диск диаметром 10 – 12 мм, толщиной 1,5 – 2 мм или цилиндр диаметром 2,5 – 3 мм длиной 10 – 12 мм с выводом для монтажа). Полупроводниковый терморезистор – это изделие электронной промышленности и применяется для термокомпенсации в электрических цепях различной аппаратуры.

32

В системах ТГВ терморезисторы применяются как датчики регуляторов для объектов, где не требуется высокая точность регулирования температуры, например в зерно- и овощехранилищах.

Достоинством датчика является его высокая чувствительность (большое изменение сопротивления на один градус температуры), поэтому терморезистор как датчик применяют для контроля температуры, например сильно нагруженных подшипников скольжения в насосах большой производительности в тепловых сетях.

Термопары (по-другому – термоэлектрические термометры, термоэлектрические преобразователи) часто применяются как датчики температуры. Диапазон измерения температуры от – 200ºC до +2200ºC.

Как известно из курса физики, термопара представляет собой спай двух разнородных материалов, изготовленных в виде проволоки или тонкой пластины (рис. 2.4).

Спай

+

Провод или пластина

Рис. 2.4. Схематическое изображение термопары

Если термопару поместить в объект, где необходимо измерить температуру, то на еѐ электродах появляется напряжение постоянного тока, прямо пропорционально зависящее от температуры среды.

Термоэлектрический эффект был открыт в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком, профессором Берлинского университета.

Почти все металлы и их сплавы в различном сочетании обладают термоэлектрическим эффектом, но для практического использования пригодны лишь те, у которых на выходе напряжение генерируется в пределах от 0 до 500 микровольт, или от 0 до 1000 микровольт, или от 0 до 50 милливольт в измеряемом диапазоне температуры. Кроме того, для температуры выше 600ºC материал термопары должен быть тугоплавким.

В результате исследований найдены эффективные ряды сочетаний металлов и их сплавов для изготовления термопар.

Например, для измерения температуры до + 2200ºC применяется термопара, у которой один электрод выполнен из вольфрама, второй – из сплава вольфрама и рения. Такую термопару называют «вольфрамовольфраморениевая термопара».

Для термопар широко применяют сплавы: алюмель (94 % Ni, 2 % Al, 2,5 % Mn), хромель (89 % Ni, 9,8 % Cr, 1 % Fe), копель (55 % Cu, 45 % Ni), ме-

таллы-платина, родий и их сплавы, а также другие металлы и их сплавы. Хромель-алюмелевые термопары применяют для измерения температуры в

33

диапазоне от – 50ºC до + 1000ºC. Платинородий-платинородиевые термопары применяют для измерения температуры длительно до 1600ºC.

Статическая характеристика термопары – это зависимость напряжения на выходе от температуры объекта измерения (рис. 2.5) и может быть представлена выражением

u kt , ºC,

где u – напряжение на выходе;

k – коэффициент пропорциональности; t, ºC – температура.

u,( B или мВ)

t, ºC

Рис. 2.5. Статическая характеристика термопары

Диапазон измеряемых температур с помощью термопар очень широкий (от – 200ºC до + 2200ºC), но это не значит, что измерение во всѐм диапазоне можно выполнить одной термопарой (одной конструкции). Для каждого поддиапазона температуры (иногда очень узкого), подбираются соответствующие материалы и сплавы для термопары, на заводе-изготовителе термопары калибруются (как и терморезистор из металла) для соответствующей шкалы измерительного прибора.

Конструктивно выполнена термопара также как терморезистор из металла, их корпус может быть унифицирован. Различие состоит в намотке проводов-электродов на изоляторе (см. рис. 2.1): в термопаре два разнородных проводника наматываются параллельно в один слой.

Всистемах ПСМ применяют в отдельных случаях дилатометрические датчики температуры (dilato – расширяю).

Вэтих датчиках используется эффект линейного расширения стержня из чистого металла или сплава при изменении температуры окружающей среды. Температурный диапазон применения датчика составляет – 50ºC … + 150ºC,

его схематическая конструкция представлена на рис. 2.6.

Коэффициент линейного расширения инвара составляет 4,05·10-6 м/ºC (близок к стеклу), а коэффициент линейного расширения латуни 17,8·10-6 м/ºC, поэтому, например, при нагревании латунная трубка увеличивает свои линейные размеры, а инваровый стержень свои размеры почти не изменяет. Латунная трубка левым концом закреплена; инваровый стержень правым концом припаян к донышку трубки, а другим концом связан с электрическим контактом. Под воздействием температуры трубка изменяет свои линейные

34

размеры и перемещает стержень, который замыкает или размыкает электрический контакт.

В схему управления

Рис. 2.6. Схематическая конструкция дилатометрического датчика

Особенность такого датчика в том, что при замыкании или размыкании контакта в цепи управления включается или выключается управляющее напряжение. В результате статическая характеристика дилатометрического датчика нелинейная, еѐ также называют характеристикой релейного типа

(рис. 2.7).

Замыкание или размыкание контакта датчика наблюдается при вполне определѐнной температуре t1.

u

Рис. 2.7. Статическая характеристика дилатометрического датчика

Достоинство дилатометрических датчиков – сравнительно простая конструкция, а также возможность включения последующих устройств после датчика без усиления сигнала управления (например, возможность непосредственного включения исполнительного механизма).

Дилатометрический чувствительный элемент может быть не только стержневого типа, но и пластинчатого. В этом случае пластина представляет собой двухслойную конструкцию (две пластины соединены контактной свар-

35

кой): из инвара и латуни или стали. Из-за разности коэффициентов линейного расширения пластина при увеличении температуры изгибается и выполняет то или иное действие, например, размыкает электрический контакт (рис.

2.8).

Инвар

Электрический контакт

Латунь

Рис. 2.8. Схематическая конструкция пластинчатого дилатометрического датчика

При остывании контакт вновь замыкается, в результате может быть выработан первичный сигнал управления в виде электрического напряжения.

Пластинчатые дилатометрические датчики применяют, например, для контроля нижнего значения температуры в приточной камере, чтобы предотвратить замораживание калорифера.

Приведѐм ещѐ одну разновидность датчика для измерения температуры.

Он называется манометрический датчик температуры (чаще его называют термореле).

Принцип действия датчика основан на объѐмном расширении газа при измерении температуры. Датчик состоит из термобаллона и сильфона, соединѐнных капиллярной трубкой (рис. 2.9).

Сильфон

Капиллярная трубка

Объект контроля

Рис. 2.9. Схематическая конструкция манометрического датчика температуры

Внутри объѐм термобаллона, капиллярной трубки и сильфона заполнен газом, например фреоном или легкорасширяющейся жидкостью. Поскольку газ или жидкость находятся в замкнутом объѐме, то при увеличении температуры в объекте контроля давление в замкнутом объѐме увеличивается, сильфон растягивается и замыкает электрический контакт в системе управления.

36

Применяется такой датчик в регуляторах температуры холодильных установок, кондиционеров, тепловых сетей.

Статическая характеристика манометрического датчика температуры скачкообразная, релейная, как у дилатометрического датчика температуры.

Диапазон измеряемых температур – от – 50ºC до + 100ºC.

2.2.3. Датчики для измерения давления

Промышленным датчиком для измерения давления жидкостей или газов в трубах, сосудах является манометр электрический бесшкальный.

Такой датчик имеет выходное электрическое напряжение uвых , пропор-

циональное измеряемому давлению P.

uвых k p ,

где k – коэффициент пропорциональности.

Схематическая конструкция датчика представлена на рис. 2.10. Перемещение измерительной мембраны под действием измеряющего

давления P в трубе или сосуде передаѐтся через тягу или шток на стальной сердечник дифференциально-трансформаторного преобразователя (рис.

2.11).

Дифференциально-трансформаторный преобразователь состоит из трѐх обмоток – сетевой или первичной 1 и двух вторичных 2 и 3. Между обмотками находится сердечник 4, получающий перемещение под действием элементов, перемещение которых в свою очередь необходимо измерять. Принцип действия датчика следующий. Если сердечник 4 занимает симметричное положение (среднее) относительно вторичных обмоток 2 и 3, то в них наводятся, как в трансформаторе, равные амплитуды напряжения u1 и u2 , фазы этих

напряжений противоположны (рис. 2.11б), при сложении напряжений u1 и u2 суммарное выходное напряжение uвых равно нулю.

37

Подвижный стальной сердечник

38

При перемещении сердечника, например вниз (давление уменьшилось), напряжение u2 становится по амплитуде больше напряжения u1 и их алгеб-

раическая сумма равна напряжению выхода uвых . Амплитуда напряжения на

выходе датчика пропорциональна перемещению сердечника, а фаза напряжения характеризует направление перемещения относительно среднего положения. Это значит, что таким датчиком можно измерять как избыточное давление, так и разрежение (например, в топке котла).

В качестве датчика давления может применяться электроконтактный манометр. Это шкальное устройство с переставным электрическим контактом или двумя контактами, например для регулирования давления по верхнему и нижнему значению. При достижении стрелки электрического контакта этот контакт замыкается или размыкается, и в результате включается исполнительное устройство. Электроконтактные манометры широко применяются для автоматизации систем теплоснабжения.

2.2.4. Датчики для измерения расхода

Датчики и методы измерения расхода жидкостей или газов подробно исследованы и освещены в литературе [6] и отличаются большим разнообразием.

Для систем ПСМ имеет смысл рассмотреть датчики и метод измерения расхода по переменному перепаду давления, по постоянному перепаду давления и датчики индукционных расходомеров, т.к. все они наиболее часто применяются, особенно первый.

Для датчика расхода, работающего по переменному перепаду давления, в трубе необходимо установить сужающее устройство. Схема такого датчика представлена на рис. 2.12.

В этом случае измеренный расход Q по переменному перепаду давления можно представить зависимостью:

Q kF0 2 P1 P2 , м3/с

где k – коэффициент пропорциональности; F0 – площадь сужающего устройства;

P1 P2 P – перепад давления;– плотность жидкости.

Перемещение измерительной мембраны зависит от величины P , а величина P функционально отражает изменение расхода, поэтому напряжение uвых на выходе дифференциально-трансформаторного преобразователя

зависит от расхода Q:

uвых K1 Q

где K1 – коэффициент пропорциональности.

39

Подвижный сердечник

Дифференциально-трансформаторный преобразователь

Рис. 2.12. Схематическая конструкция электрического бесшкального дифференциального манометра

Устройство, представленное на рис. 2.12, называют электрическим бес-

шкальным дифференциальным манометром.

Совместно с электронным вторичным прибором группы КСД он применяется для измерения расхода жидкостей, газов не только в системах ПСМ , но и в системах водоснабжения и других, отличается высокой надѐжностью и достаточной для практических целей точностью измерения, сечение трубопроводов при этом не ограничивается.

К устройствам, измеряющим расход по принципу постоянного перепада давления, можно отнести ротаметры и тахометрические расходомеры.

Схема ротаметра с электрическим выходным сигналом представлена на рис. 2.13.

Принцип действия ротаметра подробно освещѐн в литературе [6]. Отметим лишь, что перемещение поплавка ротаметра функционально зависит от расхода жидкости или газа.

А поскольку подвижный сердечник дифференциальнотрансформаторного преобразователя соединѐн тягой (штоком) с поплавком, то выходное напряжение пропорционально расходу:

KQ ,

где K – коэффициент пропорциональности; Q – расход жидкости или газа.

40

Подвижный

сердечник

Дифференциально-трансформаторный преобразователь

~ un = 12 B

uвых

Шток (тяга)

Q

Фланец

Поплавок

Корпус ротаметра

Фланец

Рис. 2.13. Схематическая конструкция ротаметра с электрическим выходным сигналом

Ротаметр представляет собой механический прибор для измерения расхода по месту со шкалой, а дифференциально-трансформаторный преобразователь (как электрический датчик расхода) совместно с электронным прибором группы КСД составят электрический расходомер, который можно применить для автоматизации систем ПСМ.

Ротаметры применяются для измерения расхода жидкостей или газов в трубопроводах диаметром от 20 до 100 мм.

Тахометрические расходомеры применяются сравнительно редко, так как вносят возмущения в поток движущей жидкости или газа, трудности связаны также с установкой и герметизацией датчика. Датчиком расходомера является тахогенератор с крыльчаткой, установленные в трубе. Электрическое напряжение тахогенератора пропорционально частоте вращения крыльчатки, а частота вращения пропорциональна расходу вещества. В результате электрическое напряжение тахогенератора можно использовать в системах управления устройств ПСМ, связанных с измерением и регулированием расхода.

Индукционные расходомеры не вносят возмущение в поток жидкости или газа. Схематическое изображение такого расходомера представлено на рис. 2.14. Принцип действия индукционного расходомера освещѐн в литературе [6].