Датчики, основные показатели и характеристики

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 14Следующая ⇒

Датчик - устройство, осуществляющее функцию преобразования физической величины одного рода в физическую величину другого рода, удобную для передачи другим элементам и на усиление.

Основные характеристики:

1. Статическая характеристика y=f(x)

1 - линейная характеристика, поэтому чувствительность будет постоянной для всего диапазона х.

2 - нелинейная, поэтому чувствительность будет различной и зависит от крутизны данной характеристики.

Датчики, статическая характеристика которого непрерывна называются датчиками непрерывного действия или функциональными. Если статическая характеристика описывается следующей функцией , где k=const, то такой датчик называется линейным. Если статическая характеристика датчика имеет разрывный характер вида y=0 при 0< x< a, y=y1 при x> a, то датчик называется релейным.

1 - Динамическая характеристика - зависимость y от времени при скачкообразном изменении входной величины x.

y=f(t) при x=const

1 – экспонинциальные.

2 - колебательный затухающий процесс.

По виду выходной величины сигнала у датчики делятся на:

- омические

- термоэлектрические

- емкостные

- индуктивные

- трансформаторные

По измеряемым технологическим параметрам:

- температуры

- давления

- расхода

- уровня

- плотности

- влажности и т.д.

Датчики температуры

По принципу действия промышленные приборы подразделяются на виды:

- манометрические термометры – основаны на изменении давления среды в замкнутом объеме при изменении температуры.

- Термометры сопротивления – основаны на изменении сопротивления проводников и полупроводников при изменении температуры.

- Термопары – основаны на изменении термоЭДС при изменении температуры.

- Пирометры излучения – делятся на яркостные (основаны на измерении яркости нагретого тела), радиационные (основаны на изменении мощности излучения нагретого тела).

1.2.1 а) Термометры сопротивления (ТС)

Различают проволочные и полупроводниковые.

а) Проволочные ТС. Принцип действия основан на изменении сопротивления проводников при изменении температуры по зависимости:

R_t=R₀(1+α t+β t²)

R_t - сопротивление проводника при t ⁰C

R₀ - сопротивление проводника при t=⁰C

- зависит от материала датчика

В качестве материала примем Cu или Pt в виде проволоки = (0, 01-0, 1) мм, покрытый изоляцией и наматываемый на каркас из слюды, кварца и др. диэлектриков.

Медные ТС (ТСМ). Предел изменяемых t = (0 - 180)⁰С

Платиновые t = (0 - 800)⁰C

Основная характеристика данных датчиков при изменении t на 1⁰С

= R / t *100

Рабочая длинна l = (70 - 1000)мм

Данные датчика присоединен к вторичным проборам, образуя вторичная цепь. Вторичные приборы: логометры, (измерители сопротивления), а также автоматически уравновешивающие мосты. Датчик включается в одну из плеч мостов системы.

1.2.1 б) Полупроводниковые термосопротивления (термисторы)

Полупроводники занимают место между проводниками и диэлектриками. Имеет отрицательный температурный коэффициент. Сопротивления, т.е. с увеличением температуры сопротивление проводника уменьшается.

R_t = A*e^В/Т

R_t - сопротивление проводника при Т, К.

А – коэффициент (от материала проводника)

Основные характеристики:

1 - температурный коэфф

2 -

3 - мощность рассеивания – мощность которая рассеивается от датчика в ОС, не вызывая его нагрева.

Полупроводниковые датчики называются термисторами. Tв характеризует инерционные свойства термистора.

1 - Вольт – амперная характеристика

T1< T2< T3

Каждая характеристика соответствующее установившейся Т С. Имеет два выраженных участка: 1- линейная часть. По этому участку ток, протекает по термистеру, небольшой, не вызывает нагрев, т.е. вся Е выделяется в ОС. Сопротивление зависит от U. На (1) термистор используется в качестве датчика температуры.

При дальнейшем протекании тока, нагрев термистера увеличивается, т.е. уменьшается U.

На этом участке термистор применяется в качестве 2-х позиционного регулятора.

Область применения термистора обширна: в схемах компенсации (ввиду маленьких растворов), в качестве 2-х позиционных регуляторов.

Выпускают: ММТ-1, 4, 5, 11

КМТ -1, 4, 5, 10

Покрыты эмалевой краской, применяют в сухих неагрессивных средах. Т = (0 - 120 )⁰С.

КМТ-1 помещается в защищенную металлическую капсулу – измерение t в жидкости, газообразных, агрессивных средах, находящихся под давлением.

Достоинство: малые габариты.

Недостатки: значительная погрешность измерения t.

1.2.1. в) Термопары

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте: при соединении 2-х разнородных проводников в замкнутую цепь (места соединения называются спаями). При нагревании одного из спаев по данной цепи протекает ток, вызванный термоЭДС.

Разные проводники содержат различное число электронов. При нагревании спая электродов электронов перетекают из того проводника, где их больше, туда, где их меньше.

Схема термопары:

1, 2 – проводники (электроды)

1’, 2’ – соединения электродов (спаи)

1’ – горячий, помещается в контролируемую среду

2’ – холодный, подключен к прибору

е1, е2 – ЭДС горячая и холодная спаи

е = е1 - е2 – ЭДС термопары

ЭДС ТП зависит не только от разных t спаев, но и от их абсолютного значения.

Оснавная характеристика – коэффицент α *100%

Применяется t градуировки холодная спая 20 ⁰С. Основная погрешность показаний ТП связанная с отклонением температуры холодных спаев, которая присоединится ко 2-ому прибору, от данной температуры.

Для устранения погрешности применяют специальные схемы ЭДС данных холодных спаев.

Применяется мостовая схема, имеется 4 плеча, в каждом из которых включены соответствующие сопротивления R1, R2 – постоянного сопротивления, величины которых не зависят от t. R_t - термосопротивление, не зависящее от t. R3 – потенциометр.

Данный мост имеет 2 диагонали: 5-6 – питающая диагональ, включающая источник постоянного тока, 3-4 – измерительную диагональ

Когда мост уравновешен, U измерительная диагональ U=0. Условие равновесия моста определяется следующим соотношением: равенство произведений сопротивлений противоположных плеч

При увеличении температуры холодных спаев увеличение Rt приводит к разбалансированию моста. В измерительной диагонали возникает U.

Параметры данного моста так, чтобы U, возникающее в измерении диагонали было равно изменению ЭДС холодных спаев и направлено навстречу ему, т.е.

U₃₄= е2

е2 - отклонение ЭДС холодных спаев от ЭДС его градуировки

В качестве материалов электродов ТП применяют Pt, ее сплавы, сплавы др. металлов.

Конструкция

ТП изготавливают в виде проволоки, изолированную друг от друга кварцевыми или фосфорными трубочками и помещенную в защитно-металлический кожух.

1.2.1.г) Манометрические термометры

Состоят с термобалона, капиллярной трубки и датчика давления (манометра). Термобалон размещается в окружения, где измеряется температура. Температура окружения воздействует на физическое состояние вещества внутри баллона, что приводить к изменению давления. Это давление через капиллярную трубку передается на расстояние в 60 м, диаметр трубки 0, 2-0, 5 и фиксируется манометром, шкала градуирована в градусах Цельсия. Материал нержавеющая стиаль, трубка медная В качества чувствительных веществ используют газы, жидкость и газожидкосные смеси. Диапазон измерительных температур от -50 С к 600 С. Класс точности примерно 1, 5. Могут использоваться в пожаро-, взрывоопасном окружении. Манометрические термометры бывают газовые и жидкостные:

А) газовые – заполнены азотом под давлением 1-5 МПа, в зависимости от температуры изменяется давление газа в баллоне. Изменение давление выражено зависимостью где - давление газа при температуре измерения, - при температуре 20 С (температура градуировки), - объемный коэффициент расширения газа. Погрешность связанная с колебанием давления отсутствует из-за высокого . Погрешность связанная с отклонением от 20 ⁰С (температура градуировки) в каторой находится капилляр; погрешность рассчитывается для капилляра и манометрической части где - объем капилляра манометрической части, - объем баллона, - окружающая среда, - 20 С

Недостатки: 1) высокая инерционность связ.низким коэф.теплопередачи от металла корпуса баллона к газу находящемся в баллоне. 2) низкая теплоемкость газа. 3) значительные размеры баллона (трудно вставить в трубки малого диаметра).

Б) жидкостные заполнены кселолом. ртутью под давлением 1-2 МПа. , где - объемный коэффициент расширения жидкости, - объемный коэффициент сжатия жидкости. - разность температур

Кселол , ртуть

Колебание атмосферного давления не вызывает погрешности из-за высокого и предохраняет жидкость от вскипания. Недостаток: Погрешность связанная с отклонением от 20 ⁰С (температура градуировки), погрешность при различном расположении манометрической части и термобалона ( можно устранить при монтаже прибора с помощью коллектора).

Относительная погрешность 0, 5 до 2, 5%. Выпускают с электрическими и пневматическими преобразователями.

Датчики давления

1.2.2 а) Пружинные датчики давления

Классификация методов и средств измерения давления

Распознают абсолютное, атмосферное, избыточное давление и вакуум. Для измерения давления используют манометры. Манометр - это измерительный прибор или измерительный инструмент для измерения давления или разности давления с непосредственным отсчетом их значений. По виду измеряемого давления выделяют следующие средства измерения давления: барометры - для измерения атмосферного давления, манометры - для измерения избыточного давления, вакууметры - для измерения вакуума, мановакууметры - для измерения излишнего давления и разрэджвання, дифференциальные манометры - для измерения разности двух давлений (перепада давления). По принципу действия: 1) Пружинные, 2) Жидкосные

Пружинные манометры. Принцип действия деформационных манометров основанный на уравновешивания измеряемой величины силами деформации тугих элементов, причем величина этой деформации служит мерой измеряемой величины.

В качества упругих чувствительных элементов используют трубчатые пружины, мембранные каробки и сильфоны (рис.).

Рис. Схемы деформационных манометров:

а - с трубчатай пружиной; б – мембранные; в, г – сильфонныя; д - мембранная каробка.

Один конец трубки закрепленный, второй соединенный со стрелкой прибора. При подаче в трубку жидкости, газа, пары под давлением, она скручивается или раскручивается, ее свободный конец передвигается, тем самым воротит относительно оси стрелку прибора. Трубку изготавливают со стали или латуни, она имеет сечение в виде эллипса. Чувствительным элементам мембранных манометров является мембрана в виде тонкой пластинки с резины, бронзы, нержавеющей стали, пласмасы. Под действием давления мембрана прогибается и передвигает шток, связанный со стрелкой.

В сильфонных манометрах чувствительным элементам появляется гофрированный тонкостенный сосуд, выполненный с тугого материала (рис. в, г). Разность внешнего и внутреннего давления создает силу, которая действует вдоль оси. При этом сильфон сжимается или растягивается и передвигает шток, с каким связано стрелка.

Для измерения давления и его разности используют также мембранные каробки(рис. д). Они имеют меньшую твердость и увеличенную зону передвижений, пропорциональных приложенному давлению.

1.2.2 б) Основные сведения о выборе, установке и эксплуатации приборов давления(ПД)

Для надежного измерения давления необходимо соблюдение требование: 1) При выборе ПД нужны сведения о величине давления, диапазоне, наличие пульсаций, свойства среды, заданная точность измерения; 2) При измерении давления газов в трубах отбор импульса производится выше оси трубопровода, жидкости ниже оси трубопровода; 3) Места отбора давления должно располагаться вдали от поворотов ответвлений, местных сопротивлений - т.к. искажение формы потока. 4) соединение отборных устройств и датчиков производят с помощью импульсных трубок диаметр 10-12 мм из алюминия, меди. стали - 30м длинна при Р до 10²Па и 50м длинна при Р свыше 10²Па. 5) Для защиты чувствительных элементов дд используются защитные устройства- разделительные устройства, разделительных мембран, разделительные сосуды.

А Б

А) 1 – корпус; 2 – мембрана; М - манометр; над мембраной вода, с агрессивной средой контактирует мембрана из антикоррозионных покрытий.

Б) корпус заполнен жидкостью не реагирующей с контактной средой.

6) пульсации потока вызывают колебание стрелки, чтобы этого избежать ставят сглаживающее устройство в виде игольчатого вентиля-трубки небольшой длины с малым внутренним диаметром, который создает сопротивление потока сглаживая колебания.

Датчики уровня жидкости

Подразделяются на:

- непрерывного действия, которые непрерывно измеряют уровень.

- прерывистого действия (дискретного действия), сигнализируют наличие уровня(сигнализаторы уровня).

По принципу действия: поплавковые, гидростатические, радиоизотопные, электрические, акустические

1.2.3 а) Поплавковые уровнемеры

Используются для измерения уровня в аппаратах. Поплавок перемещается при изменении уровня жидкости.

Выравнивающая сила собственный вес поплавка G=F.

Принимаем, что S=const, тогда

Схема поплавкового уровнемера с электронным дифференциальным трансформаторным преобразователем.

При изменении уровня изменяется положение поплавка и связанного с ним плунжера преобразователя, при этом изменение ЭДС вторичной обмотки измеряют вторичным прибором проградуированном в единицах уровня.

Схема буйкового уровнемера с пневматическим преобразователем.

1 - резервуар, 2 - буек, 3 - трос, 4 - вал, 5 - трубка, 6 - вал, 7 - заслонка, 8 - пневмоустройство.

На конце заслонки есть сопло, которое образует пневмоконтакт, т.е. давление зависит от взаимного расположения сопла и заслонки и данная величина давления измеряется манометром М.

При изменении уровня изменяется выталкивающая сила, действующая на поплавок, изменение его положения и перемещение через трос преобразуется посредством вала 4, где наматывается трос 3, поворотом торсионной трубки 5 и связанного с ней вала 6 и заслонки 7. Это приводит к изменению давления воздуха в пневмоустройстве 8. Оно пропорционально измеряемому уровню.

1.2.3 б) Гидростатические уровнемеры

Принцип действия основан на измерении давления столба жидкости h при постоянстве плотности контролируемой среды p = g h

По принципу действия различают уровнемеры:

- с непрерывной продувкой воздуха через пневмосистему (пьезометрический)

- с непосредственным измерением столба жидкости с применением техмонометра

Пьезометрические

1 - резервуар, 2 - пьезотрубка, 3 - ротаметр, 4 - регулирующий вентиль, М - манометр

Когда уровень h превышает давление р в пьезотрубке воздух не выходит, при увеличении давления воздух начинает барбатировать жидкость Р = g Н. Метод применяется для измерения уровня вязких сред.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒