Чувствительные элементы датчиков измерения температуры.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 10Следующая ⇒

Общие сведения. Измерение температуры, основанное на теплообмене между телами, является одним из самых трудоемких. Приборы, входящие в тепловой контакт с контролируемой средой, по показателям которых определяют ее температуру, называются термометрами, а устройства, предназначенные для регулирования температуры, терморегуляторами. Неотъемлемой составной частью термометров и датчиков терморегуляторов являются ЧЭ, физические свойства которых изменяются при нагреве. Разделяют датчики на механические и электрические.

Механические датчики. К механическим относятся датчики, действие которых основано на тепловом расширении жидких или твердых тел либо на изменении давления газов или паров жидкости в замкнутых системах.

Выходными сигналами таких датчиков являются перемещения либо усилия, однозначно определяемые изменением температуры.

Жидкостные термометры работают по принципу различного расширения оболочки и находящейся в ней жидкости. Стеклянный термометр состоит из баллончика с припаянной к нему прозрачной капиллярной трубкой (капилляром) и шкалы. Баллончик заполняют жидкостью, коэффициент расширения которой в 15-30 раз больше, чем оболочки.

Поэтому приращение температуры вызывает увеличение объема жидкости и ее вытеснение из оболочки в капилляр, в котором положение кромки жидкости по шкале определяет значение температуры.

Оболочку и капиллярные трубки изготавливают из стекла или кварца.

Рис. 10. Схемы действия датчиков температуры

Наполнителем может быть жидкость (спирт. толуол, пентан) или текучий

металл (ртуть, галлий).

Жидкостный датчик температуры состоит из металлического термопатрона 1 (рис. 10, а) и сильфонной камеры 3, связанных между собой металлическим гибким капилляром 2. Внутренняя полость их герметична и в зависимости от диапазона измеряемых температур полностью заполняется глицерином, ксилолом или ртутью. Термопатрон помещают в зону контролируемой среды, при увеличении температуры которой увеличивается объем наполнителя и он перетекает по капилляру в камеру сильфона, что вызывает перемещение торца последнего.

Выходным сигналом датчика является перемещение Δ у_Д штока 5, движимого торцом сильфона. Перемещение пропорционально изменению температуры Δ t, т. е. статическая характеристика датчика линейна.

При понижении температуры объем наполнителя уменьшается, и торец сильфона движется в обратном направлении под действием возвратной пружины 4.

Жидкостные датчики обладают большими перестановочными усилиями.

Однако они подвержены влиянию температуры окружающей среды, которое оказывается тем больше, чем меньше разность температур окружающей и контролируемой сред.

Датчик с твердым наполнителем термометрической системы (объемный) имеет аналогичные принцип действия и свойства. Выполнен датчик (рис.10, б) в виде жестко закрепленного сильфона 6, внутренняя полость которого герметична и заполнена аморфным телом (обычно воском). При изменении температуры среды, омывающей сильфон, объем наполнителя увеличивается, вызывая перемещение торца сильфона.

Для уменьшения тепловой инерционности датчика воск перемешивают с медными опилками.

Дилатометрический датчик (рис. 10, в) состоит из трубки 10, нижний конец которои спаян со стержнем 11, свободно проходящим через трубку. Верхний конец трубки впаян в резьбовой штуцер, на фланце которого закреплен поворотный рычаг 8, прижимаемый к стержню пружиной 7. Датчик устанавливают на трубопроводе или теплообменнике 9, а трубку 10 погружают в контролируемую среду. Для трубки выбирают материал с высокой теплопроводностью и значительно большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала стержня.

Трубки изготавливают из меди, латуни, стали, а стержни - из инвара (сплав кобальта, железа и хрома), имеющего коэффициент линейного расширения, в 5 раз меньший, чем у меди, и в 2 раза меньший, чем у стали. Изменение температуры Δ t среды, омывающей трубку, приводит к перемещению верхнего конца стержня на значение Δ l:

Перемещение стержня 11 приводит к развороту рычага 8 относительно опоры О и пропорциональному перемещению его свободного конца В на расстояние Δ у_Д являющееся выходным сигналом датчика.

Дилатометры обладают большим перестановочным усилием. Однако значение их выходного сигнала мало, а тепловая инерция значительна.

Недостатком является также невысокая точность измерения.

Биметаллический датчик (рис. 10, г) имеет аналогичный принцип действия. Чувствительный элемент состоит из плоской или спиральной пружины 12, спаянной из двух пластин разнородных металлов.

При изменении температуры обе пластины удлиняются неодинаково, вызывая изгиб плоской или скручивание спиральной пружины.

Один конец пружины закреплен неподвижно, а перемещение Δ у_Д свободного конца является выходным сигналом датчика.

Недостатком датчика является невысокая точность измерения.

Общими недостатками датчиков с жидкими, твердыми и газовыми наполнителями являются их большая тепловая инерционность, трудность (часто невозможность в судовых условиях) ремонта при нарушении герметичности измерительной системы и ограниченность расстояния передачи выходного сигнала.

Терморезистор (рис. 10, д) работает по принципу изменения активного сопротивления проводников и полупроводников при изменении их температуры. К одной диагонали моста Уитсона подведено постоянное напряжение, а в другую включен прибор для измерения тока (миллиамперметр).

В три плеча моста включены резисторы R 1, R2, R3, сопротивления которых не меняются при изменении температуры, а в четвертое - терморезистор RК, размещаемый в зоне измеряемых температур.

Значения сопротивлений выбирают таким образом, чтобы при температуре 0⁰С ток I в цепи прибора отсутствовал, т. е. мост был уравновешен.

При изменении температуры меняется сопротивление терморезистора RK, нарушается равновесие моста и в его диагонали течет ток I_Д являющийся выходным сигналом датчика. Визуальный контроль температуры проводят по показаниям прибора, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия. Диапазон температур, измеряемых терморезисторами, лежит в пределах от -50 до +600 ⁰С.

Термоэлектрические датчики (термопары) применяют в СЭУ обычно для измерения относительно высоких температур. В пирометре (рис. 10, е) датчиком температуры является термопара, представляющая собой два изолированных и спаянных между собой концами проводника из разнородных металлов или сплавов. Этот спай 14, помещенный в зоне измеряемых температур, называется горячим спаем. К свободным концам 13, называемым холодным спаем, присоединяют милливольтметр.

При разности температур между холодным и горячим спаями возникает термоэлектродвижущая сила (термоэ.д.с.), измеряемая милливольтметром и являющаяся выходным сигналом датчика. Ее значение зависит от разности температур обоих спаев и от сочетания материалов электродов термопар. Для получения однозначной зависимости термоэ.Д.С. от температуры горячего спая необходимо постоянство температуры холодного спая или установка в прибор специального компенсирующего устройства (на схеме не показано). Возникающая термоэ.д.с. в системах контроля измеряется милливольтметром, отградуированным в градусах Цельсия, либо подается на вход потенциометрического измерителя.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒