Датчик температуры - техническое устройство, предназначенное для измерения и преобразования температуры среды, в которую помещен его воспринимающий элемент (орган), в другую физическую величину (как

Датчики температуры

Датчик температуры - техническое устройство, предназначенное для измерения и преобразования температуры среды, в которую помещен его воспринимающий элемент (орган), в другую физическую величину (как правило, в электрический сигнал), более удобную для воздействия и передачи на последующие элементы автоматической системы или для измерений.

При производстве сельскохозяйственной продукции и её переработке в САУ и САР применяются следующие датчики температуры.

1. Жидкостные датчики работают на основе явления теплового расширения ртути или спирта. К ним относятся контактные термометры, а также объемные жидкостные датчики, в которых изменение столба жидкости определяет изменение омического, индуктивного или емкостного сопротивлений или интенсивность светового потока. Измерение температур этими датчиками возможно в пределах от -30 до +100°С. Их достоинства - простота устройства, достаточная точность измерения; недостатки - недолговечность, они не подлежат ремонту и не приспособлены к вибрациям.

Жидкостные датчики преобразуют изменение температуры Д6 в изменение АИ высоты столба жидкости в капилляре:

где - изменение объема жидкости;

— сечение капилляра;

— температурный коэффициент линейного расширения жидкости;
— первоначальный объем жидкости;

— температурный коэффициент линейного расширения материала ампулы капилляра

Рис. 1.1. Жидкостные датчики температуры.

Высота столба жидкости влияет на состояние контактов (а), на изменение омического (б), индуктивного (в), емкостного (г) сопротивлений или интенсивности светового потока (д).

Жидкостные датчики просты по устройству, но недолговечны и не обеспечивают необходимой точности в условиях вибраций.

2. Манометрические датчики, в которых изменение объема (давления) жидкости или газа, находящихся в замкнутом пространстве, под влиянием изменения температуры преобразуется в перемещение специальных мембран, сильфонов или манометрических трубок, связанных с электрическими контактами. Класс точности этих датчиков 1,6 - 4,0. Они применяются для дистанционного (до 60 метров) измерения температур в пределах от -160 до +600°С. Их достоинства - простота конструкции, возможность дистанционного измерения; недостатки - значительная инерционность, невысокая точность измерения.

На рисунке 1.2 показаны схемы манометрических датчиков. Датчики состоят из теплоприемника 4, соединительной капиллярной трубки 3 и измерительного элемента, представляющего собой специальную мембрану 2, сильфон 5 или пружинную трубку 6. Указательная стрелка, связанная с измерительным органом, движется по температурной шкале 1, замыкая контакты при достижении предельных значений.

Существенным недостатком датчиков рассматриваемого типа является значительная инерционность, погрешность составляет 1—2,5%, диапазон измерений ограничивается предельными значениями параметров рабочего тела (например, температурами замерзания и кипения рабочей жидкости).

К датчикам, в основу действия которых положено свойство твердых тел изменять свои линейные размеры при изменении температуры, относятся
биметаллические и дилатометрические реле температуры.

Рис. 1.2 Манометрические датчики температуры:

а - мембранный, б - сильфонный, в - с манометрической пружинной трубкой.

3. Биметаллические датчики * в основу работы которых положено свойство металлов изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Чувствительный элемент такого датчика выполнен из пластины или спиральной ленты (рис 1.3), состоящей из двух слоев разнородных металлов, отличающихся друг от друга коэффициентами объёмного теплового расширения. При нагреве составляющие биметаллической пластины или спирали удлиняются неодинаково, и поэтому происходит изгиб спирали в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом расширения. При определенной температуре контакты цепи перемыкаются. Диапазон рабочих температур биметаллических датчиков от -60 до +350°С. Недостаток датчиков такой конструкции - медленное и неполное замыкание и размыкание контактов, которое приводит их к подгоранию.

Рис. 1.3 Биметаллическое спиральное реле

В усовершенствованной (Рис. 1.4) конструкции реле биметаллическая пластина, изгибаясь, освобождает пружину, которая обеспечивает резкое срабатывание контактной системы.

Рис. 1.4 Биметаллическое пружинное реле с электроподогревателем

4. Дилатометрические датчики, как и биметаллические, работают на основе явления изменения линейных размеров тел при изменении температуры.

У дилатометрического датчика (рис. 1.5) стержень из металла с малым коэффициентом температурного расширения расположен внутри трубки, изготовленной из металла с большим коэффициентом теплового расширения, и одним концом жестко к ней прикреплен. Для уменьшения тепловой инерции в стенках трубки просверлены отверстия. При изменении температуры изменяется длина трубки, вследствие чего происходит перемещение внутреннего стержня, со свободным концом которого связана указательная стрелка. Из-за больших погрешностей и ряда других недостатков биметаллические и дилатометрические термодатчики применяются весьма ограниченно, в основном для защиты электродвигателей от перегрева. Ток электродвигателя пропускают либо по самой биметаллической пластине, либо по расположенным рядом с ней нагревательным виткам. Пределы измерений от -150 до +700°С

.

Рис. 1.5 Дилатометрический термодатчик.

5. Термоэлектрические датчики (термопары)

Термоэлектрические датчики преобразуют входное тепловое воздействие в выходной сигнал в виде электродвижущей силы (э. д. с). Среди этих датчиков наибольшее применение получили термопары, предназначенные для дистанционного измерения и контроля температур в широких пределах (от —100° до +2000° С). Металлическая термопара состоит из двух специально подобранных проволок, одни концы которых спаяны или сварены (рис. 1.6), а другие подключаются к вторичному прибору (рис. 1.7). Если спаянный конец нагреть, то на свободных (холодных) концах появляется так называемая термо-э. д. с, значение которой пропорционально разности температур нагретого и свободных концов и зависит от материала проволок (рис. 1.8). В качестве мате­риалов используются благородные металлы — платина, иридий, золото и их сплавы, а также сталь, никель, хромель, копель, алюмель, константан.

1 - защитный корпус;

2 - изоляционные керамические трубки;

3 - проволоки;

4 - окно;

5- горячий спай;

Рис. 1.6 Конструкция термопары.

Рис. 1.7 Схема включения термопары

Рис. 1.8 Характеристика хромелъ-копельной (I) и карбидкремние-графитовой (II) термопар

Для определения температуры Т по значению э.д.с. Е термопары пользуются экспериментальными градуировочными кривыми термопар, отражающими зависимость Θ =f(Е).

Полупроводниковые термопары получают все большее распространение в современной автоматике. Если для металлов значения термо-э.д.с. составляют всего 0,006—0,06 мВ/град (кривая I на рисунке 1.8), то для полупроводниковых термопар они доходят до 0,1—1,0 мВ/град (кривая II), то есть превосходят первые в десятки раз.

5 - горячий спай

6- термоизоляционная гильза для инерционного спая

Рис. 1.9 Скоростная термопара

Скоростные термопары предназначены для измерения скорости изменения температуры. Такая термопара составлена из двух последовательно соединенных термопар (рис. 1.9). Один их спай помещен в термоизоляционную гильзу, а второй открыт. Термопары соединены не только последовательно, но и встречно, поэтому, когда контролируемая температура неизменна, термо-э. д. с. каждого спая взаимно равны и направлены навстречу друг другу. При изменении температуры термо-э. д. с. открытого спая следует за изменением температуры практически безынерционно, а термо-э. д. с. спая, помещенного в гильзу, из-за тепловой инерционности гильзы меняется с большим замедлением. Вследствие этого на выходе появляется разность термо-э. д. с, значение которой пропорцио­нальна скорости, а знак соответствует знаку изменения температуры. Для того чтобы характеристика термопары Е = f (Θ) проходила через начало координат, температуру свободных концов стабилизируют и поддерживают Θ _О ⁼ 0°С. Благодаря этому показания вторичного прибора (милливольтметра) зависят только от температуры контролируемой среды и не зависит от температуры точек присоединения прибора.

Термопары обладают существенными преимуществами перед другими датчиками температуры. Для них характерны большая эксплуатационная надежность, высокая точность измерений, простота конструкции, малая инерционность, возможность дистанционного наблюдения за температурой нескольких точек и ее записи при помощи вторичного прибора.

Различают стандартные технические и нестандартные термопары. В автоматических системах применяются металлические или полупроводниковые типы термопар:

- высокотемпературные (до 2500°С);

- среднетемпературные (до 1200°С);

- низкотемпературные (до 800°С).

6. Радиационные термодатчики, принцип действия которых основан на изменении интенсивности спектрального состава излучения нагретых тел при изменении их температуры. К этим датчикам относятся оптические пирометры с пределами измерений от +700 до +6000°С, радиационные пирометры от +100 до +2500°С и цветовые пирометры на пределы +1400... 2800°С. Применяются пирометры излучения, как правило, для определения бесконтактным методом температуры тел, нагретых до видимого свечения. В сельском хозяйстве они используются редко.

7. Термометры сопротивления широко используются для измерения температур в диапазоне от
-200 до +700°С. Их применение основано на свойстве проводников или полупроводников изменять электрическое удельное сопротивление в зависимости, от температуры окружающей среды. Обладая теми же достоинствами, что и термопары, эти датчики, кроме того, позволяют получить на выходе большую мощность и хорошо согласуются с вторичными приборами.

В зависимости от материала изготовления термометры сопротивления подразделяются на:

- терморезисторы (материалы - медь, железо, никель, платина) -
металлические термометры сопротивления;

- термисторы (материалы - окислы меди, кобальта, марганца, никеля и др.)

-полупроводниковые термометры сопротивления с отрицательным коэффициентом сопротивления;

- позисторы (материалы - титанат бария с добавками)

- полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом
сопротивления на рабочем участке характеристики.

К основным характеристикам датчиков температуры относят:

1) зависимость выходного параметра датчика от температуры;

2) передаточная функция датчика;

3) чувствительность датчика;

4) динамическая и статическая характеристики;

5) инерционность (быстродействие) датчика;

6) порог чувствительности;

7) погрешность преобразования.

Датчики освещенности - фотоэлектронные приборы, реагирующие на изменение величины освещенности, светового потока или количества световых импульсов. Они преобразуют световой поток в электрический сигнал.

В качестве воспринимающих элементов датчиков освещенности используются:

1. Фоторезисторы (параметрические фотоэлементы);

2. Вакуумные и газонаполненные - ионные фотоэлементы;

3. Вентильные фотоэлементы (фотодиоды, фототранзисторы,
фототиристоры и др.).

Принцип действия изучаемых фотоэлементов основан на использовании внешнего, внутреннего или вентильного фотоэффектов.

1. Внешний фотоэффект: проявляется в испускании электронов фотоэлектрическим веществом в окружающее пространство под воздействием световой энергии. К ним относят:

Вакуумный фотоэлемент (рис. 1.10) представляет собой вакуумную или газонаполненную лампу с катодом К из светочувствительного слоя, нанесенного на жесткую подложку (внутреннюю поверхность стеклянного баллона), и анодом А в виде кольца или пластины.

Рис. 1.10 Схема включения вакуумного фотоэлемента

Вакуумные фотоэлементы обычно работают в режиме насыщения, когда фототок зависит только от освещенности и не зависит от приложенного напряжения. В отличие от процессов в фоторезисторе электроны, возникшие в фотоэлементе под действием световой энергии, не остаются в освещенном слое, а удаляются от него (внешний фотоэффект).

Для увеличения чувствительности колбу вакуумного фотоэлемента заполняют инертным газом. Фотоэлектроны, освобожденные светом, соударяясь с атомами газа, ионизируют его и под действием электрического поля усиливают ток. Такие фотоэлелементы называют ионными.

Вакуумные фотоэлементы малоинерционны, но сильно подвержены старению. Кроме того, у них низкая чувствительность и малая выходная мощность.

Этих недостатков лишены специальные усилители, которые обычно объединяют в единую конструкцию с фотоэлементом и называют фотоумножителями. В многокаскадном фотоумножителе к эмиттерам Э1 - Э5 прикладываются напряжения, возрастающие по мере приближения эмиттеров к аноду (рис. 1.11). Вследствие этого между катодом К и первым эмиттером Э1, а также между всеми парами соседних эмиттеров создается разность потенциалов, которая вынуждает первичные электроны, испускаемые катодом под действием светового потока Ф, со все возрастающими скоростями поочередно попадать на эмиттеры и выбивать все большее количество вторичных электронов. Выбитые из последнего эмиттера электроны снимаются анодом А во внешнюю цепь, в которой появляется ток, во много раз превышающий ток катода (в 107 - 108 раз).

Рис. 1.11 Схема включения вакуумного фотоумножителя В современной автоматике чрезвычайно широкое распространение получили полупроводниковые приборы и среди них — фотодиоды, фототриоды, фототиристоры, принцип действия которых, как и всех полупроводниковых элементов, основан на использовании специфических свойств р — n-перехода (обычно в германиевом или кремниевом слое).

2 Внутренний фотоэффект (фоторезистивный эффект): У фоторезистора под действием света увеличивается количество свободных электронов, а следовательно, и электропроводность. Повышение электропроводности полупроводника под действием световой энергии носит название внутреннего фотоэффекта. Фоторезистор (рис. 1.12) обычно представляет собой нанесенный на стеклянную пластину 5 тонкий слой полупроводникового вещества 4. К про­тивоположным сторонам полупроводникового слоя прикреплены металлические электроды 1, предназначенные для включения фоторезистора в электрическую цепь. Пластинки с нанесенным на них полупроводниковым слоем запрессованы в пластмассовую оправу 2 с отверстием (рабочим окном), через которое проходят световые лучи. Рабочее окно покрывают слоем 3 светопроницаемого лака.

Рис. 1.12 Схема включения фоторезистора

Фоторезисторы отличает высокая светочувствительность, простая конструкция, небольшие габариты, значительная мощность рассеяния, практически неограниченный срок службы, способность работать в цепях постоянного и переменного тока. Эти качества и обусловили широкое применение фоторезисторов. К недостаткам фоторезисторов следует отнести некоторую зависимость их параметров от температуры и нелинейную зависимость силы фототока от светового потока, а также относительно высокую инерционность (постоянная времени у них порядка 3• 10^-3 - 3-10^-6 с при световом потоке 10^-5лм).

3. Вентильный (фотогальванический эффект): Возникновение Э.Д.С. между двумя разнородными слоями полупроводника или между полупроводником и металлом, обладающим электронной (п) и дырочной (р) проводимостями, под действием световой энергии. К ним относят:

Фотодиод - это полупроводниковый приемник лучистой энергии, в котором происходит направленное движение носителей тока при воздействии энергии оптического излучения.

Режим работы фотодиода с внешним источником питания называют фотопреобразовательным, а без него — фотогенераторным. В принципиальной схеме включения фотодиода в фотопреобразователъном режиме (рис. 1.13) на его р — n-переход подается напряжение запирающей полярности. При освещении происходит генерация носителей электрического заряда, которые под действием электрического поля разделяются и на границе р - n-перехода создают разность потенциалов. Фотопреобразовательный режим дает значительное повышение светочувствительности, недоступное для обычных вентильных фотоэлементов.

Рис. 1.13 Схема включения фотодиода

Фототранзистор - полупроводниковый прибор с двумя р-п - переходами, имеющий направленное движение носителей тока и обладающий свойством, одновременно с преобразованием оптической энергии в электрическую, усиливать фототок.

Фототиристор - это четырехслойный полупроводниковый прибор р-п-р- структуры, управляемый светом и сочетающий в себе положительные свойства тиристора и преобразователя оптической энергии в электрическую. Схема включения фототиристора представлена на рисунке 1.14. Под влиянием освещенности в полупроводниковых слоях происходит генерация пар электрон— дырка, которые под влиянием приложенного электрического поля участвуют в увеличении тока, протекающего через структуру фототиристора.

Воздействие света на р-п-р-п-переход, имеет тот же результат, что и воздействие тока управляющего электрода УЭ. Однако световому управлению фототиристором присуще важное преимущество перед электрическим, так как оно не предполагает гальванической связи с силовой цепью и позволяет использовать управляющий электрод для других схемных назначений (например, установления необходимой чувствительности или температурной стабилизации).

Рисунок 1.14 Схема включения фототиристора

Свойства фотовоспринимающих органов определяются рядом параметров и характеристик, из которых основными считают световую и вольт – амперную характеристики и чувствительность.

Световая характеристика 1ф = 1(Ф) отражает зависимость фототока от светового потока Ф (освещенности Е) при неизменном приложенном напряжении.

фоторезистора фотодиода

кислородно-цезиевого 1 фототристора

и сурьмяно-цезиевого

фотоэлементов

Рис. 1.15 Световые характеристики

Вольт - амперная характеристика Iф =I (U) представляет собой зависимость тока фотовосиринимающего органа от напряжения при постоянной освещенности.

Фоторезистора фотодиода

фотоэлемента фототиристора

Рис. 1.16 Вольт - амперные характеристики

Фотоёмкость (фотоварикап) - полупроводниковый прибор, эффективная ёмкость которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава оптического потока.

Светодиоды - полупроводниковые диоды, излучающие световую энергию за счёт явления электролюминесценции при протекании тока в структурах с р-п -переходом.

Оптроны - сочетание светодиодов и полупроводниковых фотоприё'мников.

К основным характеристикам датчиков освещённости относят:

I) зависимость выходного параметра датчика (фототока) от освещённости или светового потока; 2) передаточная функция датчика; 3) чувствительность датчика (интегральная чувствительность); 4) световая характеристика, спектральная характеристика, вольтамперная характеристика; 5) инерционность (быстродействие) датчика; 6) порог чувствительности; 7) погрешность преобразования.

Датчики перемещения

Датчики перемещения - элементы автоматики, воспринимающие и преобразующие линейные и угловые перемещения в форму, удобную для использования в автоматическом устройстве (в большинстве случаев в виде электрического сигнала).

Датчики перемещения в зависимости от назначения и принципа действия имеют различное конструктивное исполнение. По характеру перемещения бывают датчики поступательных (линейных) и угловых перемещений. В зависимости от принципа действия датчики перемещения классифицируют как:

1) контактные датчики;

2) потенциометрические и реостатные датчики;

3) индуктивные датчики;

4) трансформаторные (индукционные) датчики;

5) емкостные датчики;

6) сельсины и вращающиеся трансформаторы.

Контактные датчики замыкая или размыкая свои контакты, преобразуют механическое воздействие в электрический импульс переменного или постоянного тока. Последовательно с контактами включают сигнальные лампы, реле, усилители, измерительные приборы и другие устройства. При помощи контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, промежуточные и предельные перемещения (рис. 1.17, а), конфигурации и размеры (рис. 1.17, б) изделий или отдельных узлов установки. Зона нечувствительности рассматриваемых датчиков определяется начальным зазором между контактами. Контактные датчики могут быть однопредельными (рис. 1.17, а) и многопредельными (рис. 1.17, б) — для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах. Основные недостатки контактных датчиков — сложность обеспечения непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы.

а) однопредельный; б)многопредельный;

Рис. 1.17 Контактные датчики

Потенциометрический датчик (потенциометр) В потенциометрических датчиках контролируемое перемещение передается воспринимающему органу и преобразуется за счет изменения собственного электрического сопротивления датчика в переменное или постоянное напряжение. Резистор этих датчиков (рис. 1.18) включается по схеме потенциометра, благодаря чему они и получили свое название.

Рис. 1.18 Потенциометрический датчик с прямым каскадом

Подвижный контакт потенциометра связан с контролируемым перемещением, при изменении положения объекта изменяется напряжение на вторичном приборе 77, проградуированном в единицах контролируемого параметра. Чтобы исключить влияние отклонений напряжения, рекомендуется подавать питание на датчик от стабилизатора.

Характеристику потенциометрического датчика I_n=I (R_x) стремятся сделать близкой к прямолинейной (рис. 1.19,1.21), задавая потенциометру соответствующий режим работы, применяя тот или иной способ намотки проволочного реостата, а также согласуя сопротивление вторичного прибора.

Рис. 1.19 Характеристика датчика с прямым каскадом

Если необходимо, чтобы выходной ток и напряжение соответствовали по знаку направлению перемещения движка, то используют потенциометр со средней точкой (рис. 1.20), характеристика которого дана на рисунке 1.21.

Рис. 1.20 Потенциометрический Рис.1.21Характеристика датчик со средней точкой датчика со средней точкой

Для контроля угловых перемещений служат датчики с каркасами в виде дуги окружности (рис. 1.22). В качестве бесконтактных датчиков угловых перемещений с плавным выходом применяют жидкостные потенциометрические датчики (рис. 1.23).

Рис. 1.22 Потенциометрический датчик с кольцевым каркасом

Рис. 1.23 Бесступенчатый датчик угла поворота

Индуктивные датчики предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. Работа индуктивного датчика основана на изменении индуктивного сопротивления катушки со стальным сердечником при перемещении подвижного якоря.

Индукционные или тра нсформаторные датчики представляют собой устройства принцип работы, которых основан на изменении взаимной индуктивности между двумя системами обмоток.

Емкостными называются датчики, у которых входной сигнал -перемещение определяет изменение выходного сигнала - электрической ёмкости.

Сельсинами называются специальные машины переменного тока, которые в зависимости от того, как включены их статорные обмотки, могут работать в качестве датчиков или в качестве элементов дистанционной передачи. Датчиками являются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. В дистанционных передачах используются сельсины, работающие в индикаторном режиме. Обычно сельсины применяются попарно: один называется сельсин датчик (СД), а другой - сельсин приёмник (СП)

Вращающимися трансформаторами называют электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота ротора в напряжение, пропорциональное этому углу или некоторым его функциям.

К основным характеристикам датчиков перемещения относят:

1)зависимость выходного параметра датчика от перемещения или угла поворота;

2) передаточная функция датчика;

3) чувствительность датчика;

4) динамическая и статическая характеристики;

5) инерционность (быстродействие) датчика;

6) порог чувствительности;

7) погрешность преобразования

Дата добавления: 2015-08-29