0. Датчики

В ходе теплоэнергетических процессов требуется получать информацию о различных параметрах, характеризующих функционирование тех или иных объектов. Рассмотрим ос- новные датчики для измерения таких параметров, как температура, влажность, давление,

расход, количество теплоты.

Датчики температуры. Датчики с механическими выходными величинами. Жидкост- ные термометры стеклянные в основном используют как показывающие приборы местного действия при интервале температур от –200 до +750°С. Термометрическими жидкостями яв- ляются ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, эфир, ацетон, пентан и т.д. В качестве дат- чиков применяют главным образом ртутные термометры с преобразованием механического перемещения в электрический сигнал – электроконтактные термометры, ртуть используют в качестве подвижного контакта. Вторым контактом может быть вольфрамовая нить, впаянная или опускаемая в капилляр термометра (рис. 7.4, а и 7.4, 6). Сила электрического тока, про- ходящего через контакты, не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.

В манометрических термометрах используется объемное расширение рабочего вещест- ва в герметичной термосистеме, состоящей из термобаллона (жезла) 3, капилляра 2 и мано- метрического преобразователя 1 – трубчатой пружины,

сильфона и т.п. (рис. 7.5). В зависимости от свойств за- полнителя эти термометры разделяются на газовые (азот), конденсационные или парожидкостные (ацетон, хладон-22, хлорметил, пропилен) и жидкостные (метан- ксилол, керосин, силиконовые жидкости и т.п.). Пределы измерения приборов составляют: –150...+600°С; – 50...+300°С; –150… +300°С при соответственной длине капилляров 60, 25, 10 м. К этой группе можно отнести

датчики с твердым и упру- гим заполнителями – пас- тами на основе воска, цере- зином и рядом других спе- циальных материалов. На- пример, сильфонные дат- чики с такими заполните- лями широко используют-

ся в комнатных терморегу- ляторах (см. рис. 7.3).

Рис. 7.5. Схема манометрическо-

го термометра

Рис. 7.4. Схема жидкост- ного термометра

Принцип действия биметаллических и дилатометриче- ских датчиков основан на эффекте совместного линейного расширения двух разнородных соединенных вместе металлов. В качестве одного (пассивного) металла обычно используют инвар (36 % Ni + 64 % Fe), другого (активного) — латунь, медь, сталь, хромомолибден. Их коэффициенты линейного расширения отличаются примерно в 20 раз. Слои термобиме- таллической тонколистовой двухслойной ленты соединяются контактной сваркой. Из ленты делают пластины (рис. 7.6, а),

плоские и пространственные спирали (рис. 7.6, б), которые с увеличением температуры де- формируются: загибаются или закручиваются в сторону материала с меньшим коэффициен- том линейного расширения а.

Дилатометрические термометры представляют собой термосистему – стержень П (пас- сивный материал) и трубку А (активный) с продольным линейным перемещением относи- тельно друг друга (рис. 7.6, в). Оба вида термометров применяются очень широко, особенно биметаллические, в диапазоне температур 0...400ºС, а некоторые и до 1000°С (например, ди- латометры инвар — латунь Л62).

Датчики с электрическими выходными величинами. В основе принципа действия термоэлектрических термометров (термопар) лежит эффект Зеебека, открывшего механизм возникновения термоЭДС в цепи, составленной из двух различных проводников, например меди и платины, места соединений которых (сваркой, пайкой или скручиванием) имеют раз-

Рис. 7.6. Принцип биметаллических (а,б) и дилато- метрических (в) датчиков

ную температуру Т₀ и Т₁. Чем больше разность Т₁ и Т₀, тем боль- ше термо ЭДС, но функциональная зависимость е(Т₀, Т₁)T=f(T₁) – f(T₀) является неопределенной. Поэтому одну температуру принимают по- стоянной, термостатируя один из спаев, например при Т₀ = const. Термостатируемый спай называют свободным или холодным, спай, помещаемый в измеряемую среду,

— рабочим или горячим. Положи- тельным считают электрод, по ко- торому ток течет от рабочего спая к свободному. Диаметр проволоки электродов из драгоценных метал- лов и сплавов составляет 0,5 мм, прочих — 1,2...3,2 мм. Конструкция стандартного термоэлектрического термометра состоит из электродов с изоляцией из фарфоровых трубок или бус, помещенных в защитный

трубчатый чехол (стальной, керамический, кварцевый) с головкой, имеющей электрозажи- мы. Рабочий спай может быть приварен или припаян к чехлу для лучшего теплового контак- та и уменьшения инерционности.

Электроизмерительный прибор может быть присоединен к свободному концу термопа- ры (рис. 7.7, а) или к термоэлектроду (рис. 7.7, б). Включение соединительного проводника

(показан пунктиром) не сказывается на термо- ЭДС, если точки соединения 1 и 2 имеют одина- ковую температуру. Обычно термоЭДС сравни- тельно невелика и даже при измерении высоких температур не превышает 70 мВ.

В терморезисторах (термометрах сопротивле- ния) используется известное явление изменения электрического сопротивления проводника или полупроводника с изменением температуры.

Полупроводниковые терморезисторы, или термисторы (смеси окислов некоторых металлов, например МnО₂, Cu₂O₃, Fe₂O₃, NiO, VO₂, спрессо- ванные при высокой температуре), уменьшают

Рис. 7.7. Схемы присоединения элек- троизмерительного прибора: а- к свободному концу термопары, б – к термоэлектроду

свое сопротивление при повышении температуры. Полупроводниковые терморезисторы по внешнему виду ничем не отличаются от обычных стандартных резисторов, применяемых в электро- радиотехнике. В качестве датчиков температуры

используются также полупроводниковые термодиоды Д7А—Д7Ж, термотранзисторы МП40, П14, Д237Г, варисторы, тиристоры, семисторы, у которых электронно-дырочная проводи- мость зависит от температуры. Конструктивно проволочные терморезисторы представляют собой бифилярную (двойную) намотку соответствующей проволоки на каркас — изолятор различных поперечных сечений (круглых, плоских, Х-образных), который помещают в за- щитный трубчатый чехол, похожий на чехол термопары.

Датчики температуры бесконтактные. Их действие основано на использовании за-

висимости интенсивности и спектрального состава излучения от температуры излучающего тела. Примерами применения могут служить измерение высокой температуры в топках теп- логенераторов, печей, измерение температуры поверхностей нагревательных приборов, ог- раждений, определение результирующей температуры в помещении и т.д.

Базовые методы основаны на измере- нии яркостной, радиационной и цветовой температур. Датчики включают оптическую систему и приемник излучения, тип которого определяется диапазоном измеряемых тем- ператур (длиной волны излучения). На рис.

7.8 показана схема радиационного пиромет- ра. Лучистый поток от тела 1 через объектив

Рис. 7.8. Схема радиационного пирометра

2 фокусируется на термобатарее 3, состоя-

щей из лепестковых термопар, работающей в комплекте с милливольтметром 4, градуиро- ванным по температуре. Для определения суммарного эффекта влияния температуры возду- ха и радиационной температуры окружающих поверхностей применяют шаровой термометр, состоящий из термодатчика (термометр, терморезистор или термопара), помещенного внут- ри тонкостенного полого медного шара диаметром 152 мм, окрашенного изнутри и снаружи черной матовой краской. В последнее время широко используются приборы дистанционного теплового контроля (тепловизоры), позволяющие оперативно определять поля температур на поверхностях нагретых предметов. Близки по принципу действия к рассмотренным актино- метры, служащие для измерения интенсивности тепловой радиации.

Датчики влажности газов (воздуха). Датчики и приборы для измерения влажности воздуха и газов называют гигрометрами или гумидостатами, для измерения влажности тел в других агрегатных состояниях – влагомерами. Основные затруднения при измерении и регу- лировании влажности связаны с ее функциональной зависимостью от температуры и парци- ального давления водяных паров. Это особенно сказывается при связанном регулировании важнейших технологических параметров в вентиляционных, сушильных и холодильных ус- тановках – крупнейших потребителях тепловой и электрической энергии.

Среди многочисленных методов измерения влажности практическое применение полу- чили: психрометрический – по разности температур; точки росы — по началу конденсации водяного пара; электролитический; сорбционный, основанный на переменных свойствах гигроскопических тел; методы полного поглощения, конденсационный, диффузионный; ди- элько-метрический (с использованием излучений сверхвысоких частот (СВЧ)); поглощения инфракрасных, ультрафиолетовых, радиоактивных излучений.

Первые два метода связаны с использованием датчиков температуры для измерения влажности. Наибольший интерес представляют электрические психрометры, схемы которых определяются видом измеряемой величины (относительная или абсолютная влажность) и ти- пом применяемого датчика (термоконтакторы, терморезисторы и т.п.).

Действие сорбционных гигрометров де- формационного типа основано на изме- нении упругости и геометрических раз- меров некоторых тел. К наиболее рас- пространенным датчикам относится во- лосной, чувствительным элементом ко- торого служит прядь обезжиренных че- ловеческих волос 1, растянутая пружи- ной 4, В зависимости от влажности воз- духа положение указателя 3 и связанного с ним преобразователя 2 будет меняться,

Рис. 7.9. Схема сорбционных гигрометров де- формационного типа

формируя сигнал об изменении влажно- сти (рис. 7.9). В последнее время вместо

волосных стали применятся влагочувствительные элементы из пластиков в виде нитей, мем- бран, полос.

Датчики давления (разрежения). В большинстве датчиков давления используется принцип преобразования давления в механическое перемещение или усилие. Для измерения очень больших давлений применяются электрические датчики, а для контроля за малыми давлениями используются датчики косвенных измерений вязкости, теплопроводности, сте- пени ионизации.

Жидкостные, или гравитационные, приборы с гидростатическим принципом действия широко распространены благодаря простоте и относительно высокой точности. Наполните- лями жидкостных манометров являются дистиллированная вода, подкрашенный этиловый спирт, ртуть, керосин, дихлорэтан, толуол и другие жидкости, не меняющие со временем своих физико-химических свойств. Для использования дифманометров в качестве датчиков необходимы преобразователи сигнала — перемещения уровня заполнителя, например по- плавки.

Механические – мембранные – датчики – круглые пластины постоянной толщины, на- ходящиеся между двумя тарелками (рис. 7.10, а), образующими герметичные упругие каме- ры. В сечении мембраны – плоской (рис. 7.10, а), гофрированной (рис. 7.10, б) и выпуклой (рис. 7.10, в) формы, причем последняя разновидность называется хлопающей мембраной. Особенно широко в автоматике применяются сильфоны – гармониковые мембраны (рис. 7.10, г), обладающие большой способностью к деформированию. Трубчатые пружины Бур- дона плоской и спиральной формы широко применяются в устройстве традиционных пру- жинных манометров. Материалом служат металлы – стали и бронзы (упругие) и неметаллы – капрон, пропитанные ткани, резина, пластики (вялые мембраны выполняются с жестким центром – рис. 7.10, д).

В датчиках с электрическим выхо- дом используется пьезоэффект в кри- сталлах сегнетовой соли, кварца и тензо- эффект, когда тензо- элементы наклеива- ют, например, на мембрану или силь- фон.

Рис. 7.10. Схемы механических мембранных датчиков давления: а- плоская , б- гофрированнная, в- выпуклая, в- гармониковая мембраны; д- мембрана с жестким центром

Датчики рас- хода. Масса или объ- ем вещества, прохо- дящего через сечение канала за определен- ный промежуток вре- мени, называется рас- ходом вещества, а измеряющие его при- боры – расходомера- ми. Расходомер,

снабженный интегратором для суммирования показаний за какой-то промежуток времени, называют счетчиком.

Для измерения расхода жидкости при ее течении по трубопроводам постоянного сече- ния применяются дроссельные датчики. Сужение сечения при помощи такого датчика, на- пример, диафрагмы, достигается путем установки в трубопроводе тонкого диска диаметром D с концентрическим отверстием определенного диаметра d₀ и профиля (рис. 7.11, а). В су-

женном сечении происходит увеличение скорости и падение статического давления потока. По измеренному дифманометром перепаду давления Δр определяют скорость жидкости и ее расход (рис. 7.11, б).

Рис. 7.11. Дроссельные датчики: а- схема, б- определение скорости и расхода, в- сегментная диафрагма, г- сопло, д, е – трубы Вентури и Фостера

В качестве других устройств используются сег- ментные диафраг- мы (рис. 7.11, в), сопла (рис. 7.11, г) и трубы Вентури и Фостера (рис. 7.11, д и е).

Из расходо- меров с постоян- ным перепадом давления наиболь- шее распростране- ние получили рота- метры (рис. 7.12, а). Основной элемент прибора — кониче- ский поплавок 1,

вертикально перемещающийся под действием динамического давления потока внутри коль- цевой диафрагмы 2. Перемещение поплавка прекращается при уравновешивании сил тяже- сти поплавка и давления потока, при этом каждому значению расхода соответствует опреде- ленное положение поплавка. Обычно перемещение поплавка передается в электроизмери- тельную схему вторичного прибора.

В основу скоростного метода положено измерение при помощи стационарных напор- ных трубок средней скорости потока v_m, связанной с расходом: v=v_m·F (F— площадь попе-

речного сечения потока).

Для косвенных измерений скорости потока исполь- зуются счетчики с лопаст- ными колесами, вертуш- ками, взаимодействующи- ми с потоком, средняя скорость движения кото- рого влияет на частоту вращения датчика, напри- мер, в анемометрах (рис. 7.12, б), водомерах (рис. 7.12, в). В электротермо- анемометре, степень ох- лаждения датчиков- термопар или терморези- сторов которого пропор-

Рис. 7.12. Ротаметр (а), анемометр (б), водомер (б)

ческий сигнал об изменении расхода.

циональна скорости пото- ка, формируется электри-

Широкое распространение для измерения нестационарных расходов получили бескон- тактные методы – индукционные, ультразвуковые, СВЧ, ионизационные, радиоизотопные

и др. Их сущность заключается в том, что под воздействием излучения от какого-либо ис- точника И в потоке происходит соответствующая флуктуация, например образуется ионное облачко-метка О. движущееся вместе с потоком (рис. 7.13). Зная момент подачи t₁ частотно- го импульса генератором Г, расстояние l и момент t₂ прохождения облачком чувствительного элемента приемника-регистратора Р, определяют расход вещества V. Так, в газоснабжении измеряется расход газа с помощью радиоактивных меток – порций криптона или ксенона, поступающих из специального баллончика-дозатора.