4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

диэлектрической подложке и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры.

Наиболее точный и распространённый тип термометров сопротивления – платиновые термометры. Это обусловлено тем, что платина имеет стабильную и хорошо изученную зависимость сопротивления от температуры и не окисляется в воздушной среде, что обеспечивает их высокую точность и воспроизводимость. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом 0,003 925 1/К при 0 °C.

В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры сопротивления. Начальное сопротивление изготовленного термосопротивления может быть произвольным с некоторым допуском.

Термометры сопротивления, изготовленные в виде напыленной на подложку металлической плёнки, отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном рабочих температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов, составляет 660 °C (класс С), для плёночных – 600 °C (класс С).

Преимущества

высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 13-ти тысячных °C (0,013);

возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3– или 4–проводной схемы измерений;

практически линейная характеристика;

простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Они могут иметь весьма малые размеры, что существенно для измерений температуры малых объектов и снижения инерционности измерения.

Недостатки

относительно малый диапазон измерений (по сравнению с термопарами);

дороговизна (в сравнении с термопарами из неблагородных металлов);

требуется дополнительный источник питания для задания тока через датчик.

2.7.5 Акустические термодатчики

Акустические термодатчики используются преимущественно для измерения средних и высоких температур и применяются в экстремальных условиях (в диапазоне криогенных температур, при высоких уровнях радиации в ядерных реакторах и т. д.), а также при проведении измерений в замкнутом герметичном объеме, где невозможно разместить контактные датчики или использовать пирометры. Состоят из пространственно-разнесенных излучателя

81

и приемника акустических волн. Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду. Измеряя время прохождения сигнала известного расстояния между излучателем и приемником, и зная базовую скорость распространения ультразвука в данной среде при известной температуре, вычислитель считает скорость распространения при данной температуре, по которой затем вычисляется температура. Например, для газов зависимость скорости ультразвука от температуры выражается формулой:

C T ,

где α – коэффициент, зависящий от давления, плотности, молекулярной массы газа.

Датчик состоит из трех компонентов: ультразвуковых передатчика и приемника, а также герметичной трубки, заполненной газом. Передатчик и приемник представляют собой керамические пьезоэлектрические пластины, акустически несвязанные с трубкой, что обеспечивает распространение звука преимущественно через газ внутри трубки. В качестве газа чаще всего используется сухой воздух. Тактовое устройство запускает передатчик, который посылает в трубку короткий ультразвуковой импульс, который пройдя через тестируемую среду трубки, принимается приемником. Время прохождения сигнала подается в контроллер, который вычисляет скорость распространения ультразвука, а затем определяет температуру тестируемой среды.

Миниатюрные акустические датчики температуры используют принцип модуляции (зависимости) частоты электронных генераторов, построенных на основе времязадающих элементов поверхностных акустических волн (ПАВ). Фактически, такие интегральные акустические датчики являются прямыми преобразователями температуры в частоту. Такие датчики имеют чувствительность в пределах нескольких кГц на градус.

82

2.7.6 Пирометры (тепловизоры)

Пирометр – прибор для бесконтактного измерения температуры тел, принцип действия которого основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Бесконтактный тип термодатчиков, считывающих излучение, которое исходит от нагретых тел. Этот тип устройств позволяет измерять температуру дистанционно, без приближения к среде, в которой производятся замеры. Это позволяет работать с большими температурами и сильно разогретыми объектами без опасного сближения.

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам: Оптические. Позволяют визуально определять, как правило, без

использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путём сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) – позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

2.7.7 Пьезоэлектрические датчики температуры

Пьезоэлектрические датчики температуры – это прибор для бесконтактного измерения температуры тел, принцип действия которого основан при помощи кварцевого пьезорезонатора. При пьезоэлектрическом эффекте наблюдается зависимость частоты вибраций кварцевого кристалла от температуры. Именно на основе этого явления и реализуются пьезоэлектрические датчики температуры. Поскольку кварц является анизотропным материалом, резонансная частота пластины сильно зависит от угла среза кристалла (его кристаллографической ориентации).

В пьезоэлектрических датчиках температуры всегда очень сложно организовать хорошую тепловую связь кристалла с объектом измерения, поэтому они обладают худшим быстродействием по сравнению с термисторами и термоэлектрическими детекторами.

2.7.8 Pt 100

Наиболее используемый датчик температуры на судах является Pt 100, принцип работы которого основан на принципе изменения электрического сопротивления при повышении температуры. Изменение сопротивления преобразуется регулятором в температурное значение, которое показывается прибором.

Материалом является платина с сопротивлением 100 Ом при температуре 0 °C. Платина имеет положительный коэффициент зависимости сопротивления

83

от температуры; с ростом температуры растёт сопротивление. Изменение сопротивления от температуры составляет 0,39 Ом/1 °C.

В одном датчике может быть несколько термосопротивлений Pt 100: 1, 2 или 3×Pt–100 (наиболее часто используется 1×Pt×100). Для разных измерительных цепей датчик может быть произведён в разных вариантах: 2-, 3- или 4-проводное подключение (наиболее точным является 4-проводное).

Конструкция Pt×100 представлена на рисунке 2.39. Термометр сопротивления расположен в специальной, заполненной окисью магния трубке толщиной 3 мм и различной длины. Гибкая часть термометра сопротивления начинается с 50 мм. Через вводную часть осуществляется соединение с гибким питающим проводом.

Рисунок 2.39 – Конструкция Pt 100

Классы точности Pt100

Стандарт МЭК 60751 определяет классы точности термометров сопротивления Pt100 и соответствующие допуски. Классы допуска и диапазоны измерений для термопреобразователей сопротивления и чувствительных элементов представлены в таблице 2.4.

Цвета проводов, присоединяемых к термосопротивлению Pt 100, определены стандартом EN 60751. Цвета проводов для 2-, 3- и 4-проводного подключения, указаны в каждом типе датчиков на рисунке 2.40.

Таблица 2.4 – Классы допусков и диапазоны измерений для термопреобразователей сопротивления и чувствительных элементов

84

Рисунок 2.40 – Схемы соединения внутренних проводов

Схемы включения термосопротивления в измерительную цепь:

2-х проводная схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление присоединительных проводов суммируется с измеренным сопротивлением, что приводит к появлению дополнительной погрешности;

3-х проводная схема обеспечивает значительно более точные измерения, т.к. появляется возможность измерить сопротивление подводящих проводов и вычесть его из суммарного измеренного сопротивления;

4-х проводная схема – наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов.

Преимущества

быстрое время срабатывания; небольшие размеры, компактная конструкция; большой температурный диапазон; гибкий питающий провод; виброустойчивость.

2.8 Датчики давления

2.8.1 Общие положения

Датчик давления (манометр) – устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости,

85

газа, пара).

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент – приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостный, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие. Электрические датчики принимают данные полученные механическое воздействие от упругого датчика и включают в себя электрический компонент, таким образом, усиливая чувствительность и увеличивая сферы применения датчиков.

Выбор типа датчика зависит от величины измеряемого давления, заданной точности и условий эксплуатации датчика.

Существуют три типа измеряемого давления:

1.Абсолютное давление – атмосферное давление плюс избыточное давление;

2.Избыточное давление – абсолютное давление минус атмосферное давление;

3.Дифференциальное давление – разность давлений между двумя точками.

2.8.2 Механические датчики

Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек, по меньшей мере, с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.

Трубки Бурдона

Давление, подаваемое внутрь трубки Бурдона, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения

86

такого манометра составляет – от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т. п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления – 30 кПа (т. е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).

Преимущества:

портативность;

низкие эксплуатационные расходы.

Недостатки:

применимы только для статических измерений;

низкая точность.

Сильфоны

Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим/выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, меньше 200 Па с чувствительностью 1,2 Па.

Преимущества:

может быть использован на низких давлениях.

Недостатки:

может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру.

Мембраны (диафрагмы)

Мембраны изготовлены из круглых металлических дисков или гибких элементов, таких как резина, пластик или кожа. Материал, из которого изготовлена мембрана зависит от того используется ли свойства упругости этого материала или ему должен противостоять другой элемент (например – пружина). Мембраны, изготовленные из металлических дисков, используют упругие характеристики, а тем, которым противостоят другие упругие элементы, изготовлены из гибких элементов. Мембраны очень чувствительны к резким изменениям давления. Мембраной изготовленной из металла можно измерить максимальное давление равное примерно 7 МПа, а мембраной использующей упругий тип материала можно измерять чрезвычайно низкие давления (0,1 кПа –

87

2,2 МПа) при подключении к емкостным преобразователям или к датчикам перепада давления. Диафрагмы бывают плоские, гофрированные и капсульного типа. Как отмечалось ранее, мембраны очень чувствительны (0,01 МПа). Они могут измерять дробные разности давления на очень маленьком диапазоне (скажем, давления нескольких дюймов воды) (эластичный тип) или большие перепады давления (приближаясь к максимальному диапазону в 207 кПа) (металлический тип). Металлические мембраны обладают большой жесткостью, малым гистерезисом, и поэтому способны полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия давления. Неметаллические мембраны свойствами самовосстановления формы не обладают, поэтому в них дополнительно вводят пружины и прилегающие к мембране металлические шайбы. Пружина действует через шайбу на мембрану и обеспечивает ей необходимые восстанавливающие свойства.

Примеры упругих элементов датчиков давления приведены на рисунке

2.41.

Мембраны очень универсальны – они обычно используются в очень агрессивных средах или в ситуациях с экстремальными избыточными давлениями.

Преимущества:

быстрое время отклика;

высокая точность;

хорошая линейность;

высокая коррозийная стойкость

Недостатки:

высокая стоимость

2.8.3 Емкостные датчики

Емкостной датчик (см. рисунок 2.42) состоит из параллельных пластин – конденсаторов, соединенных с диафрагмой, которая обычно металлическая и подвергается давлению сил, участвующих в процессе с одной стороны, и опорным давлением на другой стороне. Электроды прикреплены к мембране и получают питание от генератора высокой частоты. Электроды ощущают любое перемещение диафрагмы и это влияет на изменение емкости пластин – конденсаторов. Изменение емкости обнаруживается подсоединенной электрической цепью, которая выводит напряжение в соответствии с изменением давления. Данный тип датчика может работать в диапазоне от 2,5 Па – 70 МПа с чувствительностью 0,07 МПа.

88

Преимущества:

используются для измерения низких давлений и вакуума;

высокая стабильность характеристик;

возможность измерять низкий вакуум;

стойкость к перегрузкам;

простота конструкции.

Недостатки:

емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации.

высокие требования к экранировке деталей;

нелинейная зависимость емкости от приложенного давления;

необходимость работы на высоких частотах; требуют наличия внешнего источника переменного тока.

2.8.4 Индуктивные датчики

Индуктивные датчики давления в сочетании с диафрагмой или трубкой Бурдона. Ферромагнитный сердечник прикреплен к упругому элементу и имеет первичную и две вторичные обмотки. Ток подается на первичную обмотку. Когда сердечник по центру то же напряжение будет индуцироваться к двум вторичными обмотками. Когда сердечник перемещается под влиянием давления, отношение напряжения между двумя вторичными обмотками изменяется. Разность напряжений пропорциональна изменению давления.

На рисунке 2.43 показан пример индуктивного датчика давления с использованием диафрагмы. Для этого вида датчика давления, принимая камеру 1 в качестве эталонной камеры с опорным давлением Р1 подающегося и катушку заряжаемую эталонным током. Когда давление в других камерах изменяется, диафрагма движется и индуцирует ток в другой катушке, который измеряется и выражает измеренное значение тока в единицах давления.

Рисунок 2.43 – Индуктивный датчик давления

90