3 Датчик температуры

Температура является важнейшим параметром во многих процессах и подлежащим измерению в системах автоматического регулирования, включая пищевую промышленность. При варке пива требуется непрерывная подача большого количества горячей вода, при этом температура воды должна быть постоянной, т.к. именно при этих условия получаются наилучшие результаты и сводиться к минимуму расход воды. В системе имеется большая емкость с водой, её нагрев ведется с помощью пара. Любая задача регулирования темпера­туры является по существу задачей управ­ления теплообменом. В силу особенностей процесса теплопередачи для тепловых объ­ектов характерно большее емкостное со­противление, чем для объектов, в которых регулируют расход, давление или уровень жидкости. Скорость реакции на внешнее возмущение, у объектов, низка. Запаздыва­ние, вноси­мое измерительным прибором, часто имеет большую величину, осо­бенно в объектах, связанных с нагреванием жидкости. Поэтому необходимо выбрать такой измерительный прибор, который обеспечил малое запаздывание и требуемую точность результатов, а также позиционное регулирование уровня температуры.

Проанализируем виды измерительных приборов представленных на рисунке 3. За основной классификационный признак при анализе датчиков температуры выбирается принцип действия устройств измерения.

3.1 Электрические датчики температуры

3.1.1 Манометрические термометры

Манометрические термометры предназначаются для измерения тем­пературы жидких и газообразных сред в стационарных условиях в интер­вале от - 150 до 600 °С.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления заполнителя термосистемы от температуры измеряемой среды. В зависимости от применяемого заполнителя термосистемы ма­нометрические термометры делятся на газовые, жидкостные и конден­сационные. Замкнутая система манометрического термометра, показан­ная на рисунке 3.1, состоит из термобаллона 2, соединительного капилляра 1 и манометрической пружины 6.

Изменение температуры контролируемой среды воспринимается заполнителем термосистемы через термобаллон 2 и преобразуется в из­менение давления, под действием которого манометрическая трубчатая пружина 6 с помощью тяги 8, сектора 3 и трибки 7 перемещает стрелку 4 относительно шкалы 5. Это перемещение через соответствующие устрой­ства передается на сигнальное устройство; у термометров с пневматичес­ким выходным сигналом — на пневматический преобразователь; у тер­мометров с электрическим выходным сигналом - на механоэлектрический преобразователь.

В термометрах с сигнальным устройством (рисунок 3.2) изменение изме­ряемой температуры воспринимается термобаллоном 1 и передается на манометрическую пружину 2, которая несколько распрямляясь, через сектор 3 и трибку 4 приводит в движение стрелку 5 относительно шка­лы 7, Вместе с показывающей стрелкой перемещается ведущий поводок 11 с двумя подвижными поводками 9 и 10.

В качестве датчиков электрического сигнала используют два непод­вижных предельных контакта. Один из них 6 выдает сигнал минималь­ного, а другой 13 — максимального значения температуры контролируе­мой среды. Связь показывающей стрелки и подвижных контактов осу­ществляется через спиральные волоски. Установка пределов сигнализа­ции осуществляется с помощью указателей пределов сигнализации 8, 12. Когда температура достигает значения, заданного с помощью сигналь­ных стрелок, соответствующая контактная пара замыкается и выдается электрический сигнал. Внешнюю электрическую цепь подключают к тер­мометру с помощью клеммой колодки 14.

В термометрах с пневматически выходным сигналом (рисунок 3.4) изме­нение измеряемой температуры воспринимается манометрической пру­жиной 10, которая, несколько распрямляясь, приводит в движение стрелку 9 через трибо-секторный механизм 14. Одновременно это изме­нение с помощью рычажного механизма 3 передается на свободный конец пружины механизма обратной связи 7, на котором укреплена заслонка 6.

Рисунок 3.1 - Схема манометрического термометра

Рисунок 3.2 - Схема термометра с сигнальным устройством.

1 - термобаллон; 2 - капилляр; 3 - рычажный механизм; 4, 18 - манометры; 5 - сопло; б - заслонка; 7 - пружина обратной связи; 8 - циферблат; 9 - стрел­ка; 10 - пружина манометрическая; 11 - пружина; 12 - пневмореле; 13 - тер­мобиметалл; 14 - трибо-секторный механизм; 15. 16 - тяги; 17, 19 - поводки

Рисунок 3.3 - Схема термометра с пневматическим выходным сигналом.

1 — термобаллон; 2 - капилляр; 3 - стрелка; 4 - шкала; 5 - манометрическая пружина; 6 - тяга; 7 - трибка; 8 - сектор; 9 - рычаг; 10 ~ флажок; 11 - механоэлектрический преобразователь; 12 - контроль 0-100 мВ; 13 - выход 0,5 мА; 14 — пружина корректора нуля; 15 - пружина

Рисунок 3.4 - Схема термометров с электрическим выходным сигналом.

Изменение зазора между соплом 5 и заслонкой 6 вызывает измене­ние давления питания воздуха в линии сопла, которое с помощью уси­лительного пневмореле 12 изменяет давление выходного сигнала при­бора и в механизме обратной связи. Под действием изменения давления манометрическая пружина 7 механизма обратной связи осуществляет соответствующий поворот, воздействие которого на заслонку 6 обеспе­чивает пропорциональность выходного давления ходу заслонки.

Таким образом, величина зазора между соплом и заслонкой и, сле­довательно, выходное давление прибора, являются мерой измеряемой температуры. Питание пневмодатчика осуществляется воздухом, очи­щенным воздушным фильтром под давлением, сниженным редуктором до (140 ± 14) кПа. Входное давление питания контролируется маномет­ром 4, а выходное давление — манометром 18.

В термометрах с электрическим выходным сигналом (рисунок 3.4) изме­нение измеряемой температуры воспринимается манометрической пру­жиной 5, которая, несколько выпрямляясь, приводит в движение пока­зывающую стрелку 3 через сектор 8 и трибку 7 и механоэлектрический преобразователь 11. На оси сектора закреплен рычаг 9, к которому кре­пят измерительную пружину 15. Второй конец пружины впаян в рычаг флажка 10 преобразователя 11. Измерительная пружина 15, растяги­ваясь, передает усилие к свободному концу флажка 10 преобразователя. Перемещение флажка изменяет параметры преобразователя, в резуль­тате чего на его выходе появляется сигнал постоянного тока.

Достоинством манометрических термометров являются: возмож­ность дистанционного измерения температуры без использования допол­нительной энергии, сравнительная простота конструкции, возможность автоматической записи показаний, взрывобезопасность, нечувствитель­ность к внешним магнитным полям.

К недостаткам относятся: относительно невысокая точность изме­рения, трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы, низкая механическая прочность капилляра, небольшое расстояние дис­танционной передачи показаний, значительная инерционность.

Класс точности термометров с газовым и жидкостным заполнителя­ми термосистемы может быть 1; 1,5; 2,5.

Класс точности термометров с конденсационным заполнителем термосистемы может быть 1,5; 2,5; 4 и установлен для последних ²/₃ температурной шкалы, для первой трети шкалы класс точности не должен быть ниже последующего низшего класса точности.

а) Манометрические газовые термометры. Термометры манометрические газовые применяют для измерения температуры от - 150 до +600 °С. В качестве рабочего вещества в газо­вых термометрах используют обычно азот или гелий. Длина соединитель­ного капилляра этих термометров может быть от 0,6 до 60 м. Точность показаний газовых манометрических термометров в основном зависит от изменения температуры окружающей среды. Для уменьшения по­грешности, обусловленной изменением температуры, устанавливают термобиметаллический компенсатор в тягу передаточного механизма (биметаллическая пластина компенсатора рассчитана так, чтобы ее изгиб компенсировал смещение конца пружины, вызванное изменением темпе­ратуры окружающей среды). Кроме этого, стремятся увеличить размеры термобаллона и уменьшить сечение капилляра. Чем больше длина ка­пилляра, тем значительней должны быть размеры термобаллона.

Поэтому газовые термометры имеют ограниченное применение.

Допускаемая дополнительная погрешность газовых термометров при отклонении температуры окружающей среды на 10 ° С не должна превышать

0,5%. Для увеличения рабочего давления термосистему га­зового термометра заполняют инертным газом под давлением в зави­симости от диапазона измерения температуры, поэтому колебания ат­мосферного давления на показания газового термометра не влияют.

Преимущество газовых термометров — незначительная температур­ная погрешность и наибольшая для манометрических термометров длина капилляра.

б) Манометрические жидкостные термометры. Термометры манометрические жидкостные могут быть показываю­щими и самопишущими с унифицированными электрическими и пневматическими преобразователями. Их применяют для измерения темпе­ратуры от - 150 до + 600 °С. Термосистемы этих термометров заполняют обычно кремнийорганическими жидкостями. При постоянном объеме термосистемы давление жидкости пропорционально изменению ее тем­пературы, поэтому жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.

На показания жидкостных манометрических термометров оказы­вают влияние изменения температуры, гидростатического и атмосфер­ного давлений. Температурная погрешность у жидкостных термометров несколько больше, чем у газовых, поэтому длина капилляра у них не превышает 10 м, Для уменьшения температурной погрешности жид­костных термометров стремятся увеличить относительное количество термометрического вещества в термобаллоне по сравнению с находя­щимся в капилляре манометра, т. е. рабочий объем термобаллона увели­чивают, а внутренние размеры рабочего элемента сводят к минимуму. С этой же целью применяют манометрические пружины с новым про­филем сечения и термобиметаллический компенсатор.

Гидростатическая погрешность жидкостных манометрических тер­мометров возникает в том случае, когда термобаллон расположен выше или ниже пружины. Последняя в этом случае будет испытывать большее или меньшее давление в зависимости от того, выше или ниже расположен термобаллон относительно пружины. Гидростатическая погрешность в этом случае может быть устранена путем коррекции нуля начального положения конца трубчатой пружины (указательной стрелки). Допус­тимые расстояния по высоте между термобаллоном и манометром ука­зывают в инструкциях.

Для уменьшения влияния изменения атмосферного давления мано­метрические жидкостные термометры заполняют рабочей жидкостью при начальном давлении 1,5-2,0 МПа. Преимуществом жидкостных термометров являются небольшая инерционность и небольшие размеры термобаллона.

3.1.2 Устройство термометра сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления основан на зависимости сопротивления проводников от температуры. Так, например, для платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650⁰С характерно соотношение R_t=R₀(1+At+Bt²),

где R₀ – сопротивление при 0⁰С;

А=3,96847*10^{-3 0}С^-1;

В= -5,847*10^{-7 0}С^-1.

Из всех современных терморезистров (медных, никелевых, полупроводниковых и т.д.) наибольшее распотранение получили платиновые.

На рисунке 3.6 показано устройство платинового термометра сопротивления. Чувствительный элемент термометра сопротивления выполняется в виде спирали из проволоки 1, помещенной в четырехканальный керамический каркас 2. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия измеряемой или окружающей среды чувствительный элемент помещен в защитную оболочку 2, которая уплотнена керамической втулкой 4. Выводы 5 чувствительного элемента проходят через изоляционную керамическую трубу 6.

Рисунок 3.6 - Устройство термометра сопротивления

Эти элементы находятся в зашитом чехле 7, устанавливаемого на объекте измерения с помощью резьбового штуцера 8. На конце защитного чехла располагается соединительная головка 9 термометра. В головке находится изоляционная колодка 10 с винтами 11 для крепления выводов термометра и подключения соединительных проводов, которые выводятся через штуцер. Для уменьшения влияния внешних электрических и магнитных полей чувствиетльные элементы терморезисторов делаются с безиндуктивной намоткой.

Итак, измерение температуры в системах автоматического регулирования и управления осуществляется с помощью термоэлектрических преобразователей, а так как параметры быстродействия, надежности, конструктивной простоты, эксплуатационные характеристики являются первостепенными для САР и САУ, поэтому при синтезе и анализе этих систем очень актуальным являются определение их статических и динамических характеристик.