- •Предисловие
- •Введение
- •Лабораторная работа 1
- •Общие сведения
- •Экспериментальные методы определения динамических характеристик
- •1.3. Порядок выполнения работы по определению статических и динамических характеристик объекта
- •1.4. Содержание отчета
- •1.5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 2 Система автоматического регулирования. Структурные схемы, элементный состав, выполняемые функции
- •2.1. Общие сведения о системах
- •X1…xk – выходные показатели объекта регулирования
- •2.2. Автоматическая система регулирования температуры теплового объекта на базе регулятора рс-29
- •2.3. Краткая характеристика регулятора рс-29
- •2.4. Порядок выполнения работы
- •2.5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 3 Общепромышленные датчики систем автоматического регулирования
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Датчики температуры. Термоэлектрические преобразователи (термопары)
- •Характеристики современных термопар, выпускаемых отечественной промышленностью
- •3.3. Датчики температуры. Термочувствительные преобразователи сопротивления (терморезисторы)
- •3.4. Электромагнитные датчики
- •3.5. Тензодатчики
- •Возможные варианты расположения и включения тензодатчиков
- •3.6. Порядок выполнения работы
- •3.7. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 4 Измерительные преобразователи давления (перепада давлений) типа «Сапфир – 22 дд»
- •4.1. Общие сведения об измерении давления
- •Стандартом рекомендовано следующие кратные и дольные значения давления от единицы си:
- •4.2. Устройство и принцип действия измерительного преобразователя типа «Сапфир-22-дд»
- •Устройство и работа составных частей измерительного преобразователя «Сапфир-22 ди».
- •«Сапфир-22ди»:
- •4.3. Электрическая схема соединений преобразователя
- •Техническая характеристика измерительного преобразователя типа «Сапфир-22 дд»
- •4.4. Порядок выполнения работы
- •4.5. Контрольные вопросы к лабораторной работе
- •Лабораторная работа 5 Ультразвуковые уровнемеры типа probe
- •5.1. Общие сведения об автоматическом измерении уровня
- •5.2. Работа блока излучения датчика probe
- •5.3. Устройство и принцип измерения ультразвукового уровнемера probe
- •5.4. Градуировка датчика probe
- •5.5. Порядок выполнения работы
- •5.6. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 6 Автоматические измерительные приборы в системах автоматического регулирования (вторичные приборы)
- •6.1. Общие сведения об автоматических измерительных приборах
- •6.2. Методы измерения
- •6.3. Автоматические мосты и автоматические потенциометры
- •6.4. Вторичный прибор Диск-250
- •6.5. Порядок выполнения работы
- •6.6. Контрольные вопросы к лабораторной работе
- •Лабораторная работа 7 Исполнительные механизмы и регулирующие органы систем автоматического регулирования
- •7.1. Общие сведения об исполнительных механизмах (им) и регулирующих органах (ро)
- •7.2. Устройство электрических исполнительных механизмов
- •7.3. Порядок выполнения работы
- •7.4. Оформление работы
- •7.5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 8 Правила выполнения и чтения схем автоматизации технологических процессов
- •8.1. Общие сведения о схемах автоматизации технологических процессов
- •8.2. Правила выполнения и чтения схем автоматизации технологических процессов
- •8.3. Задание на разработку фрагментов схем автоматизации
- •8.4. Содержание отчета по лабораторной работе
- •8.5. Контрольные вопросы
- •Методические указания по оформлению отчета по лабораторным работам
- •Оглавление
3.3. Датчики температуры. Термочувствительные преобразователи сопротивления (терморезисторы)
Принцип действия терморезисторов основан на зависимости электрического сопротивления R проводников или полупроводников от температуры. Для измерения температуры наиболее распространены термопреобразователи сопротивления (терморезисторы), выполненные из платиновой или медной проволоки.
Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры в диапазоне от -200 ºС до +1100 ºС, медные терморезисторы – в диапазоне от -200 оС до +200 ºС.
Принцип действия термопреобразователей сопротивления платиновых (ТСП) и термопреобразователей сопротивления медных (ТСМ) одинаков и основан на свойстве платины или меди, по которым протекает электрический ток, изменять электрическое сопротивление при изменении контролируемой температуры. Изменение сопротивления термопреобразователя регистрируется измерительным прибором, шкала которого градуирована в градусах Цельсия. Измерительные приборы, с которыми работают терморезисторы (ТСП и ТСМ), имеют мостовую измерительную схему с автоматическим уравновешиванием. Для измерения температуры используют так называемые терморезисторы с малой плотностью тока (без преднамеренного перегревания), в которых величина сопротивления определяется температурой окружающей среды. Они бывают металлические и полупроводниковые. Довольно широко распространены металлические проволочные терморезисторы в виде бифилярной обмотки на каркасе из пластмассы, слюды или другого изоляционного материала, расположенного в защитной арматуре из нержавеющей стали.
Для примера на рис. 4 показано устройство платинового терморезистора. В каналах керамической трубки 2 расположены две (или четыре) секции спирали 3 из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. К концам спирали припаивают выводы 4, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью 1. Каналы керамической трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, исполняющего роль изолятора и фиксатора платиновой спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру из нержавеющей стали.
в 3 2 1
t1
Рис. 4. Устройство терморезистора: а – конструкция; б - внешний вид;
в - электрическая схема соединений
Начальные сопротивления (при 0 ºС) платиновых стандартных терморезисторов равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом, медных - 10, 50, 53 и 100 Ом.
Для изготовления терморезисторов используют платиновую, медную проволоку диаметром 0,05 – 0,1 мм. Наилучшим материалом является платина, поскольку она химически инертна и обеспечивает широкий диапазон измеряемых температур. Ток в цепи терморезистора не превышает 4 - 5 мА. Допустимое значение тока, протекающего по терморезистору при включении его в измерительную цепь, должно быть таким, чтобы изменение сопротивления терморезистора при нагреве не превышало 0,1 % начального сопротивления.
Аналитически зависимость сопротивления от температуры для платиновых терморезисторов выражают следующими уравнениями:
Rt = R0 [1 + At + Bt2 + Ct3(t-100)] при -200 ºС ≤ t ≤ 0 ºС;
Rt = R0 (1 + At + Bt2) при 0 ºС ≤ t ≤ +650 ºС;
где R0 – сопротивление при t = 0 ºС, А = 3,968 · 10-3 К-1;
В = 5,847·10-7; С = - 4,22·10-12 К -4.
Для медного терморезистора
Rt = R0 (1 + αt) при -50 ºС ≤ t ≤ +180 ºС;
где α = 4,26·10-3 · К-1 – температурный коэффициент электрического сопротивления меди.
Помимо платины и меди для изготовления терморезисторов иногда используют никель (для диапазона измеряемых температур от -50 до +200 ºС).
Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов, которые характеризуются большей чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления (ТКС) термисторов отрицательный и при 20 ºС в 10 - 15 раз превышает ТКС меди и платины) и имеют более высокие сопротивления (до 1 Мом) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования:
RT = R0exp[B(1/T – 1/T0)],
где RT и R0 – сопротивления термистора при температурах Т и Т0;
Т0 – начальная температура рабочего диапазона; В – коэффициент.
Термисторы изготовляют из сплавов различных металлов (теллура, урана, серебра, марганца, никеля и др.). Конструктивно термисторы выполнены в виде шарика, трубки или диска из полупроводника с металлическими выводами. Для защиты от влияния влаги термисторы покрывают лаком или стеклом, а также размещают в герметичных стеклянных баллонах.
Статическая характеристика термисторов нелинейна:
Rt1 = R0е-β(t1-t0) = R0[1 – β(t1 – t0) + β2/2(t1 – t0)2 - …],
где Rt1, R0 – сопротивления термистора при температурах t1 и t0;
β = -2,5 + 4,0%/ºС – температурный коэффициент.
Преимуществами термисторов являются высокая чувствительность и малая постоянная времени, а недостатками – нелинейная статическая характеристика и большой разброс параметров. Для измерения сопротивления R применяют обычно также как в случае с терморезисторами мостовые измерительные схемы.
Таблица 4
Статические характеристики промышленных термопреобразователей
Номинальная статическая характеристика преобразования медных термопреобразователей |
|||||
Температура рабочего конца, 0 С |
Сопротивление, Ом, для температуры, 0 С |
||||
0 |
(±)1 |
(±)2 |
(±)3 |
(±)4 |
|
Преобразователь типа ТСМ 10 М |
|||||
-50 |
7,848 |
- |
- |
- |
- |
-40 |
8,281 |
8,238 |
8,195 |
8,151 |
8,108 |
-30 |
8,712 |
8,669 |
8,626 |
8,583 |
8,540 |
-20 |
9,142 |
9,099 |
9,056 |
9,130 |
8,970 |
-10 |
9,572 |
9,529 |
9,486 |
9,443 |
9,4 |
-0 |
10,0 |
9,957 |
9,914 |
9,872 |
9,829 |
0 |
10,0 |
10,0043 |
10,0085 |
10,128 |
10,17 |
10 |
10,428 |
10,471 |
10,514 |
10,557 |
10,599 |
Продолжение таблицы 4
Номинальная статическая характеристика преобразования медных термопреобразователей |
|||||
Температура рабочего конца, 0 С |
Сопротивление, Ом, для температуры, 0 С |
||||
0 |
(±)1 |
(±)2 |
(±)3 |
(±)4 |
|
20 |
10,856 |
10,899 |
10,942 |
10,985 |
11,028 |
30 |
11,384 |
11,327 |
11,370 |
11,413 |
11,456 |
40 |
11,712 |
11,755 |
11,798 |
11,841 |
11,884 |
50 |
12,140 |
12,183 |
12,226 |
12,269 |
12,312 |
60 |
12,568 |
12,611 |
12,654 |
12,697 |
12,740 |
70 |
12,996 |
13,039 |
13,083 |
13,125 |
13,168 |
80 |
13,424 |
13,467 |
13,510 |
13,553 |
13,595 |
90 |
13,852 |
13,895 |
13,938 |
13,981 |
14,023 |
170 |
17,275 |
17,318 |
17,360 |
17,403 |
17,446 |
180 |
17,703 |
17,745 |
17,788 |
17,831 |
17,874 |
190 |
18,130 |
18,173 |
18,216 |
18,259 |
18,302 |
200 |
18,558 |
- |
- |
- |
- |
|
(±)5 |
(±)6 |
(±)7 |
(±)8 |
(±)9 |
-50 |
- |
- |
- |
- |
- |
-40 |
8,065 |
8,022 |
7,978 |
7,935 |
7,892 |
-30 |
8,497 |
8,454 |
8,410 |
8,367 |
8,324 |
-20 |
8,927 |
8,884 |
8,841 |
8,798 |
8,755 |
-10 |
9,357 |
9,314 |
9,271 |
9,228 |
9,185 |
-0 |
9,786 |
9,743 |
9,7 |
9,658 |
9,615 |
0 |
10,213 |
10,256 |
10,298 |
10,341 |
10,383 |
10 |
10,642 |
10,685 |
10,728 |
10,771 |
10,814 |
20 |
11,070 |
11,113 |
11,156 |
11,199 |
11,242 |
30 |
11,498 |
11,541 |
11,584 |
11,627 |
11,670 |
40 |
11,926 |
11,969 |
12,012 |
12,055 |
12,098 |
50 |
12,354 |
12,397 |
12,440 |
12,483 |
12,526 |
60 |
12,782 |
13,825 |
12,868 |
12,911 |
12,954 |
70 |
13,210 |
13,253 |
13,296 |
13,339 |
13,381 |
80 |
13,638 |
13,681 |
13,724 |
13,767 |
13,809 |
90 |
14,066 |
14,109 |
14,152 |
14,195 |
14,237 |
100 |
14,922 |
14,965 |
15,007 |
15,050 |
15,093 |
110 |
14,922 |
14,965 |
15,007 |
15,050 |
15,098 |
120 |
15,350 |
15,392 |
15,435 |
15,478 |
15,521 |
130 |
15,777 |
15,820 |
15,863 |
15,906 |
15,949 |
140 |
16,205 |
16,248 |
16,291 |
16,334 |
16,376 |
150 |
16,633 |
16,676 |
16,719 |
16,762 |
16,804 |
160 |
17,061 |
17,104 |
17,146 |
17,189 |
17,232 |
170 |
17,489 |
17,532 |
17,574 |
17,617 |
17,660 |
180 |
17,917 |
17,959 |
18,002 |
18,045 |
18,088 |
Окончание табл. 4
Номинальная статическая характеристика преобразования медных термопреобразователей |
||||||||||||
Температура рабочего конца, 0 С |
Сопротивление, Ом, для температуры, 0 С |
|||||||||||
0 |
(±)1 |
(±)2 |
(±)3 |
(±)4 |
||||||||
190 |
18,344 |
18,387 |
18,430 |
18,473 |
18,516 |
|||||||
200 |
- |
- |
- |
- |
- |
|||||||
Номинальные статические характеристики преобразования платиновых термопреобразователей |
||||||||||||
Термопреобразователь ТСП 50П |
Термопреобразователь ТСП 100П |
|||||||||||
Темпера-тура рабочего конца, 0 С |
Сопро- тивление, 0С |
Темпера-тура рабочего конца, 0 С |
Сопро- тивление, 0С |
Темпера-тура рабочего конца, 0 С |
Сопро- тивле-ние, 0С |
Темпера-тура рабочего конца, 0 С |
Сопро- тивле-ние, 0С |
|||||
0 |
50 |
550 |
150,255 |
0 |
100 |
550 |
300,51 |
|||||
50 |
59,855 |
600 |
158,48 |
50 |
119,71 |
600 |
333,10 |
|||||
100 |
69,745 |
650 |
166,65 |
100 |
139,1 |
700 |
348,93 |
|||||
150 |
79,11 |
700 |
174,465 |
150 |
158,22 |
750 |
364,47 |
|||||
200 |
88,515 |
750 |
182,235 |
200 |
177,03 |
800 |
379,72 |
|||||
250 |
97,775 |
800 |
189,86 |
250 |
195,55 |
850 |
394,67 |
|||||
300 |
106,89 |
850 |
197,335 |
300 |
213,78 |
900 |
409,33 |
|||||
350 |
115,855 |
900 |
204,665 |
350 |
231,71 |
950 |
423,70 |
|||||
400 |
124,68 |
950 |
211,85 |
400 |
249,36 |
1000 |
437,78 |
|||||
450 |
133,355 |
1000 |
218,89 |
450 |
267,71 |
- |
- |
|||||
500 |
141,88 |
- |
- |
500 |
283,76 |
- |
- |
Динамическая характеристика терморезистора определяется тепловой инерцией при его резком нагревании или охлаждении. Реакция терморезистора на единичный импульс температуры может быть выражена экспонентой вида
t = tуст(1 – е-t/T),
где Т = [Cp · G] / [k · S] - постоянная времени терморезистора, определяемая его параметрами и условиями теплоотдачи, с;
Ср – удельная теплоемкость терморезистора, Дж/(кг·К);
G – масса терморезистора, кг;
k – коэффициент теплообмена (теплоотдачи), Вт/(м2·К);
S – площадь поверхности терморезистора.
Отметим, что кроме измерения температуры терморезисторы применяются, для измерения состава газовых смесей, степени разряжения, а также для измерения скорости газового потока (следовательно, и его расхода). Это так называемые терморезисторы с нагревом или большой плотностью тока.