Измерительные преобразователи температуры.

Температура – важнейший технологический параметр. Около 40% измерений в промышленности приходится на измерение температуры. Температура – это мера внутренней энергии тела, т.е. мера хаотического движения атомов и молекул. Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул вещества связана с абсолютной температурой соотношением:

, где k – постоянная Больцмана. Температуру непосредственно измерить невозможно. Ее всегда измеряют путем измерения других физических величин, функционально с ней связанных. Эти функциональные зависимости были установлены в ходе многовекового развития естественно-научных дисциплин Термодинамическая температура связана с температурой Цельсия соотношением Т (К) = t ºC +273,15. Измерительные преобразователи температуры можно разделить на несколько больших групп:

- термометры расширения;

- термометры сопротивления;

-манометрические термометры;

- термоэлектрические термометры (термопары);

Пирометрические термометры (пирометры – от греческого: огонь).

1. Термометры расширения бывают жидкостные, биметаллические и дилатометрические. В жидкостных термометрах в качестве рабочих жидкостей используются: ртуть (-35º С ºС), толуол (-90ºС +200ºС), этиловый спирт (-80ºС +70ºС), керосин (-60ºС +300ºС), пентан (-200ºС +20ºС) и др.. Чувствительным элементом биметаллических термометров является двухслойная пластинка или двухслойная спираль. Слои отличаются температурными коэффициентами расширения. При росте температуры чувствительный элемент изгибается в сторону слоя с меньшим температурным коэффициентом. Биметаллический термометр изображен на рис. 2. В дилатометрических термометрах чувствительным элементом являются два металлических стержня с различными температурными коэффициентами. При достижении определенной температуры чувствительный элемент замыкает или размыкает какой-либо электрический контакт. Биметаллические и дилатометрические термометры применяются обычно при автоматической защите двигателей и других объектов от перегрева.

 

Рис. 3а 3б Рис. 4 Рис. 5

Рис. 3. Биметаллический термометр: ( а – общий вид, б – схема). Состоит из биметаллической пластины в виде спирали, жестко прикрепленной одним концом к корпусу прибора. Второй конец пластины при помощи рычага соединен со стрелкой. Под воздействием температуры спираль раскручивается в ту или иную сторону, перемещая стрелку.

Рис. 4. Схема термометра сопротивления. Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента 1 – платиновой или медной проволоки, бифилярано намотанной на изоляционный каркас.

Рис. 5. Электрическая схема логометра.

2. Термометры сопротивления (ТС) бывают металлические и полупроводниковые. Чувствительным элементом металлического ТС является металлическая проволока, бифилярно намотанная на изоляционный каркас. При нагревании электрическое сопротивление проволоки увеличивается. Бифилярная намотка – это намотка вдвое сложенным проводом. При такой намотке магнитные поля, создаваемые токами соседних витков, практически полностью компенсируют друг друга. Такую намотку называют также безиндуктивной. На практике чаще всего применяют медную и платиновую проволоку. Для медной проволоки имеет место температурная зависимость: , где - сопротивление проволоки при 0ºС, При нагреве на 100ºС сопротивление медной проволоки увеличивается на 42,6%. Медные ТС используются в диапазоне ºС. Для платинового ТС справедлива зависимость: . Здесь А =3,968^.10^-3 (град^-1), В = -5,85^.10^-7 (град-²). Обычный температурный диапазон для платиновых ТС составляет - ºС, расширенный диапазон: ºС. Используются также никелевые ТС, для них При t ≥ 600ºC используются также вольфрамовые ТС. Кроме проволочных ТС выпускаются также тонкопленочные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на кремниевую микромембрану. В диапазоне 0 ºС применяются кремниевые ТС. Они встраиваются в микроструктуру для осуществления температурной компенсации. Используются также в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств.

Термисторы – это полупроводниковые ТС. Список термисторов широк. Чувствительный элемент термистора изготовляется из смеси окислов различных металлов (окиси железа, никеля, кобальта, марганца). Смесь окислов тщательно перемешивается, подвергается спеканию, из этого материала изготовляют чувствительный элемент термистора. При нагреве на 100ºС сопротивление термисторов уменьшается в несколько раз. Температурная зависимость термисторов представляется в виде: . Здесь А и В – константы для данного вида термистора, Т – температура в градусах Кельвина. Типичный температурный диапазон составляет ºС. Более универсальная зависимость имеет вид:

.

Позисторы напоминают термисторы, но температурный коэффициент у них положительный. Основой позисторов является титанат бария – BaTiO₃. Достоинством металлических ТС является высокая точность изготовления, хорошая взаимозаменяемость, недостатками являются: большие размеры и значительная инерционность (превышающая 10 с).

Достоинствами полупроводниковых ТС являются: малые размеры, высокое быстродействие (порядка 0,1 с); к недостаткам можно отнести: меньший температурный диапазон и разброс характеристик (более 1%).

III. Манометрические термометры. Их действие основано на измерении давления термометрического вещества в замкнутом объеме при изменении температуры. Конструктивно они представляют из себя термобаллон, полую пружину и капиллярную трубку, соединяющую термобаллон с пружиной. Существуют три типа таких термометров:

- жидкостные;

- газовые;

- конденсационные (паровые).

Рис. 5. Манометрический термометр.

На рис. 5 представлен типичный манометрический термометр МТ). В жидкостных МТ вся система заполняется ртутью или органическими жидкостями. Температурный диапазон: ºС. В газовых МТ система заполняется азотом N₂. температурный диапазон у них: ºС. В конденсационных МТ 2/3 баллона заполняются жидкостью, давление создают пары этой жидкости. Применяются: фреон-22 (диапазон ºС), пропилен С₃Н₆ ( ºС), хлористый метил СН₃С l ( ºС), ацетон С₃Н₆О ( ºС), этилбензол ( ºС). Шкалы жидкостных и газовых МТ равномерные, а у конденсационных МТ – сильно неравномерные.

IV.Термоэлектрические термометры (термопары). Их работа основана на явлении, открытом в 1827 г. Зеебеком. Начали применяться на практике в конце 19 века. В основе эффекта лежит контактная разность потенциалов, которая возникает при электрическом контакте двух разнородных проводников. Если температуры рабочего спая и свободных концов различаются, то между металлами I и II создается ЭДС.

Контактная разность потенциалов была открыта еще раньше Алессандро Вольта в 1795 г. На практике чаще других применяются следующие термопары: 1) хромель-копель ( ºС); 2) хромель-алюмель ( ºС); 3) платинородий- платина ( ºС); 4) платинородий (30% родия Rh) – платинородий (6% родия) ( ºС); 5) вольфрам-рений (5% Re) –вольфрам-рений (20% Re) ( ºC)/

Термопары используются в комплекте с милливольтметрами и автоматическими потенциометрами.

V. Пирометры. Согласно современной физике, все тела испускают тепловое излучение – электромагнитные волны. Чем выше температура тела, тем сильнее оно излучает. Согласно закону Стефана-Больцмана, единица площади абсолютно черного тела излучает тепловой энергии, где - постоянная Стефана-Больцмана, . Реальные тела излучают меньше, в связи с чем вводят коэффициент серости к ≤ 1.

Рис. 6. Схема оптического пирометра с исчезающей нитью (1- телескоп, 2 - линза объектива, 3 – окулярная линза, 4 – лампа накаливания, 5 – аккумулятор, 6 – реостат, 7 – выключатель, 8 – милливольтметр, 9 – фильтр, 10 – красный светофильтр)

 

Бывают пирометры полного и частичного излучения. На рис. 6 изображена схема пирометра частичного (видимого) излучения. Излучение тела фокусируется оптической системой прибора на фокальную плоскость, где производится сравнение яркости источника излучения и яркости нити накала. Яркость нити накала можно регулировать с помощью реостата. Наблюдение ведется визуально через красный светофильтр. Если яркости одинаковые, то глаз видит однородную картину. Если яркость нити накала меньше, то она изображается в виде темной полоски. С помощью реостата добиваются однородной картины. Каждому положению движка реостата соответствует определенная температура. На рис. 7 представлена схема пирометра полного излучения. Излучение от источника фокусируется на рабочем спае термопары. Рабочий спай нагревается. Через рамку начинает протекать ток. Рамка поворачивается в магнитном поле, чему противодействует пружина. Чем выше температура тела, тем интенсивнее излучение, тем сильнее нагрев термопары, тем больше ЭДС, ток в рамке и угол поворота указательной стрелки.

 

Рис. 7. Схема радиационного пирометра (1 – телескоп, 2 – вторичный прибор, 3 – линза, 4 – окуляр, 5 – соединительные провода, 6 – объект измерения, 7 - термочувствительный элемент, 8 – диафрагма).

 

Лекция 3

Электромагнитные измерительные преобразователи. П ьезодатчики.

Измерительные преобразователи влажности

Электромагнитные преобразователи можно разделить на 4 группы: 1) индуктивные; 2) взаимно-индуктивные (трансформаторные); 3) индукционные; 4) магнитоупругие.

В индуктивных преобразователях входной величиной является перемещение, под влиянием которого изменяется индуктивность датчика (рис.8) Преобразователь содержит стальной магнитопровод, подвижный якорь, обмотку с числом витков W, которая подключена к источнику переменного напряжения. Индуктивность датчика определяется формулой

, где R_M – магнитное сопротивление, - воздушный зазор,

R_M=R_M,ст+R_M,в, , , относительная магнитная проницаемость стали и воздуха, соответственно. Поскольку магнитная проницаемость стали в сотни раз больше магнитной проницаемости воздуха, то . Ток в обмотке датчика пропорционален величине зазора. В приведенных формулах l_ст – длина стальной части при полном обходе магнитопровода. Индуктивные датчики используются для измерения небольших перемещений.

 

Рис. 8 Индуктивный датчик. Рис. 9. Взаимно-индуктивный датчик.

 

Трансформаторные (взаимно-индуктивные) преобразователи содержат две обмотки (рис. 9):Под действием входной величины (перемещения) изменяется взаимная индуктивность M двух катушек: Взаимная индуктивность М характеризует влияние одной катушки на другую. Он а входит в уравнения, описывающие токи в обеих катушках.

Индукционные преобразователи служат для измерения скости линейного или углового перемещения (рис.10). Ток, протекающий по обмотке, намотанной на сердечник, создает магнитное поле. При перемещении обмотки с числом витков W ₂, в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости линейного или углового перемещения подвижной рамки.

 

 

Рис. 10. Индукционный датчик 11. Магнитоупругий датчик

В магнитоупругих преобразователях (рис. 11) под влиянием приложенной силы изменяется магнитная проницаемость стали. Воздушный зазор отсутствует. Механическое воздействие на преобразователь вызывает деформацию сердечника, которая влияет на его магнитную проницаемость. Эти датчики применяются для измерения сил и деформаций.

Пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезодатчики используются при исследовании вибраций и быстрых динамических процессов. Их действие основано на том, что сила, приложенная к твердому диэлектрику, вызывает деформацию кристаллической решетки. В некоторых кристаллах при этом (кварц, сегнетова соль, титанат бария – BaTiO₃) происходит смещение зарядов внутри кристаллической решетки. На противоположных гранях кристаллов появляются заряды противоположной полярности. Это «прямой пьезоэффект». Существует также «обратный пьезоэффект», когда к пластине пьезодатчика прикладывают переменное напряжение и она начинает колебаться с частотой переменного тока. Пьезодатчики чаще всего применяют при частотах свыше 15 кГц. В них используются срезы кристаллов.

Емкостные преобразователи.

Действие емкостных преобразователей основано на преобразовании входной величины в изменение емкости конденсатора. Например, для плоского конденсатора емкость зависит от расстояния между пластинами d, площади перекрытия пластин S и относительной диэлектрической проницаемости среды между обкладками конденсатора ε. С помощью емкостных преобразователей контролируют линейные и угловые перемещения, степень заполнения баков сыпучим или жидким материалом, влажность, химический состав и толщину непроводящих материалов. Для промышленных емкостных датчиков характерным значением емкости являются десятки пикофарад (пФ). Емкостные датчики обычно используют на частотах, превышающих десятки кГц.

Измерительные преобразователи влажности.

При контроле влажности сыпучих материалов применяются следующие методы: кондуктометрический, диэлькометрический, нейтронный, микроволновый (СВЧ-метод). Кондуктометрический – это самый простой из электрических методов. Установка состоит из источника постоянного или переменного тока низкой частоты, соединительных проводов, миллиамперметра и ячейки, заполненной материалом, влажность которого контролируется. Принцип действия: чем больше влажность материала, тем меньше его электрическое сопротивление, тем больше ток в цепи. Для каждого материала используется своя полуэмпирическая зависимость вида , где a и b – полуэмпирические параметры. Метод является весьма грубым, так как неизвестна концентрация солей в воде и неясно, за счет каких ионов осуществляется ток (ионов или ионов солей). В диэлькометрическом методе используется зависимость диэлектрической проницаемости материала от его влагосодержания. Для воды относительная диэлектрическая проницаемость равна 81, а для сыпучих материалов она порядка нескольких единиц. Таким образом, диэлектрическая проницаемость материала сильно зависит от его влажности. В этом методе применяется высокочастотный генератор электромагнитных колебаний (f 10⁶ – 10⁷ Гц), С 10 пФ. В нейтронном методе применяется источник быстрых нейтронов. Сквозь небольшое отверстие поток нейтронов падает на контролируемое вещество, а затем в приемник, содержащий инертный газ при давлении в несколько мм рт. ст. Быстрые нейтроны теряют свою энергию в основном при столкновении с протонами, т.е. ядрами атомов водорода, входящих в состав молекул воды. Ионизация газа в приемнике осуществляется при столкновениях замедленных нейтронов с атомами инертного газа. Чем больше влажность материала, тем больше концентрация замедленных нейтронов, тем сильнее импульсы тока в приемной ионизационной камере. Этот метод самый точный из имеющихся, но требует надежной биологической защиты. Кроме того, необходима коррекция на плотность испытуемого материала. Микроволновый метод основан на просвечивании материалов микроволновым (СВЧ) электромагнитным излучением, характерная частота излучения составляет . Чем больше влажность материала, тем больше он поглощает СВЧ-волны. Самым лучшим может оказаться метод ЯМР (ядерно-магнитный резонанс), но он пока не используется на практике.

При контроле влажности воздуха и газовых смесей применяются следующие методы: психрометрический (метод сухого и увлажненного термометра), гигроскопический (некоторые материалы, например, обезжиренный человеческий волос с изменением влажности воздуха изменяют свои линейные размеры, электролитический метод, метод точки росы.

 

Рис. 12. Психрометр Августа 13. Психрометр Ассмана

Психрометрический метод является наиболее простым и надежным. Он основан на зависимости испарения воды от влажности воздуха. Психрометр Августа состоит из двух одинаковых термометров, закрепленных на общем основании (рис. 12). Чувствительный элемент одного из термометров обернут тканью (фитилем), свободный конец которой опущен в стеклянный резервуар, заполненный водой. По капиллярам ткани вода поднимается вверх, и баллон этого термометра смачивается водой (мокрый термометр). Второй термометр называется сухим. За счет испарения воды с поверхности фитиля рабочая жидкость в баллоне мокрого термометра охлаждается. Поэтому показания мокрого термометра ниже, чем показания сухого. Разность показаний сухого и мокрого термометров называют психрометрической разностью. Чем суше воздух, тем больше эта разность.Относительная влажность воздуха находится по показаниям сухого и мокрого термометров с помощью психрометрической таблицы. Основным недостатком этого психрометра является то, чувствительные элементы термометров не защищены от лучистого теплообмена.

Более совершенным является аспирационный психрометр Ассмана (рис. 13). Здесь оба термометра заключены в металлические трубки, через которые с помощью вентилятора прокачивается воздух со скоростью 2,5-3 м/с.

Промышленные электронные психрометры используются для автоматического непрерывного измерения, записи и регулирования относительной влажности воздуха и газов. В качестве чувствительных элементов используются “сухой” и “мокрый” термометры сопротивления R_c и R_м, включенные в смежные плечи мостовой измерительной схемы автоматического электронного моста типа кСМ3 или КСМ4 (рис. 14). Проходящий через датчики анализируемый воздух или газ обтекает термометры с одинаковой скоростью. При изменении относительной влажности воздуха изменяется R_м, условие равновесия мостовой схемы нарушается и в измерительной диагонали моста появляется разность потенциалов, пропорциональная относительной влажности, измеряемая автоматическим прибором КСМ.

Рис. 14. Промышленный электронный психрометр.

 

Метод точки росы. Принцип действия основан на зависимости температуры, при которой из окружающего воздуха или газа выпадает влага в виде капелек росы, от относительной влажности. Упрощенная схема, реализующая этот метод, приведена на рис. 15.

 

Рис. 15. Схема метода точки росы.

Через цилиндр 1 с зеркально отполированной внешней поверхностью пропускается хладоноситель, который охлаждает его стенки. Пока не достигнута температура точки росы, лучи от источника света HL отражаются зеркальной поверхностью цилиндра и попадают на фотопреобразователь BL. Его сопротивление резко уменьшается и через обмотку реле К1 протекает максимальный ток. Реле срабатывает и своими контактами К1 и К2 размыкает цепь питания нагревательного элемента Rн и цепь, соединяющую термопару 2 с автоматическим электронным потенциометром КСП. Как только поверхность цилиндра охладится до температуры точки росы, на ней выпадет влага, и световой поток, падающий на фоторезистор BL, резко сократится, что приведет к резкому снижению тока через обмотку реле. Реле отпускает, контакты К1 и К2 замыкаются. Контакт К2 подключает термопару 2 ко входу КСП и происходит измерение температуры точки росы, а следовательно, и относительной влажности. Нагревательный элемент получает питание, нагревает хладоноситель и стенки цилиндра. Влага удаляется с зеркальной поверхности. Прибор приходит в исходное состояние, и цикл измерения повторяется.

Электролитический метод. Метод основан на свойстве солей поглощать влагу из окружающей среды с последующей диссоциацией молекул на ионы и изменением электрической проводимости. В простейшем виде измерительный преобразователь представляет собой подложку из изоляционного материала, на которую нанесен слой соли, к которому подведены электроды для подачи питания.

В качестве соли обычно используется LiCl. Датчик включается в мостовую измерительную схему вторичного прибора. На рис. 6 приведена принципиальная электрическая схема регулятора относительной влажности воздуха, применяемого при автоматизации систем кондиционирования воздуха. Температурная погрешность датчика компенсируется с помощью терморезисторов . Задатчиком относительной влажности является потенциометр R5. Потенциометрами R4 и R6 измерительный мост настраивается в процессе изготовления и тарировки прибора.

При изменении относительной влажности на выходе измерительного моста формируется сигнал, управляющий выходным реле. Выходное реле через свои контакты К формирует сигнал на исполнительный механизм ИМ, обеспечивающий стабилизацию регулируемого параметра.

Рис. 16. Схема электролитического метода.

Гигроскопический метод. Он основан на свойстве материалов поглощать влагу из окружающей среды и приводить свою влажность в равновесное состояние с ней при одновременном изменении своих геометрических размеров.

В санитарной технике и метрологии широко используются самопишущие приборы для контроля относительной влажности – гигрографы. Чувствительный элемент гигрографп представляет собой пучок обезжиренных человеческих волос. Капроновую нить или круглую мембрану, изготовленную из специально обработанной гигроскопической пленки. Изменение относительной влажности воздуха вызывает изменение длины пучка волос или прогиба мембраны, которые преобразуются передаточным механизмом в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте, приводимой в движение двигателем или часовым механизмом.

 

Контроль влажности твердых и сыпучих материалов

Существуют различные методы контроля влажности материалов: методы высушивания, дистилляционные, кондуктометрический, диэлькометрический, микроволновый, нейтронный, ЯМР и др. В промышленности стройматериалов наибольшее распространение получили диэлькометрический, микроволновый и нейтронный методы. Методы высушивания и дистилляционные характеризуются высокой точностью, однако требуют больших затрат времени. Кондуктометрический метод обладает существенным недостатком, связанным с значительными погрешностями измерений. Поэтому эти методы применяются редко.

Диэлькометрический метод основан на зависимости диэлектрических свойств материалов от их влажности. Изменение влажности приводит к изменению диэлектрической проницаемости материала , а следовательно, к изменению емкости конденсатора , или к изменению тангенса угла диэлектрических потерь , где - сопротивление утечки конденсатора. Для воды , а для сухих строительных материалов .

Диэлькометрический влагомер состоит из конденсаторного датчика, заполняемого исследуемым материалом, и измерительного устройства. измеряющего полное сопротивление датчика, его емкостную или активную составляющие. Применяют резонансные, мостовые и дифференциальные схемы измерения, работающие на высокочастотном (ВЧ) диапазоне. Для градуировки влагомера используется набор образцов с различными значениями влажности, определяемыми образцовым методом (методом высушивания). На рис. 7 представлена схема диэлькометрического влагомера, используемого в лабораторной работе.

 

 

Рис. 17. Схема диэлькометрического влагомера.

Схема состоит из ВЧ-генератора на транзисторе VT1, емкостного датчика С5, выпрямительного моста на диодах VD1-VD4 и микроамперметра. При увеличении влажности материала, помещенного в емкостной датчик, увеличивается емкость конденсатора С5 и уменьшается его емкостное сопротивление, что приводит к увеличению тока через микроамперметр, включенный в диагональ выпрямительного моста.

Нейтронный метод основан на замедлении быстрых нейтронов протонами воды. При прохождении быстрых нейтронов с энергией сквозь вещество в результате упругих столкновений с протонами воды они замедляются и, попадая в детектор, вызываю появление импульса тока. Основными элементами нейтронного влагомера являются источник быстрых нейтронов, счетчик (детектор) замедленных нейтронов и измерительный прибор. Исследуемый материал помещается между источником быстрых нейтронов и детектором (рис.8)

Рис.18. Нейтронный влагомер.