Тема: «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
(ДАТЧИКИ)»
Вопросы:
Изучение измерительных преобразователей температуры.
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 измеряют путем измерения других физических величин, функционально с ней связанных. Эти функциональные зависимости были установлены в ходе развития естественно-научных дисциплин Термодинамическая температура связана с температурой Цельсия соотношением Т(К) = t (°C) +273,15. Измерительные преобразователи температуры можно подразделить на несколько больших групп:
- термометры расширения;
- термометры сопротивления;
- манометрические термометры;
- термоэлектрические термометры (термопары);
- пироэлектрические термометры (греч. пиро – огонь).
Термометры расширения бывают жидкостные, биметаллические и дилатометрические. В жидкостных термометрах в качестве рабочих жидкостей используют: ртуть (-35º С ÷ 750 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 (рис. 2.3). Слои отличаются температурными коэффициентами расширения. При увеличении температуры чувствительный элемент изгибается в сторону слоя с меньшим температурным коэффициентом. 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.
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 проволоки. При нагреве на 100ºС сопротивление медной проволоки увеличивается на 42,6%.
Медные ТС используются в диапазоне - 50 ÷ 200 ºС. Обычный температурный диапазон для платиновых ТС составляет: - 200 ÷ +650 ºС, расширенный диапазон: - 260 ÷ +1100 ºС. Используют также никелевые ТС. При t ≥ 600ºC используются вольфрамовые ТС. Кроме проволочных ТС выпускаются также тонкопленочные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на кремниевую микромембрану. В диапазоне 0 ÷ 200 ºС применяются кремниевые ТС.
Они встраиваются в микроструктуру для осуществления температурной компенсации и используются также в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств.
Термометры сопротивления работают в комплекте с электронными мостами и логометрами (рис. 2.5).
| 
| 
|
| Рис. 2.3. Термометр биметаллический | Рис. 2.4. Термометр сопротивления металлический | |
| ||
| Рис. 2.5. Схема логометра |
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 100º С сопротивление термисторов уменьшается в несколько раз.
Температурный диапазон, охватываемый термисторами, составляет -100 ÷ 300 ºС.
Позисторы напоминают термисторы, но температурный коэффициент у них положительный. Основой позисторов является титанат бария – BaTiO3.
К достоинствам металлических ТС относятся: 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 относятся: меньший температурный диапазон (-100 ÷ 300 °С) и разброс характеристик (более 1%).
Действие манометрических термометров (МТ) основано на изменении 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 и паровые (конденсационные). Температурный диапазон МТ: -200 ÷ 600 °С.
Рис. 2.6. Манометрический термометр
На рис. 2.6 представлен типичный манометрический термометр (МТ). В жидкостных МТ вся система заполняется ртутью или органическими жидкостями. Температурный диапазон: - 200 ÷ 300 ºС. В газовых МТ система заполняется азотом N2. температурный диапазон у них: - 50 ÷ 600 ºС. В конденсационных МТ 2/3 баллона заполняются жидкостью с низкой температурой кипения, давление создают пары этой жидкости.
Применяются: фреон-22 (диапазон - 85 ÷ +80 ºС), пропилен С3Н6 (- 50 ÷ +60 ºС), хлористый метил СН3Сl (0 ÷125 ºС), ацетон С3Н6О (100 ÷ 200ºС), этилбензол (-160 ÷ 300 ºС). Шкалы у жидкостных и газовых МТ равномерные, а у конденсационных МТ – сильно неравномерные.
Действие термоэлектрических термометров (термопар) основано на явлении, открытом в 1827г. Зеебеком. Начали применяться они в конце XIX 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 создается ЭДС.
Контактная разность потенциалов была открыта еще раньше Алессандро Вольта в 1795 г. На практике чаще других применяются следующие термопары: 1) хромель-копель, диапазон измерений (- 200 ÷ 600 ºС); 2) хромель-алюмель (- 200 ÷1000ºС); 3) платинородий - платина (0 ÷1300 ºС); 4) платинородий (30% родия Rh) – платинородий (6% родия) (300 ÷1600 ºС); 5) вольфрам-рений (5% Re) –вольфрам-рений (20% Re) (0 ÷ 2200 ºC).
Термопары используются в комплекте с милливольтметрами и автоматическими потенциометрами.
Действие пирометров основано на тепловом излучении тел. Согласно современной физике, все тела испускают тепловое излучение – электро-магнитные волны. Чем выше температура тела, тем сильнее оно излучает.
Реальные тела излучают меньше, в связи с чем для них вводят коэффициент «серости» к < 1.
Рис. 2.7. 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)
Применяются пирометры полного и частичного излучения. На рис. 2.7 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. 2.8 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. 2.8. Схема радиационного пирометра (1 – телескоп; 2 – вторичный прибор; 3 – линза; 4 – окуляр; 5 – соединительные провода; 6 – объект измерения; 7 – термочувствительный элемент; 8 – диафрагма)