Основные элементы систем автоматики. Первичные измерительные преобразователи

Первичные измерительные преобразователи (датчики) систем автоматики предназначены для восприятия, измерения и преобразования определенных величин параметров в технологическом процессе производства.

Они качественно изменяют входную величину и преобразуют ее в другой вид сигнала. Наибольшее распространение получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические. В некоторых системах автоматики используются датчики, которые преобразуют один вид неэлектрических сигналов в другой, например, в пневматический, гидравлический, линейное расширение твердого тела.

По роду измеряемой величины различают первичные измерительные преобразователи температуры, давления, уровня, расхода, состава, концентрации и т. п.

Первичные измерительные преобразователи температуры: термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления и термопары.

Термометры расширения. Принцип действия основан на свойстве твердых и жидких тел изменять свою длину или объем под влиянием температуры окружающей среды. Эти приборы можно разделить на биметаллические, дилатометрические, жидкостные стеклянные.

Принципиальная схема биметаллического термометра приведена на рис. 2.4. Две тонкие металлические пластинки (рис. 4а) из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения жестко соединены между собой (сварены, спаяны и т. п.). При изменении температуры произойдет деформация (изгиб) биметаллического элемента. Например, если температура повысится, то изгиб элемента произойдет в сторону пластины с малым температурным коэффициентом. Чтобы повысить чувствительность элемента, ему придают форму спирали (рис. 4, б).

В качестве материала с большим температурным коэффициентом линейного расширения применяют никель, латунь, сталь, а для пластин с малым коэффициентом линейного расширения чаще применяют инвар. Биметаллические термометры используются для измерения температуры в пределах от - 150 до 700 °С.

Дилатометрический термометр (рис. 2.5.) состоит из трубки – 1, выполненной из металла с большим температурным коэффициентом и стержня 2 – из металла с малым температурным коэффициентом. Стержень прикреплен к дну трубки жестко, а сама трубка помещена в контролируемую среду, причём правый конец её закреплён неподвижно. При повышении температуры разность в удлиненьях между трубкой и стержнем передается с помощью рычага на стрелку 3, указывающую на шкале температуру измеряемой среды.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости между температурой и давлением рабочего вещества, которое заключено в замкнутую систему.

Замкнутую систему составляют (рис. 2.6): термобаллон 1, трубчатая пружина 2 и капиллярная трубка 3.

В зависимости от вида заключенного в замкнутой системе вещества они разделяются на жидкостные, газовые и паровые.

Для заполнения жидкостных манометрических термометров используют кремнийорганическую жидкость ПМС-5; для газовых-нейтральные газы (азот, аргон); для паровых - низкокипящие жидкости (фреон, хлористый метил, ацетон и др.).

При повышении температуры рабочее тело расширяется и приводит в действие трубчатую пружину, которая перемещает стрелку относительно шкалы, градуированной в единицах температуры.

Недостатком таких приборов является сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона и наполняющим его газом, а также малой теплопроводностью газа.

Принцип действия электрических термометров сопротивления основан на свойстве проводниковых и полупроводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей среды.

В качестве проводников используется медная или платиновая проволока, намотанная на каркас из диэлектрика и заключенная в защитный кожух (рис. 2.7). Концы проводника включены в электрическую цепь вторичного прибора.

С повышением температуры электрическое сопротивление металлов возрастает.

Для измерения температуры термометр сопротивления погружают в контролируемую среду. При изменении сопротивления проводника изменяется величина проходящего по нему электрического тока, что регистрируется вторичным прибором.

Медные термометры сопротивления используются для измерения температуры от -50 до 180 °С, платиновые-для измерения температуры от -200 до +620 °С.

Полупроводниковые терморезисторы (ПТР) представляют собой термометры сопротивления, выполненные из полупроводников с большим, обычно отрицательным, температурным коэффициентом. При повышении температуры увеличивается количество «свободных» электронов и электропроводимость полупроводника.

Чувствительность полупроводниковых термосопротивлений в 5 - 10 раз больше металлических. Изготавливаются они из окислов различных металлов: титана, меди, кобальта, железа, никеля, урана и др. или из смеси этих окислов, используются для измерения температуры до 400 °С.

Полупроводниковые терморезисторы позволяют измерять температуру с высокой точностью и имеют малые размеры. Недостатком ПТР является малая температурная стойкость, значительное отличие градуировочных характеристик друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость.

Принцип термопар основан на явлении термоэлектрического эффекта. Возникновение термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) происходит вследствие того, что концентрация свободных электронов в металлах термоэлектродов термопар при одной и той же температуре различна для разных металлов.

Термопара представляет собой разнородные металлические проводники (рис. 2.8), с одного конца спаянные между собой, который называется горячим спаем. Проводники на другом конце, который называется свободным концом или холодным спаем, остаются свободными и предназначены для присоединения к измерительному прибору.

При нагревании горячего спая, вследствие разности температур горячего и холодного спаев, возникает термоЭДС, изменение которой передается в схему измерительного прибора. При измерении температуры горячего спая температуру холодного спая стабилизируют, т. е. относят в зону с постоянной температурой. Для этого применяют так называемые компенсационные провода, соединяющие холодные концы термопары с измерительным прибором.

В промышленности применяют различные термопары с термоэлектродами, изготовленными как из чистого металла, так и из их сплавов. Материалы термоэлектродов имеют индивидуальные градуировочные характеристики - зависимость термоЭДС от температуры спая и предельную измеряемую температуру. Наиболее употребляемые термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель-копель (градуировка ХК) с предельной температурой 600 °С, хромель-алюмель (ХА) с предельной температурой 1100°С, платинородий-платина (ПП) с предельной температурой 1600 °С. Для длительного измерения температур до 2000 °С применяют вольфрам-молибденовые и вольфрам-иридиевые термопары.

Электроды термопар размещаются в защитных металлических чехлах, изолированы между собой и от чехла фарфоровыми изоляторами. На головке чехла указывается марка термопары, например, ПП, ХА, ХК.

Справка:

Алюмель, сплав Ni (основа) с Al, Mn, Si, Co, Zn (в сумме ок. 6%). Высокий коэффициент термоэлектродвижущей силы, постоянство термоэлектрических свойств. Изготовляют термопары хромель-алюмель (на рабочие температуры до 1000 °C), компенсационные провода.

Копель, сплав Cu (основа) с Ni (43%) и Mn (0,5%). Изготовляют термопары (хромель — темп-копель и железо — копель), компенсационные провода, реостаты, детали нагревательных устройств. Максимальная рабочая температура 600 °С.

Хромель (от хром и никель), сплав Ni (основа) с Cr (8,5 — 10%). Изготовляют термопары (хромель — алюмель, хромель — копель), компенсационные провода. Максимальная рабочая температура 1000 °С.