Лабораторная работа №1 «Изучение устройства и принципа работы датчиков давления и температуры»
Цель работы: знакомство с устройством, принципом работы и характеристиками датчиков различного типа, предназначенных для замера величины температуры и расположенных на учебном стенде, позволяющем исследовать их характеристики.
1. Стенд для исследования характеристик датчиков температуры
Для получения информации с объектов управления о величине давления или температуры в системах автоматики используют соответствующие датчики. На нашем стенде установлено несколько типов таких датчиков. Общий вид этого стенда показан на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид стенда для исследования характеристик датчиков давления и температуры
На стенде представлены следующие элементы:
1 — Гидроцилиндр для нагрузки датчиков давления,
3 — Датчик давления типа «АИР-10».
4 — Датчик давления типа «Сапфир».
6 — Пульт управления стендом.
7 — Многоканальный регистрирующий прибор «ТМ5103».
8 — Устройство регулирования температуры.
9 — Датчик температуры типа «ТСМУ 0104».
10 — Датчик температуры типа «Метран».
На стенде все датчики питаются от единого блока питания 5 и подключены через соответствующие тумблеры к входам многоканального вторичного регистрирующего прибора 7. Установка давления на оба соответствующих датчика производится нагрузочным винтом гидроцилиндра 1, а установка необходимой температуры на входе соответствующих датчиков производится нагревателем, в полости которого находятся чувствительные элементы датчиков температуры. Величина самой температуры задается регулятором тока 8, подаваемым на нагреватель.
2. Датчики температуры
Группа датчиков температуры расположена в правой части стенда. На рис. 6 показан общий вид установки датчиков температуры на панели стенда.
Как и в предыдущем случае, на стенде датчики температуры 3 и 4 подсоединены к одному нагревательному элементу 5, температура нагрева которого регулируется силой тока нагревателя через устройство 2. Показания обоих датчиков (как и датчиков давления) регистрируются на многоканальном цифровом индикаторе 1.
Рис. 6. Расположение датчиков температуры на панели стенда
Один из этих датчиков 3 типа «ТСМУ 0104» (предел измерения 0 -50°С) серийно выпускается научно-производственным предприятием «ЭЛЕМЕР». Второй датчик 4 — это датчик старого образца марки «МЕТРАН 200Т» (предел измерения 0 — 150″С ).
Принцип работы этих датчиков одинаков и основан на использовании в качестве чувствительного элемента термосопротивления «ТС», сопротивление которого электрическому току пропорционально температуре его нагрева. Оба датчика температуры состоят из первичного преобразователя (термосопротивления), помещенного в герметичную трубку, которая подвержена нагреву, и электронного блока, формирующего выходной сигнал датчика. Структура электронной схемы датчика «МЕТРАН» показана на рис. 7. Как и в датчике «САПФИР», в датчике «МЕТРАН» чувствительный элемент «ТС» включен в схему делителя стабилизированного напряжения через усилитель мощности. Величина сопротивления элемента «ТС» определяет величину потенциала в точке 3 электронной схемы. Этот потенциал суммируется с сигналом обратной связи, снимаемого с выхода усилителя и корректируемого регулятором тока «РТ1». На вход сумматора термосопротивлением R4 также подается сигнал температурной коррекции характеристики усилителя. Балансировка нуля в точке 3 делителя напряжения производится через сопротивление R3.
С выхода усилителя на регулятор тока «РТ2» подается сигнал, пропорциональный температуре нагрева чувствительного элемента. Таким образом, выходной токовый сигнал датчика «МЕТРАН» формируется на регуляторе тока, сопротивление которого электрическому току меняется в зависимости от потенциала в точке 3 делителя напряжения.
Рис. 7. Структура электронной схемы датчика «МЕТРАН»
Структура электронной схемы датчика «ТСМУ 0104» показана на рис. 8. Отличительной особенностью этой схемы является то, что делитель напряжения состоит из двух терморезисторов «ТС1» и «ТС2», каждый и которых имеет свой номинал сопротивления и подключается в схему через переключатель «Ш». Кроме того, в схему делителя напряжения переключателем «Ш» могут быть включены в различной комбинации сопротивления Rl, R2, R3, R4, R5. Это позволяет изменять диапазон температур, которые может зафиксировать данный датчик. 
Рис. 8. Структура электронной схемы датчика «ТСМУ 0104»
Общая монтажная схема всех приборов стенда показана на рис. 9. Основой этой схемы является многоканальный индикатор (термометр) «ТМ5103» 3, на четыре канала которого подключены вышеописанные датчики. Подключение датчиков производится по схеме «токовая петля». Питание датчиков в схеме производится от четырехканального блока питания 1.
Источник
Изучение устройства и принципа действия датчиков температуры
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ
Цель работы: Изучить принцип действия, конструкции, области применения датчиков температуры и экспериментально определить их статические характеристики.
Задание: 1.При подготовке к лабораторной работе изучить принципы действия, конструкции, назначение, условия эксплуатации и области применения жидкостных термометров расширения, биметаллических и дилатометрических термометров, манометрических термометров, термоэлектрических датчиков температуры и термометров сопротивления.
2.Изучить устройство лабораторной установки и порядок выполнения работы.
3.Экспериментально определить статические характеристики используемых в лабораторной установке датчиков температуры.
Для измерения температуры при контроле влажностно-тепловых процессов производства используют различные приборы-термометры. Эти приборы градуируются в градусах (°С).
Для измерения температуры контактным методом используются следующие термометры:
· расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению жидкостей (жидкостные) или твердых тел (дилатометрические, биметаллические);
· манометрические, использующие зависимость между температурой и давлением газа (газовые) или насыщенных паров жидкости (конденсационные), а также между температурой и объемом жидкости (жидкостные) в замкнутом пространстве термосистемы;
· термоэлектрические, действие которых основано на измерении термоэлектродвижущей силы (термо-э. д.с.), развиваемой термопарой (спаем) из двух разнородных проводников;
· сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления проводника от его температуры.
Для измерения температуры бесконтактным методом используют пирометры:
· яркостные, измеряющие температуру по яркости накаленного тела в заданном узком диапазоне длин волн;
· радиационные, измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излучения нагретого тела (во всем диапазоне длин волн);
· цветовые, принцип действия которых основан на измерении отношений энергий, излучаемых телом в разных спектральных диапазонах.
По характеру получения информации различают пирометры для локального измерения температуры в данной точке объекта и для анализа температурных полей — тепловизоры.
Жидкостные стеклянные термометры расширения. Измерение температуры жидкостными стеклянными термометрами основано на различии коэффициентов объемного расширения жидкости и стеклянной оболочки термометра. Пределы измерения жидкостных стеклянных термометров — от -120 °С до +650 °С. Для наполнения термометров используют различные термометрические жидкости: ртуть, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан.
По конструктивному исполнению жидкостные стеклянные термометры выпускаются трех типов:
1.Термометры палочные (тип А). У этого типа термометров толстостенный массивный капилляр переходит в резервуар, который изготовлен из стекла или припаян к нему в виде заготовки заданной конфигурации. Деления шкалы нанесены на наружной поверхности капиллярной трубки. Такую конструкцию имеют большинство образцовых термометров.
2.Термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки (тип Б). У этого типа термометров капилляр впаян в оболочку, из стекла которой сформирован чувствительный элемент — резервуар. Шкала изготовлена из стекла молочного цвета, из алюминия или бумаги. Такие термометры получили наибольшее распространение.
3.Термометры с наружной шкальной пластиной (тип В). Этот тип термометров изготовлен в виде капиллярной трубки, прикрепленной к шкальной пластине или оправе, на которых нанесена шкала. Такие термометры применяют в основном для измерения температуры воздуха в производственных или бытовых помещениях.
По способу получения информации об изменении температуры термометры подразделяются на контрольные (предназначены для визуального отсчета показаний) и контактные (предназначены для замыкания или размыкания цепей электрического тока с целью поддержания постоянной температуры или сигнализации о достижения температурой заданного значения).
Контактные термометры (электротерморегуляторы) изготовляют как с заданной температурой контактирования, так и с магнитной регулировкой положения контакта, обеспечивающей сигнализацию или поддержание температуры в любой точке предела измерения термометра.
Некоторые типы жидкостных стеклянных термометров расширения показаны на рис.1.
Помимо термометров специального назначения в промышленности для контроля температуры влажностно-тепловых процессов используют термометры промышленные, лабораторные и метеорологические.
Рис.1. Жидкостные стеклянные термометры расширения
а, б — технические с вложенной шкалой прямой и угловой; г — лабораторный химический с вложенной шкалой; в — электротерморегулятор палочный двух контактный угловой; д — электротерморегулятор с магнитной регулировкой контакта;
Некоторые из этих термометров (ТС-11, ТМ-4, ТМ-6) применяют для измерения влажности воздуха психрометрическим методом.
Все контактные термометры и термоконтакторы заполняются ртутью.
Перед установкой на технологическом оборудовании жидкостные стеклянные термометры расширения должны пройти стендовую поверку: внешний осмотр, поверку показаний и постоянства показаний.
При внешнем осмотре проверяют: целостность стеклянной оболочки термометра и капилляра; закрепление шкалы (не должна перемещаться) и четкость надписей на ней; отсутствие разрывов столбика жидкости в капилляре и следов испарившейся жидкости на его стенках; состояние выводов электрических контактов для электроконтактных термометров.
При поверке жидкостных стеклянных термометров расширения используют термостат, в который помещают поверяемый термометр и образцовый термометр более высокого класса точности. Показания отсчитывают после легкого постукивания по термометрам.
Постоянство показаний термометра поверяют путем поверки положения его нулевой точки перед основной поверкой и сразу после нее, т. е. после нагрева термометра до максимальной температуры. Постоянство показаний термометров, не имеющих нулевой точки, поверяют по нижней оцифрованной отметке шкалы.
К числу устранимых дефектов жидкостных стеклянных термометров расширения относят разрыв столбика жидкости в капилляре и наличие следов испарившейся жидкости на стенках капилляра. Для устранения этого дефекта термометр подвергают шестикратному нагреванию до максимальной температуры. Если при этом налет на стенках капилляра не исчезнет или обнаружится неустранимый разрыв столбика жидкости, то термометр заменяют новым. В некоторых случаях удается устранить дефекты связанные с окислением контактов или разрывами электрической цепи электроконтактных термометров.
Жидкостные стеклянные термометры расширения, у которых при стендовой поверке выявляются неустранимые дефекты, признают негодными для дальнейшего использования и не ремонтируют.
При установке на технологических аппаратах и трубопроводах жидкостные стеклянные термометры обычно помещают в защитные металлические оправы (рис.2).
Для уменьшения тепловой инерционности пространство между внутренней стенкой кармана оправы и нижней части термометра заполняют медными опилками или заливают минеральным маслом.
Рис.2. Защитные оправы для жидкостных термометров:
1 -чехол; 2 — карман; l — длина нижней части (глубина погружения) оправы.
При установке термометра его нижнюю часть полностью погружают в измеряемую среду, на прямом участке трубы термобаллон термометра располагают в центре потока, при монтаже на изгибе трубопровода ось термобаллона должна совпадать с осью трубопровода, а сам термобаллон должен быть направлен навстречу потоку. Для установки термометров на трубопроводах диаметром менее 57 мм используют различные расширители.
Дилатометрические и биметаллические термодатчики. Дилатометрические и биметаллические термодатчики предназначены для сигнализации и регулирования температуры воздуха в помещениях, а также для контроля жидких и газообразных сред (воздуха, воды и т. д.).
Датчики-реле являются не показывающими приборами, а имеют шкалу задания температуры срабатывания контактов.
Чувствительный элемент дилатометрических термодатчиков состоит из трубки 1 (см. рис. 3), изготовленной из металла с большим коэффициентом температурного линейного расширения (латунь, алюминий и др.), и находящегося внутри трубки стержня 2 из металла с малым коэффициентом расширения (например инвара). Трубку прибора полностью помещают в контролируемую среду. При изменении температуры среды изменяется длина трубки. Связанный с ней стержень перемещается, в результате чего замыкаются (размыкаются) контакты или перемещается чувствительный элемент преобразователя.
В качестве чувствительного элемента в биметаллических преобразователях используется пластинка или спираль, состоящая из двух сваренных по всей длине металлических пластин 1, 2 (рис.4) с разными коэффициентами температурного линейного расширения (например из меди и инвара). При изменении температуры среды биметаллическая пластинка (спираль) изгибается, перемещая чувствительный элемент преобразователя или переключая контакты.
В производстве используют термодатчики двухпозиционные типа ДТКБ (биметаллические) и типа ТУДЭ (дилатометрические), а также трехпозиционные типа ТБ-ЭЗК (биметаллические).
Дилатометрические и биметаллические термодатчики всех модификаций монтируют в любом положении (вертикальном, наклонном горизонтальном). Датчики камерные биметаллические типа ДТКБ устанавливают на высоте 1,5. 1,8 м от пола, типа ТБ-ЭЗК — на высоте 1,8. 2 м. При измерении температуры среды в трубопроводе середина чувствительного элемента дилатометрического термометра должна совпадать с осью потока. При необходимости чувствительный элемент помещают в гильзу, однако при этом сильно возрастает тепловая инерционность термометра. Биметаллические датчики-реле нельзя устанавливать в нишах и за различными декоративными элементами, что препятствует нормальной циркуляции воздуха около прибора и значительно увеличивает погрешность измерения, а также в местах, подверженных воздействию внешних источников тепла (отопительные батареи, солнечная радиация и т. д.). Расстояние прибора от стены должно быть не менее 50. 70 мм. При монтаже и эксплуатации следят, чтобы циркуляция воздуха вокруг приборов была свободной, относительная влажность окружающей среды — 30. 80 %.
Техническое обслуживание термодатчиков состоит в периодическом осмотре и поверке согласно графикам, установленным метрологической службой.
Манометрические термометры. Манометрические термометры предназначены для дистанционного измерения температуры газов (воздуха, аммиака, углекислого газа, сероводорода, метана и др.), паров жидкостей.
К преимуществам манометрических термометров по сравнению с аналогичными преобразователями другого принципа действия относят возможность дистанционного измерения параметров без использования источников дополнительной энергии; простоту конструкции и большую надежность при эксплуатации; равномерность шкалы; взрывобезопасность; отсутствие чувствительности к внешним электромагнитным полям.
Манометрические термометры (рис.5) состоят из герметично замкнутой термосистемы (термобаллон, соединительный дистанционный капилляр, упругий чувствительный элемент) и показывающего или записывающего устройства. В зависимости от заполнителя термосистемы манометрические термометры изготовляют трех видов: газовые — с азотом; жидкостные — с полиметилсилоксановыми жидкостями; конденсационные (парожидкостные) — с ацетоном, метилом, хлоридом фреона.
Рис.5. Схема устройства манометрического термометра:
1 -термобаллон; 2 — хвостовик; 3 — капилляр; 4 — манометрическая трубка (пружина); 5 — зубчатое колесо, соединенное со стрелкой; 6 — спиральная пружина, служащая для устранения люфта в зубчатом зацеплении; 7 — тяга; 8 — зубчатый сектор.
Максимально допустимые значения показателя тепловой инерции манометрических термометров приведены в таблице 1.
Показатель тепловой инерции — это время, необходимое для того, чтобы при внесении термометра в среду с постоянной температурой разность между показаниями термометра и температурой среды составила 37 % от первоначального значения этой разности. Величина тепловой инерции увеличивается с возрастанием длины дистанционного капилляра.
Дистанционный капилляр изготовлен из латуни или сталей Х18Н10Т и Х18Н10Т-М. Для защиты от механических повреждений капилляр помещен в оболочку из полиэтилена или оцинкованной стальной ленты.
Термобаллон металлических термометров снабжен жестким трубчатым хвостовиком различной длины, позволяющим погружать его в измеряемую среду на необходимую глубину, которая оговаривается при заказе термометра. Для присоединения термобаллона к установке служит штуцер из стали А20 или Х18Н10Т.
При погружении термобаллона в среду под давлением свыше 64×105 Па, а также в случае, если смена термобаллона может повлечь за собой остановку аппарата, рекомендуется применять защитную гильзу, выдерживающую давление 250×105 Па. Для снижения тепловой инерции пространство между гильзой и термобаллоном заполнено металлическими опилками или жидкостью с температурой кипения более высокой, чем верхний предел измерений.
Показатели тепловой инерции манометрических термометров
Источник