Устройство датчиков температуры, давления и положения

Датчики (первичные преобразователи) обеспечивают преобразование различных физических величин в электрические сигналы, которые поступают в блок управления (контроллер, компьютер,) где они сравниваются с заданными величинами. При несоответствии их параметрам технологического процесса из блока управления поступает сигнал на исполнительные механизмы для изменения параметров. Электропривод исполнительного механизма отрабатывает входной сигнал и передает в виде импульса на электродвигатель, который обеспечивает перемещение рабочего органа пропорционально длительности импульса.

К датчикам предъявляются следующие требования:

- линейность и однозначность статической характеристики (допускаемая нелинейность до 3%),

- стабильность характеристик во времени,

- устойчивость к воздействиям контролируемой среды,

- взаимозаменяемость однотипных устройств,

- удобство монтажа и обслуживания.

В зависимости от измеряемой величины различают датчики температуры, влажности, давления, уровня и пр. По принципу действия датчики классифицируют на электрические, механических перемещений (линейных и угловых), оптические, комбинированные и другие. В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время -4%, электрические и магнитные величины - менее 4%.

По виду выходной величины различают неэлектрические и электрические датчики. Большинство датчиков является электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические сигналы удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические сигналы универсальны в том смысле, что любые другие измерения физических величин могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- электрические сигналы точно преобразуются в цифровой код, позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал пропорционально изменению входной величины;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: включено/выключено (0 или 1). Бинарные датчики получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Сигналы датчиков используются либо непосредственно в схемах управления, либо предварительно обрабатываются в специальных устройствах – регуляторах, которые и осуществляют управление различными технологическими режимами в автоматическом режиме.

Температура является наиболее часто измеряемым параметром в технологических процессах.

Датчики температуры могут быть терможидкостные, термопары, термопробразователи сопротивления, термореле. Терможидкостные датчики преобразуют изменение температуры в изменение высоты столба жидкости в капилляре, т.е. контактные термометры.

Для контактных термометров стандартными призваны два принципа измерения: с использованием термопар и датчиков сопротивления.

Термопары представляют собой разнородные проводники или полупроводники соединенные между собой пайкой. При нагревании термопары в сочленении проводников из разных материалов возникает термо ЭДС, которая пропорциональна температуре.

Термопара (термоэлектрический преобразователь) типа ТХА, ТХК, ТПП и пр. состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. На рис.7.4 представлен общий вид термопары, используемой для измерения температуры в жидких и газообразных средах.

1______

2_______

3________

4________

Рис.7.4 Термопара для измерения температуры в жидких и газообразных средах: 1- соединительная головка с кабельным сальником, 2- шейка, 3 - технологическое соединение,-4 термогильза

Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы «холодный спай» термопары подключается ко входу измерителей, регуляторов. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то термопара вырабатывает термо ЭДС, которая подается на прибор. Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора рекомендуется экранировать линию связи прибора с датчиком температуры. На рис. 7.5 представлена схема подключения термопары к прибору.

Рис 7.5 Схема подключения термопары к прибору

Для подключения термопробразователей сопротивления к приборам используется трехпроводная схема, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивлении проводов, рис 7.6.

Рис.7.6 Схема подключения термопробразователя сопротивления к прибору

К одному из выводов терморезистора подсоединяют два провода, а третий подключается к другому выводу. При этом необходимо соблюдать условие равенства сопротивлений всех трех проводов

О конструктивных параметрах датчиков температуры можно судить по датчику типа ТТЦ01-180, представленному на рис 7.7.

Рис.7.7 Размеры датчика температуры типа ТТЦ01-180

D (4-6мм), L (160-1500мм)

Термопары пригодны для измерения температур в диапазоне от 0 до 1800 град. С. Они характеризуются быстрой реакцией и высокой вибростойкостью.

Принцип работы термопреобразователей сопротивления ТСМ, ТСП основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Термопреобразователи выполняют в виде катушки из тонкой меди или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала, заключенной в защитную гильзу. В чувствительных элементах датчиков наиболее часто используется Рт-100, который имеет номинальное значение 100 Ом при 0 град. С. Они используются для измерения температуры от – 200 до 800 град. С и характеризуются высокой точностью и долговременной стабильностью. Датчики Рт-100 изготавливаются в различных форматах:

- керамические чувствительные элементы с проволочной намоткой. Спираль из платиновой проволоки наматывается и вставляется в трубку с порошком оксида магния и выводится наружу с помощью платинового провода.

- тонкопленочные чувствительные элементы. Платиновый слой наносится напылением на керамическую пластину, затем наверх наплавляется стеклянный слой для защиты соединительных проводов и платинового слоя.

Механическая конструкция термометров, используемых на технологических установках, одинакова для термометров сопротивления и термопар.

Измерительные вставки состоят из трубки, выполненной из нержавеющей стали, внутри которой помещаются внутренние провода датчиков сопротивления или термопар. Чувствительный элемент находится на наконечнике измерительной вставки. На верхнем конце измерительной вставки устанавливаются электрические контакты. Соединительная головка устанавливается на шейку термометра или термогильзу. Соединительные головки, в которых устанавливаются клеммная головка или преобразователь. Различаются по форме и материалу изготовления (пластик, алюминий или нержавеющая сталь). Кабельные вводы М20х1,5, пригодны для кабелей диаметром от 5 до 9 мм. Термогильза является компонентом термометра, непосредственно контактирующим со средой.

Термопреобразователи обеспечивают непрерывное преобразование температуры в унифицированный выходной сигнал 0…5 мА, 0…20 мА и 4…20 мА. Измерительные преобразователи монтируются в головке термопреобразователя и могут поставляться отдельно. Термопреобразователи обычно изготавливаются с корпусом и могут быть трех типов:

- устройства, монтируемые на рейке ДИН, пригодные для установки на панели,

- встраиваемые преобразователи для непосредственной установки в соединительных головках термометра,

- полевые преобразователи для прямого присоединения в производственной зоне.

Термопреобразователи сопротивления (игольчатые) типа К1 предназначены для контроля температуры сыпучих и пластичных сред, при горячей или холодной обработке или хранении (зерно, мороженое, мясные и хлебобулочные изделия), а типа Кл2-1 и Кл2-2 для контроля температуры плоских объектов и труб (интервал измерения 40-125 градусов).

Термометры сопротивления типа Кл1-1 используются, когда расстояние от точки контроля до прибора может достигать 1000 м. В терморезисторах используется полупроводник с положительным температурным сопротивлением (позисторы) или с отрицательным коэффициентом сопротивлением (термисторы). В качестве чувствительного элемента применяются полупроводниковый датчик с чувствительностью 10 -50 мВ/град в диапазоне преобразований от -40 до + 125 град.С.

Измеритель-регулятор температуры двухканальный с универсальным входом - ОВЕН ТРМ202, представлен на рис 7.8

Рис 7.8 Измеритель- регулятор температуры ОВЕН ТРМ202

Двухканальный измеритель нового поколения рекомендуется к применению в холодильной технике, сушильных шкафах, печах, пастеризаторах и другом технологическом оборудовании. Класс точности 0,5/0,25 Прибор выпускается в корпусах 3-х типов: настенном Н и щитовых (Щ1 и Щ2).

Функциональная схема регулятора температуры ТРМ202 представлена на рис 7.9

Рис 7.9 Функциональная схема регулятора температуры ТРМ202

Измеритель – регулятор ТРМ202 имеет два универсальных входа для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности и др., два логические устройства (ЛУ1 и ЛУ2) для вывода измеряемых величин на индикацию, два выходные устройства (ВУ1 и ВУ2). В ТРМ202 установлен модуль интерфейса RS-485 для связи с персональным компьютером (ПК). Двунаправленный интерфейс RS-485 для связи с ЭВМ предоставляет следующие возможности:

регистрировать данные на ЭВМ

устанавливать конфигурацию прибора с компьютера.

Подключение ТРМ202 к ПК производится через адаптеры ОВЕН АС3-М или АС4. При интеграции ТРМ202 в АСУ ТП в качестве программного обеспечения можно использовать SCADA-систему Owen Process Manager. В качестве программного обеспечения можно использовать SCADA-систему ОВЕН OPC-сервер или любое другое программное обеспечение (при наличии соответствующего драйвера).

Прибор имеет универсальные входы для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности и др. Возможно подключение двух датчиков разного типа.

Предусмотрено подключение следующих датчиков:

Термосопротивления ТСП 100П, 50П, Pt100; ТСМ 50М, 100М.

Термопары: ТХК(L), ТХА(K), ТЖК(J), ТПР(B), ТВР, ТНН(N), ТПП(R), ТПП(S), ТМК(Т)

Датчики с унифицированным токовым сигналом 0..5 мА, 0..20 мА или 4..20 мА

Датчики с унифицированным сигналом напряжения -50..+50 мВ или 0..1 В

Выходное устройство

РР - два электромагнитных реле 8А 200В

КК - две транзисторных оптопары структуры n-p-n-типа 200мА 40В

СС - две симисторных оптопары 50мА 300В для управления однофазной нагрузкой

ИИ - два цифроаналоговых преобразователя "параметр - ток 4..20 мА"

РИ - ВУ1 - реле электромагнитное 8А 220В

ВУ2 - ЦАП "параметр - ток 4..20 мА"

КИ - ВУ1 - транзисторная оптопара структуры n-p-n-типа 200мА 40В

ВУ2 - ЦАП "параметр - ток 4..20 мА"

СИ - ВУ1 - симисторная оптопара 50мА 300В

ВУ2 - ЦАП "параметр - ток 4..20 мА"

Приборы для измерения давления по виду чувствительного элемента разделяются на: жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается высотой столба жидкости; мембранные, в которых измеряемое давление уравновешивается силой упругой деформации мембраны; пружинные и сильфонные, в которых измеряемое давление уравновешивается упругой деформацией пружины или сильфона; тензопреобразовательные, в которых измеряемый параметр деформирует пластину монокристаллического сапфира с кремниевыми плёночными тензорезисторами, что, в свою очередь, изменяет электрическое сопротивление последних.

Датчики давления подразделяются на абсолютного, избыточного и дифференциального давления (разности перепада давления). Датчики гидростатического давления предназначены для работы в системах контроля и регулирования технологическими процессами с целью непрерывного преобразования гидростатического давления контролируемой среды в унифицированный сигнал постоянного тока.

Датчики дифференциального давления используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости.

Преобразователи давления измерительные АИР-10L используются в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и предназначены для непрерывного преобразования в унифицированный токовый выходной сигнал 4...20 мА следующих величин: абсолютного давления — АИР-10L-ДА; избыточного давления — АИР-10L-ДИ; избыточного давления-разрежения — АИР-10L-ДИВ.

Монтаж наиболее широко применяемых приборов для измерения давления производят по типовым схемам. Датчики давления типа АИР-10 состоят из первичного преобразователя и электронного устройства. Работает он следующим образом: среда под давлением подается в камеру первичного преобразователя и деформирует его мембрану, что производит к изменению электрического сопротивления расположенных на них тензорезисторов, включенных в электрическую цепь делителя напряжения, в результате чего первичный преобразователь выдает сигнал напряжения. Электронное устройство преобразует электрический сигнал в цифровой код значения измеряемого давления, который затем преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал.АИР-10 могут подключаться к компьютеру посредством интерфейса RS 232. Одним из перспективных датчиков давления является прибор Элемер АИР-30, рис.7.10.

Рис.7.10 Датчик давления Элемер АИР-30

Тензометрические приборы, типа Сапфир, преобразующие измеряемый параметр-давление, разрежение или разность давлений в электрический сигнал, выпускаются пяти модификаций: абсолютного давления "Сапфир-22ДА",избыточного давления "Сапфир-22ДИ",разряжения "Сапфир-22ДВ",давления-разряжения "Сапфир-22ДИВ",разности давлений"Сапфир-22ДД", гидростатического давления "Сапфир-22ДГ".Две последние модификации служат в основном для измерения расхода и уровня, рис 7.11.

Рис 7.11 Тензометрические датчики типа Сапфир

Все приборы "Сапфир-22" монтируют на строительных конструкциях производственных помещений на стойках, кронштейнах или штативах. Для контроля давления нашли широкое применение манометры общего назначения серий ОБМ,ОБВ,ОБМВ и технические манометры серии МТ, устанавливаемые на технологическом оборудовании (аппараты) и трубопроводах. Для вентиляционных каналов, шкафов кондиционирования, складских и холодильных помещений применяются датчики влажности, одной из разновидностью которых является гигростат (типовой ряд 90.7032). В гигростате применены в качестве измерительного элемента специально подготовленные искусственные волокна. Гигроскопические свойства волокон действуют на изменение длины пропорционально изменению относительной влажности воздуха. Удлинение волокон воздействует на микровыключатель с очень малым путем переключения посредством точной механики. Ручной установки задания задается смещение точного механизма так, что по достижении заданной влажности воздуха микровыключатель срабатывает. Датчик канального исполнения может поставляться с двумя переключающими контактами. Интервал переключений между двумя переключателями регулируется в пределах 3-18% относительной влажности. Датчик применяется для монтажа в канале и на стене

Прецизионные датчики перемещения, рис 7.12, предназначены для измерения перемещения / положения посредством перемещения штока в корпусе датчика.

Рис 7.12 Датчики перемещения / положения

Для измерения перемещений могут использоваться потенциометрические датчики, представляющие собой переменный резистор (потенциометр), подвижный элемент которого механически связан с перемещаемым объектом. В этом случае сопротивление потенциометра зависит от величины перемещения. Кроме того, измерение перемещений возможно индуктивным методом, принцип действия которого основан на изменении индуктивности катушки при перемещении сердечника. В датчиках применен принцип линейного переменного дифференциального трансформатора (LVDT), который обеспечивает большой ресурс и стабильность измерений. Датчики LVDT не имеют электрического контакта между штоком и корпусом, что позволяет проводить измерения с высокой точностью, высоким разрешением и очень большим ресурсом.