Вопрос 17. Датчики температуры

Температура — один из важнейших параметров контроля многих технологических процессов переработки и хранения сельскохозяйственной продукции, приготовления кормов, содержания животных, птицы, выращивания растений в культивационных сооружениях.

ПИП датчиков температуры основаны на различных явлениях: изменение линейных размеров твердых и объема жидких и газообразных тел под действием температуры; изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников; возникновение термоЭДС в разнородных проводниках (рис. 2.23).

Контактные термометры расширения. В системах управления температурным режимом воздуха в инкубаторах и других климатических камерах в качестве датчиков используют термоконтакторы (рис. 2.24). Это стеклянные ртутные термометры расшире­ния в толстостенный капилляр которых впаяны платиновые или вольфрамовые контакты. Проводником электрического тока в них является ртуть, расширяющаяся при повышении температуры контролируемой среды. При достижении столбиком ртути контактов замыкается соответствующая электрическая цепь. Диапазон контролируемых температур от -35 до +750 °С.

Рис. 2.23. ПИП датчиков температуры и их выходные сигналы:

y ₁— высота столбика термочувствительной жидкости капилляре; у ₂—давление газа или жидкости в замкнутом объеме; у ₃— прогиб биметаллической пластины; у ₄— относительное изменение длины стержня; у ₅ — термоЭДС, у ₆— электрическое сопротивление; Е — термоЭДС; R- сопротивление

Рис. 2.24. Контактные датчики температуры:

1 — термобаллон; 2 — капилляр; 3 — контакты

Рис. 2.25. Датчик температуры с перемещаемым контактами:

1 — подвижный контакт; 2 — гайка; 3 — винт; 4 — магнитная головка

В лабораторном оборудовании, в частности в сушильных шкафах и термостатах, используют стеклянные ртутные термометры с перемещаемым контактом и магнитной регулировкой (рис. 2.25). В их оболочке перед шкальной пластиной размещается подвижный контакт, выполненный в виде вольфрамовой нити. Для настройки термометра на заданную температуру срабатывания нижний конец нити устанавливают на соответствующей отметке шкалы при вращении магнитной головки 4 вокруг верхней части термометра. Вращение головки передается на винт 3, перемещающий гайку 2 с подвижным контактом.

Дилатометрический преобразователь. Его принцип действия основан на относительном удлинении твердых тел под действием температуры. В преобразователях этого типа используют латунные трубки, внутри которых располагают стержни из инвара. Латунь имеет больший коэффициент линейного расширения, чем инвар. При нагревании латунная трубка 3 (рис. 2.26) удлиняется и связанный с ней стержень 5 из инвара перемещается относительно пружин 4. Это приводит к уменьшению начального зазора D. Который устанавливают в зависимости от требуемой температуры. При достижении этой температуры пружины растягиваются и контакты электрической цепи размыкаются.

Рис. 2.26. Дилатометрический датчик температуры:

1 - защитный колпак; 2- колпачок регулировочного винта; 3 -латунная трубка; 4- пружины; 5 — стержень; 6— контакт; 7 — регулировочный винт

Диапазон контролируемых температур от -25 до +1000 °С. Допустимая погрешность ±5°С при скорости изменения температуры контролируемой среды до 0,5 °С в 1 минуту. Датчики используют для контроля сушки кормов в агрегатах, в система отопления теплиц и животноводческих помещениях.

Биметаллический преобразователь, как и дилатометрический, основан на изменении линейных размеров тел при их нагревании. Конструктивно он представляет собой сваренные по всей длине две пластины из материалов с различными коэффициентами линейного расширения (инвар — латунь, инвар —медь). Полученная биметаллическая пластинка может быть свернута в спираль.

Биметаллические измерительные преобразователи температуры широко применяют в системах защиты электродвигателей от перегрузок в виде тепловых реле, встраиваемых в магнитные пускатели. При перегрузке двигателя ток подогревает биметаллическую пластинку настолько, что она, изгибаясь, размыкает электрическую цепь.

Изображенный на рисунке 2.27 биметаллический датчик-реле температуры используют в основном для регулирования и контроля температуры воздуха в помещениях. Чувствительным элементом датчика служит биметаллическая спираль 1, размещенная в корпусе. Один конец спирали закреплен в держателе, а другой — свободен и воздействует на подвижный контакт 3 при повышении температуры. Температуру срабатывания датчика устанавливают по шкале настройки.

Диапазон измерения температур биметаллических преобразователей от -30 до +100°С с настройкой дифференциала от 2 до 8°С. Максимальная погрешность не превышает + 2,5°С.

Манометрические датчики температуры применяют в теплогенераторах зерносушилок и паровых котлов. Они состоят из термобаллона, заполненного либо газом под давлением более 1 МПа, либо жидкостью, либо парожидкостной смесью (конденсатом). Баллон герметично соединен с манометрическим преобразователем, вследствие чего при повышении температуры в этой замкнутой системе увеличивается давление.

Рис. 2.27. Биметаллический датчик температуры: 1 — биметаллическая спираль; 2—шкала стройки; 3 и 4— контакты

Рис. 2.28. Манометрический датчик температуры:

а —схема; б—внешний вид; 1— капилляр; 2 —трубчатая пружина; 3 —ось; 4 — шкала; 5 — показывающая стрелка; 6 и 18— задающие стрелки; 7 и 15 — поводки; 8— выключатель; 9— сигнальные лампы; 10— колодка; 11 и 12— выводы, соединенные с задающими стрелками; 13— траверса с подвижными контактами; 14— держатель траверсы; 16— ось стрелки; 17— водило; 19— термобаллон

На рисунке 2.28 показан манометрический контактный термометр, термобаллон 19 которого заполнен паром хлорметила и соединен капилляром 1 с трубчатой пружиной 2. При изменении температуры меняется давление паров хлорметила, трубчатая пружина раскручивается и поворачивает ось 3, которая через поводковый передаточно-множительный механизм перемещает показывающую стрелку 5. На оси стрелки закреплена траверса 13 с двумя контактами, соединенными между собой и подключенными к одному из зажимов колодки. С другими зажимами колодки соединены выводы 11 и 12 на задающих стрелках.

Так как жидкость при тепловом расширении может развивать значительные усилия, то жидкостные манометрические термосистемы применяют в регуляторах температуры прямого действия. В этих регуляторах усилие, развиваемое нагретой жидкостью, изменяет проходное сечение вентиля, установленного в линии подвода теплоносителя или хладагента.

Термоэлектрические датчики температуры используют в сельскохозяйственном производстве при автоматизации различных технологических процессов и экспериментальных научных исследованиях.

Различают термоэлектрические преобразователи (термопары) и термосопротивления.

Термопара — преобразователь температуры генераторного типа, получивший название благодаря своей конструкции. Это два разнородных проводника, спаянные на одном конце и (горячий спай) и свободными концами (холодными) подключенные к измерительному прибору или в систему регулирования. Горячий спай помещают в контролируемую среду.

Рис. 2.29. Термоэлектрический преобразователь (термопара):

а — конструкция: 1 — клемма; 2 — изолятор; 3 - защитный чехол; 4— горячий спай; б и в —схемы подключения ко вторичному прибору

При его нагревании возникает термоЭДС Е, пропорциональная температуре нагрева q.

Конструкция термоэлектрического датчика изображена на рисунке 2.29, а. ПИП расположен в корпусе, защищающем его от повреждения и химического воздействия измеряемой среды. Корпус состоит из чехла 3 и штуцера для крепления датчи­ка на технологическом оборудовании. Термоэлектроды изолированы от чехла и один от другого керамическими изоляторами 2. В преобразователях виброустойчивого исполнения изоляция термоэлектродов выполнена из порошка оксида алюминия, заполняющего все свободное пространство внутри чехла.

Термоэлектроды изготовляют из различных металлов, и сплавов или полупроводников. В сельскохозяйственном производстве часто используют две пары сплавов: хромель-алюмель (ХА) и хромель-копель (ХК). Чувствительность ХК-термопары выше чувствительности ХА-термопары.

По динамическим характеристикам термопары соответствуют инерционным звеньям с передаточной функцией вида

Статическая характеристика их практически линейная, поэто­му коэффициент чувствительности термопары: к = Е/q.

Преимущества термопары: возможность использования в широком диапазоне температур (от -200 до +2500 °С); высокая точность измерения; инерционность от 10 до 300 с. Их основные недостатки: низкий коэффициент чувствительности и слабый выходной сигнал (от 0,6 до 7 мВ).

В ряде случаев необходимо измерять разность температур. В этом случае используют схему с двумя термопарами, включенными встречно (рис. 2.29, б) в отличие от обычной схемы подключения вторичного прибора к термопаре (рис. 2.29, в).

Термосопротивления — это преобразователи, в которых под действием температуры изменяется электрическое сопротивление.

По материалу, из которого изготовлены ПИП этой группы датчиков, они делятся на металлические и полупроводниковые.

Металлические преобразователи выполняют из тонкой металлической проволоки, наматываемой на изоляционный каркас, который закрывают защитным кожухом. Для проволоки выбирают металлы с достаточно большими и стабильными температурными коэффициентами сопротивления: медь, платину.

В первом приближении сопротивление этих преобразователей при текущем значении температуры q можно выразить уравнением

R_t = R₀ (1+ a_tq)

где R₀ — сопротивление при q. = 0 °С; a_t — температурный коэффициент сопротивления, °С^-1: для меди a_t = 4,3 × 10^-3, для платины a_t = 3,94 × 10^-3.

Температурный диапазон медных сопротивлений, ограниченный процессом окисления меди, составляет от —50 до +180 °С. При более высоких температурах происходит интенсивное окисление меди, а следовательно, существенное изменение характеристик преобразователя. Для платиновых термосопротивлений верхний предел изменений достигает 600 °С.

Преимущества металлических сопротивлений: приближенная к линейной статическая характеристика R_t=f(q), высокая стабильность, малый разброс параметров. К недостаткам относятся большие размеры и малый коэффициент чувствительности.

Передаточная функция термосопротивлений

Для большинства преобразователей Т =9...240с.

Термисторы — это полупроводниковые термосопротивления, У которых при повышении температуры сопротивление уменьшается. Их изготовляют из оксидов металлов: медно-марганцевых (ММТ) и кобальтомарганцевых (КМТ).

Позисторы — это полупроводниковые термосопротивления. Имеющие в отличие от термисторов положительный температур­ный коэффициент, т. е. с увеличением температуры до предель­ного значения их сопротивление увеличивается. Для изготовления позисторов используют титанат бария со специально подобранными примесями. К недостаткам позисторов относятся нелинейность температурной характеристики, низкая стабильность Параметров, зависимость температурного коэффициента от параметров окружающей среды.

Термосопротивления на основе полупроводников по сравнению с металлическими обладают значительно большей чувствительностью, но имеют большой разброс параметров, что затрудняет их взаимозаменяемость.