Датчики температуры. Манометрические термометры - это устройства, в которых используется объёмное расширение рабочего вещества (эфир

Манометрические термометры - это устройства, в которых используется объёмное расширение рабочего вещества (эфир, ацетон, хладон-22 и др.) в герметичной термосистеме, состоящей из термобаллона, капилляра и манометрического преобразователя с электроконтактами и указателем (см. рис. 5.2). При испарении и расширении рабочего вещества за счёт возникающего давления, пропорционального температуре, сильфонный преобразователь расширения вызывает срабатывание электрических контактов, заранее установленных на какую-то заданную температуру (одно или несколько значений).

Рис. 5.2. Манометрический термометр: 1 - термобаллон; 2 - капилляр; 3 - манометрический преобразователь (сильфон); 4 - контактная группа; 5 - стрелочный индикатор.

Электроконтактный ртутный термометр - устроен как обычный термометр, например - медицинский. Использовать его в качестве датчика позволяют электрические контакты, вделанные в ртутный капилляр (рис. 5.3). В этом приборе используется электропроводность ртути, которая при определённой температуре, расширяясь, достигает подвижного контакта и замыкает цепь управления. Положение подвижного контакта можно изменять, меняя, тем самым, температуру срабатывания. Контроль за температурой осуществляется по шкале температур, как в обычном измерительном термометре.

Биметаллический датчик температуры конструктивно выполняется на основе биметаллической двухслойной пластины (ленты), в которой две ленты с различным температурным коэффициентом расширения соединены контактной сваркой. Такая лента с изменением температуры изгибается или закручивается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения. Будучи механически связанной с группой контактов или переменным резистором, при изменении температуры лента вызовет срабатывание соответствующих электроконтактов или изменение положения подвижного контакта переменного резистора.

Рис. 5.3. Устройство электроконтактного ртутного термометра: 1 – ртутный капилляр; 2 – подвижный электроконтакт; 3- неподвижный электроконтакт; 4 – шкала температур.

Термоэлектрические датчики функционируют на основе эффекта Зеебека, сущность которого заключается в возникновении термоЭДС в цепи, составленной из двух различных проводников, например железо-константан. При нагреве места соединения возникает ЭДС, величина которой пропорциональна температуре.

Терморезисторы -это элементы, в которых используется явление изменения электрического сопротивления проводящих материалов в зависимости от температуры. Они бывают проволочные и полупроводниковые. Проволочные резисторы выполняются из меди или платины. Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) изготавливают из смеси окислов некоторых металлов (MnO₂, CuO₂, Fe₂O₃, NiO и др.) или из германия. В качестве терморезисторов могут использоваться также германиевые диоды и транзисторы.

Датчики влажности

В качестве датчиков влажности воздуха используются приборы – гигристоры. Конструктивно они похожи на резисторы. У них проводящий слой выполняется из материалов, сопротивление которых зависит от уровня влажности воздуха. Здесь часто возникают затруднения ввиду зависимости относительной влажности воздуха от температуры, что характерно для процессов вентиляции животноводческих помещений, при сушке различных материалов и др.

Датчики влажности кондуктометрического типа, изготавливают виде воздушного конденсатора, который питается напряжением сверхвысокой частоты. При изменении влажности воздуха меняется его диэлектрическая проницаемость, и «соответственно» емкость конденсатора, что приводит к изменению величины тока, протекающего через такой конденсатор. Это изменение функционально связано с абсолютной влажностью воздуха.

Датчики давления

Мембранные датчики - имеют чувствительный элемент в виде круглой пластины, находящейся между двумя камерами (рис. 5.4). Мембрана может быть плоской, гофрированной или выпуклой формы. Такой датчик функционирует следующим образом. При увеличении давления в измерительной камере мембрана прогибается и передвигает механически связанные с ней подвижный электроконтакт и стрелочный указатель. Уровень давления для замыкания каждого из электроконтактов контактной группы зависит от его предварительной установки. С этой целью предусматривается возможность установки неподвижных контактов на разное давление их срабатывания. Мембрана обладает пружинными свойствами и при уменьшении давления может возвращаться в исходное положение или прогибаться в другую сторону.

Рис. 5.4. Схема устройства мембранного датчика давления: 1-плоская мембрана; 2-измерительная (закрытая) камера; 3-открытая камера; 4-стрелочный указатель; 5-контактная группа.

Сильфонныеи пружинные датчики в качестве чувствительного элемента содержит сильфон (см. рис. 5.2) или трубчатую пружину, способную деформироваться за счёт изменения давления во внутреннем объёме. В остальном они аналогичны мембранным датчикам.

Пьезоэлектрические датчики основаны на пьезоэффекте, когда в кристаллических структурах (сегнетовая соль, кварц) на гранях кристаллов при деформации возникает ЭДС, величина которой пропорциональна деформации.

Датчики расхода

Расход вещества - это масса вещества или его объём, проходящий через поперечное сечение канала за определённый промежуток времени. Измеряют расход вещества приборами - расходомерами. Расходомер, снабжённый интегрирующим устройством для суммирования показаний, называют счётчиком.

Дроссельные датчики, используемые для регистрации расхода жидкости, например воды, имеют в своём составе диафрагму и дифференциальный манометр, регистрирующий перепад давления DР (рис. 5.5). Диафрагма имеет отверстие с диаметром меньше диаметра канала трубопровода, в котором течёт жидкость. Благодаря наличию диафрагмы, поток жидкости перед ней тормозится и статическое давление Р₁ потока увеличивается. За диафрагмой давление понижается, Р₂< Р₁. Разность давлений DР однозначно связана со скоростью потока жидкости в канале,υ_ж.

ΔР=Р₁-Р₂ υ_ж=f (ΔР)

Рис. 5.5. Дроссельный датчик расхода жидкости: 1-трубопровод; 2-диафрагма; 3-дифференциальный манометр-преобразователь

Величину DР регистрируют и преобразуют в электрический сигнал дифференциальным манометром. Очевидно, что при известном значении скорости v жидкости в канале и диаметре канала D можно однозначно определять расход этой жидкости, как

.

Скоростные датчики расхода (анемометры) функционируют на основе измерения средней скорости потока в канале с помощью лопастных колёс, вертушек, взаимодействующих с потоком (рис.5.6). В современных конструкциях таких расходомеров применяют герметизированные преобразователи скорости вращения вертушки в электрический сигнал, например импульсный, как показано на рисунке.

Рис. 5.6. Скоростной датчик расхода: 1 - трубопровод; 2 - вертушка; 3 - постоянный магнит; 4 - формирователь электрических импульсов.

В этом преобразователе может использоваться электромагнитная схема формирования импульсов или геркон. Частота следования импульсов n однозначно связана с частотой вращения вертушки и соответственно со скоростью потока υ_ж = f (n), которая определяет расход жидкости V_ж = v_жpD²/4.

Бесконтактные датчики расхода (ультразвуковые, электромагнитные (индукционные), радиоизотопные и др., не вносят возмущения в поток жидкости и газа и позволяют благодаря этому достичь более высокой точности регистрации скорости потока. Принцип их заключается в том, что под воздействием какого-либо источника излучения в потоке происходят изменения плотности или образуются метки (ионные, радиоактивные), имеющие скорость одинаковую с потоком. Измеряя скорость метки получают скорость потока. В ультразвуковых датчиках используется эффект Допплера. Электромагнитные (индукционные) датчики функционируют на основе явления электромагнитной индукции.