Датчики давления и температуры

Датчики давления. Датчики давления преобразуют давление воздуха или жидкости в механическое перемещение чувствительного элемента. Они бывают механическими, гидравлическими, пневматическими и др.
Типичным представителем гидравлического датчика является напорный золотник (рис. 2.14, а). Рабочая среда подводится к штуцеру 4 напорного золотника. Под действием давления плунжер 3, преодолевая сопротивление регулировочной пружины 2, перемешается вверх и открывает выходной штуцер 1, соединяя его с исполнительным элементом, например с гидроцилиндром, шток которого начинает движение, выполняя команду автоматической системы.
На рис. 2.14, б приведена схема элекгрогидравлического датчика. Рабочая среда подводится к входному штуцеру. Под действием давления мембрана 9 прогибается вверх, поворачивая рычаг 8 вокруг оси 5. Рычаг воздействует на микропереключатель 7, который и управляет исполнительным элементом. Чувствительность датчика регулируется болтом 6 с пружиной.

Датчики температуры. Датчики температуры преобразуют температуру в электрический или другой сигнал.
Датчики температуры различаются по принципу действия. Они подразделяются на термоэлектрические пирометры, действие которых основано на возникновении термоЭДС при нагревании спая разнородных электродов; термометры сопротивления (терморезисторы), принцип работы которых основан на изменении электрического сопротивления проводника при его нагревании; термометры расширения, которые, в свою очередь, подразделяются на дилатометрические (основанные на изменении объема или линейных размеров тела при нагревании) и манометрические (основанные на изменении давления жидкости или газа при их нагревании); пирометры излучения, действие которых основано на нагревании тел лучеиспусканием или яркости свечения.
Диапазоны измеряемой температуры для различных измерителей приведены в табл. 2.2.

Термопары. Преобразование тепловой энергии в электрическую в термопарах основано на появлении так называемой термоЭДС в специальных металлических электродах при неравенстве температур их спаянных концов.
Термопара состоит из двух специальных термоэлектродов А и Б (рис. 2.15, а). Материалом для термопар служат различные металлы. При выборе термопар (СТ-СЭВТХА) необходимо учитывать возможные предельные значения температур для длительного и кратковременного пользований, приведенные в табл. 2.3.

ТермоЭДС некоторых термопар с увеличением температуры линейно возрастает. Чувствительность термопар составляет 5...80 мкВ. Имеются полупроводниковые термопары, чувствительность которых составляет около 1000 мкВ/°С.

Для измерения термоЭДС в цепь термопары включают измерительный прибор. В случае, показанном на рис. 2.15, б, у термопары будут два спая: один — рабочий 1 и другой — два свободных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру t0; в случае, показанном на рис. 2.15, в, у термопары будут четыре спая: один рабочий 1, один свободный 2 и два контрольных 3 и 4. Спаи 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру t2. Несмотря на внешнее отличие схем на рис. 2.15, б и 2.15, в термоЭДС, развиваемая термопарами, в обоих случаях будет одинаковой, если одинаковыми будут температуры рабочих и свободных спаев. В случае нарушения этого условия появится посторонняя (паразитная) термоЭДС. Чтобы устранить это явление, применяют так называемые удлинительные провода; при этом места присоединения удлинительных проводов должны иметь одинаковую температуру и удлинительные термоэлектроды (провода) должны быть термоэлектрически идентичны термопаре. Поэтому для каждой термопары должны быть свои удлинительные провода. Например, для платинородиевых термопар применяются удлинительные провода из меди и сплава MH (медно-никелевые), для термопар хромель—алюмель, называемых термоэлектрическими, — из меди и константана.
ТермоЭДС, развиваемая термопарой, невелика и составляет 0,01...0,07 мВ на 1 °С. Для получения большей термоЭДС применяют термобатареи (рис. 2.15, г).
Термопары заводского изготовления представляют собой защитные металлическую или фарфоровую трубки, в которых помещаются термоэлектроды.
Терморезисторы. Принцип действия терморезисторов (термометров сопротивления) основан на изменении сопротивления проволоки при изменении ее температуры. Терморезистор состоит из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из слюды, кварца или фарфора. Рабочая часть термометра заключена в специальный защитный чехол. При изменении температуры проволоки изменяются ее сопротивление, а следовательно, и питающий терморезистор ток, по величине которого судят об измеряемой температуре. Так как ток будет нагревать проволоку и тем самым искажать показания действительной температуры, он должен иметь минимальное значение (порядка 10...15 мА). Проволочные терморезисторы подключают к логометрам или электронному мосту.
Некоторые данные о терморезисторах приведены в табл. 2.4.

Недостатком большей части терморезисторов является их значительная тепловая инерционность.
Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы). Термисторами называют полупроводниковые датчики температуры. В качестве материала для термисторов используется смесь оксидов марганца, никеля, железа и цинка. Полупроводник помещается в корпус с изолятором. Термисторы изготовляются в виде бусинок, таблеток, чечевиц, колец и т.д. Термисторы являются очень чувствительными элементами, поэтому с их помощью можно измерять температуру с очень высокой точностью (в некоторых случаях до 0,005 °С). С динамической точки зрения они являются относительно малоинерционными элементами. Время «разгона» некоторых термисторов составляет несколько секунд. К недостаткам следует отнести их малую температурную стойкость и значительный разброс характеристик Наиболее распространенные термисторы не выдерживают температуру выше 200 °С.
Термодиоды, термотранзисторы. Для измерения температур в диапазоне -80...+150 °С применяются термодиоды и термотранзисторы. Верхний предел температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем р—n-перехода, нижний — уменьшением концентрации основных носителей. Главными достоинствами таких датчиков являются возможность взаимозаменяемости и малые габаритные размеры.
Позисторы, кризисторы. Имеется ряд материалов, для которых наблюдается резкое изменение электропроводности в относительно узком диапазоне температур, т. е. статическая характеристика таких датчиков релейная. Датчики, у которых положительный температурный коэффициент сопротивления, называются позисторами, а датчики с отрицательными температурным коэффициентом называются кризисторами. В результате релейных характеристик эти датчики используются как температурное реле.
Биметаллические датчики температуры. Эти датчики состоят из двух соединенных сваркой металлических пластин, имеющих различный коэффициент линейного расширения (рис. 2.16).
При изменении температуры пластины 1 изгибаются так, что пластина, имеющая больший коэффициент линейного расширения, образует выпуклую часть, а другая — вогнутую. При изгибании пластин происходит замыкание контактов 2 или 3 электрической цепи управления.

Эти датчики имеют релейную статическую характеристику, т.е. работают по принципу «включено — отключено». Диапазон измеряемой температуры составляет -50...+500 °С. С динамической точки зрения эти датчики — инерционные.
Ртутные датчики температуры. Эти датчики представляют собой обычный ртутный термометр, заключенный в стеклянную колбочку. В нижней и верхней частях термометра имеются контакты. Gри нагревании ртутный столбик, поднимаясь, замыкает электрическую цепь, выдавая сигнал управления на исполнительный элемент. Динамическая характеристика этих датчиков инерционная.