5. Основные конструктивные особенности датчиков

	Обозначения и названия: Соединительная головка Удлинительная шейка Присоединение к процессу Измерительная вставка Преобразователь (опция) Гильза	Параметры конструкции L Номинальная длина ls Длина измерительной вставки U Длина погружения F1 Диаметр гильзы N (Мн) Длина шейки Е Присоединение к процессу М Полная длина шейки
Рис.2.1. Датчик термореристорный, металлический. Общий вид .Конструктивно- установочные размеры и название частей датчика

Физические

Рис.2.1.Обобщенная структурная схема физического датчика первичного преобразования

Обычным средством защиты ЧЭ от воздействия рабочей среды и ЭИ от внешней среды являются соответствующие корпуса, с определенной стойкостью к наиболее интенсивно воздействующим негативным факторам. Общие средства защиты от воздействия рабочей и окружающей сред рассмотрены далее.

Виды датчиков по конструктивно – эксплуатационному исполнению:

• наружные – устанавливаемые вне оборудования,

• встроенные – устанавливаемые внутри оборудования,

• поверхностные – устанавливаемые на поверхности оборудования (например, на трубопроводе),

• погружные (например, зонды в жидких средах),

• бесконтактные - не имеющие непосредственной связи с оборудованием.

Взаимозаменяемость - возможность замены вышедшего из строя датчика, прибора и т.д., на аналогичный без повторной калибровки системы

Всего из представленных в системе единиц СИ более 120-ти ФВ, в промышленности вообще и в ПА в частности, наиболее широко используются только следующие виды СИ:

• температура (~ 50% всех СИ),

• расход (объемный и массовый) (~ 15%),

• давление (~ 10%),

• уровень (~ 5%),

• количества (массы, объема) (~ 5%),

• времени (~ 4%),

• электрических и магнитных величин (~ 5%),

Поэтому далее основное внимание будет уделено первым 4-м из этого перечня видам датчиков.

Виды первичных датчиков по конструкции:

• корпусные – имеют специальный составной корпус, защищающий ЧЭ и соединитель, от воздействия внешней среды;

• кабельные – имеют защиту удлинительных проводов в виде гибкого кабеля с многослойной изоляцией (для установки датчика в труднодоступных местах)

3. Термопары

Термопары - самые распространенные средства измерительного преобразования температуры в промышленности,- имеют: широкий температурный диапазон (-270 … +2500°С), удовлетворительную точностью, низкую цену, высокую взаимозаменяемость и надежность.

Состоят из 2-х различных металлических проводов, соединенных на конце (рабочий конец, горячий спай), предназначенном для измерения температуры

Рис.1.1.а)принцип действия термопарного СИ. б) реальная схема термопарного СИ.

(Рис. 1.1). Вторые концы термопары (свободные концы, холодный спай) соединены с СИ напряжения. Между 2-мя несоединенными выводами термопары возникает э.д.с. V_Х (рис. 2.1,а), почти линейно зависящее от температуры рабочего спая:

V_Х = Е(Т). (2.1)

Для случая, когда температура свободных концов равна 0 °С (T_Сj = 0), зависимость (2.1), и обратная зависимость Т = E^-1(V_Х) представлены в ГОСТ Р 8.585 -2001 и используются в микропроцессоре модуля ввода в виде градуировочной таблицы или коэффициентов (коэф-тов) полинома.

Если температура свободных концов не равна нулю ((T_Сj ≠ 0), соединения медными проводниками последующего СИ также являются источниками термо-э.д.с. V_Cj, зависящих от температуры: V_Cj = E(T_Cj).

По известному правилу промежуточные провода (на рис.2.1. – из меди) не влияют на результат измерений, если температуры их контактов с термопарой и измерителем напряжения одинаковы. Поэтому измерив температуру контактов подключения термопары к СИ и определив соответствующую ей э.д.с можно определить температуру рабочего спая из уравнения:

V_x = Е(Т) - E(T_Cj). (2.2)

Температура является обратной функцией э.д.с.: V = Е(Т), т.е.

Т = E^-1(V), (2.3)

и определяется по таблицам или полиномам ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется компенсацией температуры холодного спая.

В средствах ввода сигналов термопар (указанные нелинейные зависимости хранятся в ПЗУ микропроцессора и необходимые вычисления выполняются автоматически при указании пользователем типа термопары подключаемой к данному вводу (см. Приложение 2.1.). Температура контактов СИ измеряется специальным встроенным (обычно термисторным) датчиком температуры (рис. 2.1.б). Для обеспечения хорошего теплового контакта и изотермичности соединения термопары с СИ и этим датчиком, соединение выполненяют над медной или алюминиевой пластиной с диэлектрическй изолирующей прокладкой.

Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода из тех же материалов, что и сама термопара или из специальных сплавов, обладающих нужными характеристиками в сравнительно узком температурном диапазоне производственных помещений. Если для этой цели использовать обычные медные провода, то необходим выносной датчик температуры места контакта термопары с этими медными проводами.

Погрешность стандартной аппроксимации составляет ±0,02 … ±0,05°С. Благодаря стандартизации допусков и номинальных характеристик преобразования, термопары являются взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

Термопарные провода рабочего конца можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. При пайке проводов рабочего конца верхний температурный диапазон ограничен температурой плавления припоя. Сварка проводов термопары, создает небольшое по размерам соединение - спай. Он выдерживает более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинальной вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металлы, а также изменения структуры материалов термопары. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары 3-х различных конструкций спаев: открытый, изолированный незаземленный и заземленный. Термопары с открытым спаем имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. Изготавливают также микроминиатюрные термопары по тонкопленочной и полупроводниковой технологии для измерений температуры тел малых размеров, в частности поверхности полупроводниковых приборов. Такая термопара с диаметром рабочего спая 1 мкм имеет постоянную времени 1мкС.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. При попадании жидкости внутрь термопары возникает гальванический эффект и погрешность измерения также возрастает.

Погрешность измерений. Основная проблема - малое выходное напряжение термопары (около 50 мкВ на градус). Оно гораздо меньше помех, наведенных на элементах измерительной цепи в обычных условиях. Поэтому очень важно правильно выполнить экранирование и заземление проводов, идущих от термопары к средству измерения (ввода).

Средство ввода желательно помещать по возможности ближе к термопаре, чтобы уменьшить длину проводов, по которым передается аналоговый сигнал и на которые наводятся различные помехи. Для снижения уровня помех с частотой 50 Гц в средствах ввода используют режекторный фильтр, не пропускающий колебания вблизи этой частоты (частоты режекции). Это приводит к подавлению помехи нормального вида (источник помехи включен последовательно с источником сигнала) до 120 дБ, и помехи общего вида (источник помехи включен между закороченными входами и землей) до 140 дБ.

Важным достоинством термопар является очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их практически нечувствительными к емкостным наводкам.

Точность термопары зависит от точности химического состава материала. Внешние факторы, такие, как давление, коррозия, радиация, могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала, что приводит к росту погрешности измерений.

Состав погрешности измерений с помощью термопар:

• случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом характеристик термопары (Приложение 2.1.). Зависит от чистоты материалов и точности состава их содержания в материалах электродов;

• случайная погрешность измерения температуры холодного спая;

• погрешность, вызванная постепенной деградацией характеристик при высокой температуре;

• систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);

• динамическая погрешность;

• систематическая погрешность компенсации нелинейности (погрешность линеаризации) характеристики преобразования температуры в напряжение;

• погрешность аналого-цифрового канала,

• погрешность, вызванная внешними помехами.

Первые 4 вида погрешности являются инструментальными и указываются в паспорте на датчик, следующие 2- указываются в паспорте на средство ввода. Последняя зависит от типа использованных термопар, электромагнитной обстановки, характеристик объекта измерения и т.п должна учитываться отдельно.