Современные датчики температуры (отечественного производства)

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине

«Средства получения информации»

Современные датчики температуры (отечественного производства) Вариант № 9

Выполнил: студент гр. АГ-10−01 В. Р. Шагиев Проверил: доцент С. В. Светлакова Уфа 2013

Содержание Введение

1. Датчики температуры

1.1 Классификация по среде передачи сигналов

1.2 Классификация по типу действия

1.3 Применение

2. Обзор современных датчиков температуры отечественного производства

2.1 Датчик ДТПS021

2.2 Датчик ДТС3105

2.3 Датчик ДТС3005

2.4 Датчик ТХХУ-205-H

2.5 Датчик ТПУ 0304/М3-МВ Заключение Список использованных источников

Введение

Когда учёный думает над проблемой, он задаёт вопрос, — «Почему?»

Когда инженер решает задачу, он спрашивает, — «А почему нет?»

Большинство технологических процессов идёт сейчас по пути автоматизации. Кроме того, управление многочисленными механизмами и агрегатами, а зачастую и машинами просто немыслимо без точных измерений всевозможных физических величин. Не маловажными являются измерение давления, измерение угловой скорости, а также линейной и многие-многие другие. Но самыми распространенными (около 50%) являются температурные измерения. К примеру, средняя по величине атомная станция располагает приблизительно 1500-ми контрольных (измерительных) точек, а крупное химпроизводство, насчитывает таких уже около 20 тыс.

Так как диапазон измерений и их условия могут сильно отличаться друг от друга, разработаны разные по точности, помехоустойчивости и быстродействию типы датчиков (и первичных преобразователей). Какого бы типа не был температурный датчик, общим для всех является принцип преобразования. А именно: измеряемая температура преобразуется в электрическую величину (как раз за это и отвечает первичный преобразователь). Это обусловлено тем, что электрический сигнал просто передавать на большие расстояния (высокая скорость приёма-передачи), легко обрабатывать (высокая точность измерений) и, наконец, быстродействие [1, 2].

Датчик — это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них.

Датчик температуры (преобразователь температуры) — это контрольно-измерительный прибор, который сообщает о том, какая температура в системе, которую он контролирует. При этом, значение температуры определяется с помощью электрического сигнала на выходе или при использовании термосопротивления, прибора с переменным сопротивлением, которое может изменяется пропорционально изменению температуры.

Датчик температуры отличается по действию от термостата, в котором сигнал подаётся только после достижения определённой температуры.

Датчик (преобразователь) температуры также иногда называют термометром сопротивления. Принцип действия основан на измерении платинового или медного калиброванного сопротивления.

Градуировкой преобразователя называют саму зависимость сопротивления датчика от температуры. В настоящий момент в промышленности наиболее используемыми градуировками являются 50 П, 100 П, 50 М, 100 М. Опытным путём установлено, что наиболее точные результаты при измерении дают те температурные датчики, которые сделаны путём платинового напыления на керамику или из платиновой проволоки.

Среди производителей датчиков температуры конкуренция довольно жёсткая. В данном сегменте превалируют иностранные производители. Российские компании успешно конкурируют в данном сегменте (основным конкурентным преимуществом является цена) — «Элемер», «Овен», ЗАО НПК «Эталон», ООО НПО «Вакууммаш», ОАО «Владимирский завод «Эталон» «.

1. Датчики температуры

1.1 Классификация по среде передачи сигналов Температурные датчики можно разделить на бесконтактные датчики температуры и контактные датчики температуры.

Первые применяют принцип измерения мощности инфракрасного излучения, которое идёт от любого объекта (будь он холодный или горячий). Бесконтактные датчики температуры используются в тех отраслях, где затруднён доступ к измеряемым деталям или при необходимости измерения высоких температур — от 1500 до 3000 °C.

Некоторые модели таких бесконтактных датчиков специально разработаны для измерения температуры прозрачных объектов — плёнки и стекла, существуют датчики для работы в пыльной или задымлённой среде.

Контактные датчики температуры представлены, в основном, термопарами и термосопротивлением. Данный способ измерения температуры основан на том, что различные металлы и полупроводники изменяют своё электрическое сопротивление с изменением температуры, вследствие чего, передаётся электрический сигнал.

Как частный случай, следует отметить кремниевые датчики температуры. Принцип их работы основан на способности кремния, как полупроводника, изменять собственное электрическое сопротивление вследствие изменения температуры. Такие датчики температуры, как правило, снабжаются дополнительными схемами усиления и обработки сигнала, что позволяет подключить такой датчик температуры напрямую к компьютеру [3, 5].

1.2 Классификация по типу действия Датчики температуры также различают по типу действия:

терморезистивные термодатчики;

полупроводниковые;

термоэлектрические (термопары);

пирометры;

акустические;

пьезоэлектрические.

Терморезистивные термодатчики основаны на принципе изменения электрического сопротивления (полупроводника или проводника) при изменении температуры. Разработаны они были впервые для океанографических исследований. Основным элементом является терморезистор — элемент, изменяющий своё сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды.

Несомненные преимущества термодатчиков этого типа: долговременная стабильность, высокая чувствительность, а также простота создания интерфейсных схем.

В зависимости от материалов, используемых для производства терморезистивных датчиков, различают:

1) резистивные детекторы температуры (РДТ). Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой металл изменяет своё сопротивление при воздействии температуры, но используют платину, так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600 °C может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.

2) кремниевые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков — хорошая линейность и высокая долговременная стабильность. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.

3) термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряют только абсолютную температуру. Существенными недостатками термисторов являются необходимость их калибровки и большая нелинейность, а также старение, однако, при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.

Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах) даёт возможность реализовать довольно точный датчик.

Достоинства таких датчиков — простота и низкая стоимость, линейность характеристик, маленькая погрешность. Кроме того, эти датчики можно формировать прямо на кремневой подложке. Всё это делает полупроводниковые датчики очень востребованными.

Термоэлектрические преобразователи — иначе, термопары. Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре. Так, один конец термопары (рабочий) погружен в среду, а другой (свободный) — нет. Таким образом, получается, что термопары это относительные датчики и выходное напряжение будет зависеть от разности температур двух частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений.

Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и напрямую зависит от используемых в них материалов. Например, термопары из неблагородных металлов — до 1100 °C. Термопары из благородных металлов (платиновая группа) — от 1100 до 1600 градусов. Если необходимо произвести замеры температур свыше этого, используются жаростойкие сплавы (основой служит вольфрам). Как правило, используется в комплекте с милливольтметром, а свободный конец (конструктивно выведенный на головку) удалён от измеряемой среды с помощью удлиняющего провода. Одним из недостатков термопары является достаточно большая погрешность. Наиболее распространённым способом применения термопар являются электронные термометры.

Пирометры — бесконтактные датчики, регистрирующие излучение, исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.

Различают три вида пирометров:

1) флуоресцентные. При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает послеизлучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.

2) интерферометрические. Интерферометрические датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей — контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.

3) датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии. В этом типе датчиков-пирометров применяется хлорид кобальта, раствор которого имеет тепловую связь с объектом, температуру которого необходимо измерить. Коэффициент поглощения видимого спектра у раствора хлорида кобальта зависит от температуры. При изменении температуры меняется величина прошедшего через раствор света.

Акустические термодатчики используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приёмника акустических волн (пространственно разнесённых). Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется, и приёмник после получения сигнала считает эту скорость.

Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивного (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечёт искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.

В пьезоэлектрических датчиках главным элементом является кварцевый пьезорезонатор. Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока (прямой пьезоэффект). На этот пьезоматериал попеременно передаётся напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры [1, 6].

1.3 Применение Датчики температуры используются для контроля температуры воздуха в помещениях, например, в хранилищах.

В котельных датчик следит за тем, чтобы температура пара (газа) или жидкости (вода, масло и др.) поддерживалась постоянной, для обеспечения безопасности и комфорта.

В гидравлике заданная температура жидкости или масла поддерживается для обеспечения эффективности работы оборудования.

А также во многих других отраслях промышленности, основным производственным фактором является температура.

Отдельно следует отметить такой вид оборудования, как искробезопасный (взрывозащищённый) датчик (преобразователь) температуры. Такие датчики не дают искры, которая может воспламенить вещество, температура которого измеряется данным взрывозащищенным датчиком.

2. Обзор современных датчиков температуры отечественного производства

2.1 Датчик ДТПS021

Тип датчика: параметрический.

На рисунке 2.1 изображён внешний вид датчика ДТПS021.

Рисунок 2.1 — Внешний вид датчика ДТПS021

Производитель: Овен, Россия.

Описание: Термоэлектрический преобразователь (термопара) высокотемпературный (платиновый).

В таблице 2.1 приведены технические характеристики датчика.

Таблица 2.1 — Сводная таблица для датчика ДТПS021

На рисунке 2.2 изображена расшифровка названия датчика ДТПS021.

Рисунок 2.2 — Обозначение при заказе датчика

2.2 Датчик ДТС3105

Тип датчика: параметрический.

На рисунке 2.3 изображён внешний вид датчика ДТС3105.

Рисунок 2.3 — Внешний вид датчика ДТС3105

Производитель: Овен, Россия.

Описание: Датчик ДТС3105 предназначен для измерения температуры жидкости в трубопроводе. Датчик имеет наружную коническую резьбу R½. Для подключения кабеля в корпусе предусмотрено отверстие, которое закрывается заглушкой. В стандартных модификациях датчик выпускается с длинами монтажной части 70, 120 и 220 мм. Чувствительный элемент — Pt1000 (возможно изготовление с чувствительным элементом Pt100).

В таблице 2.2 приведены технические характеристики датчика.

датчик температура пирометр Таблица 2.2 — Сводная таблица для датчика

На рисунке 2.4 изображён габаритный чертёж термопреобразователя ДТС3105.

Рисунок 2.4 — Габаритный чертёж термопреобразователя ДТС3105

2.3 Датчик ДТС3005

Тип датчика: параметрический.

На рисунке 2.5 изображён внешний вид датчика ДТС3005.

Рисунок 2.5 — Внешний вид датчика ДТС3005

Производитель: Овен, Россия.

Описание: Датчик ДТС3005 предназначен для измерения температуры наружного воздуха или воздуха внутри зданий. Устанавливается на плоскую поверхность стены. Является аналогом датчика ДТС125. Для подключения кабеля в корпусе предусмотрено отверстие, которое закрывается заглушкой. Чувствительный элемент — Pt1000 (возможно изготовление датчика с чувствительным элементом Pt100).

В таблице 2.3 приведены технические характеристики датчика.

Таблица 2.3 — Сводная таблица для датчика

На рисунке 2.6 изображён габаритный чертёж термопреобразователя ДТС3005.

Рисунок 2.6 — Габаритный чертёж термопреобразователя ДТС3005

2.4 Датчик ТХХУ-205-H

Тип датчика: генераторный.

На рисунке 2.7 изображён внешний вид датчика ТХХУ-205-H.

Рисунок 2.7 — Внешний вид датчика ТХХУ-205-H

Производитель: Элемер, Россия.

Описание: Термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом. Предназначен для преобразования значения температуры различных сред в различных отраслях промышленности теплоэнергетической, химической, металлургической, а также в сфере ЖКХ, в унифицированный токовый выходной сигнал 4…20 мА.

Термопреобразователи используются для работы с жидкими, твердыми и газообразными средами. Использование термопреобразователей допускается для контроля температуры сыпучих сред, неагрессивных, а также агрессивных, по отношению к которым материалы, контактирующие с измеряемой средой, являются коррозионностойкими к материалу, из которого изготовлен корпус прибора.

Материал клеммной головки — алюминиевый сплав. Материал защитной арматуры, контактирующей с измеряемой средой: 12Х18Н10Т, КТМС-кабель, Luxal 203.

Конструктивные особенности:

— измерительный преобразователь (ИП-205) встроен в клеммную головку первичного преобразователя;

— в состав термопреобразователей ТХАУ-205-Н входит компенсатор температуры «холодного спая».

В таблице 2.4 приведены технические характеристики датчика.

Таблица 2.4 — Сводная таблица для датчика

2.5 Датчик ТПУ 0304/М3-МВ Тип датчика: генераторный.

На рисунке 2.8 изображён внешний вид датчика ТПУ 0304/М3-МВ.

Рисунок 2.8 — Внешний вид датчика ТПУ 0304/М3-МВ Производитель: Элемер, Россия.

Описание: Новый датчик температуры ТПУ 0304/М3-МВ предназначен для измерения и непрерывного преобразования температуры твёрдых, жидких, газообразных и сыпучих сред в цифровой сигнал и передачи его через интерфейс RS-485 по протоколу Modbus RTU. Широкий выбор вариантов конструктивного исполнения термозондов (более 25 видов) позволяет использовать датчик в системах технологического контроля на современных производствах.

Использование протокола Modbus RTU позволяет работать с объектом на удалённом расстоянии до 1200 м. Пользователь может получать результаты измерений в виде числа с плавающей точкой или в виде доли от диапазона измерений. Вместе с результатом измерений можно прочитать его статус — наличие ошибок в измерениях и исправность датчика. Это позволяет подключать датчик к любой SCADA-системе без дополнительного OPC-сервера.

В таблице 2.5 приведены технические характеристики датчика.

Таблица 2.5 — Сводная таблица для датчика

Заключение

Вряд ли найдется обыватель, который не видел или не слышал о датчике температуры, у многих из нас он является неотъемлемой частью отопительной системы. В промышленности они нашли свое применение в теплоэнергетике — турбинах механического привода, обжиговых печах, нагревателях, в металлургии — в сталеплавильных печах, в химической промышленности — в реакторах.

Будь то платиновый термометр сопротивления, термопара, инфракрасный датчик, кремниевый датчик или термистор, каждый из них обладает рядом уникальных свойств, позволяющих наилучшим образом решить задачу по измерению температуры. Высокая точность и стабильность отличают платиновые термометры сопротивления. Достоинством кремниевых датчиков так же является высокая точность, пусть и в узком температурном диапазоне. Термисторы обладают высокой чувствительностью и невысокой ценой, что позволяет встраивать их в различные электронные приборы. Инфракрасные датчики температуры позволяют измерить быстропротекающие температурные процессы и объекты с очень высокой температурой. К достоинствам термопар несомненно можно отнести точность и стабильность показаний в широком диапазоне температур, их устойчивость в неблагоприятным воздействиям внешней среды.

Сегодня можно говорить о том, что рынок датчиков развивается параллельно с отраслями промышленности, становясь неотъемлемой частью технологических процессов.

Список использованных источников

Датчики температуры [Электронный ресурс] / Device Search — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.devicesearch.ru/article/datchiki-temperatury

Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. — М.: Мир, 1989. — 196 с.

О датчиках температуры [Электронный ресурс] / Промышленная автоматика Полтраф — Электрон. дан. — Режим доступа: http://poltraf.ru/publications/dat_temper.htm/

Анализ рынка приборов для измерения давления и температуры [Электронный ресурс] / Группа проектов Кипинфо — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.kipinfo.ru/info/stati/?id=53

Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник — М.:Техносфера, 2005. — 592 с.

Родионов В.Д., Терехов В. А., Яковлев В. Б. Технические средства АСУ ТП.-М.: Высшая школа, 1989. — 263 с.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) высокотемпературные (платиновые) ДТПS021 [Электронный ресурс] / Оборудование для автоматизации Овен — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.owen.ru/catalog/40 085 829

Датчик температуры для трубопроводов ДТС3105-PТ1000.B2.х [Электронный ресурс] / Оборудование для автоматизации Овен — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.owen.ru/catalog/76 905 366

Датчик температуры наружного воздуха ДТС3005-PТ1000.B2 [Электронный ресурс] / Оборудование для автоматизации Овен — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.owen.ru/catalog/43 831 021

Термопреобразователи ТСМУ-205-Н, ТСПУ-205-Н, ТХАУ-205-Н [Электронный ресурс] / НПП «ЭЛЕМЕР» — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.elemer.ru/production/temperature/txxu/txxu_205n.php

ТПУ 0304/М3-МВ Термопреобразователь с протоколом Modbus RTU [Электронный ресурс] / НПП «ЭЛЕМЕР» — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.elemer.ru/files/reklama/listovka_tpu_0304_m3mb.pdf

Датчики температуры [Электронный ресурс] / ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ — М. — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.sensor.ru/articles/299/element_1110.html