Практичне заняття №8

Тема: Методи і технічні засоби вимірювання та регулювання температури.

Навчальна мета:

Знати: будову, принцип роботи та технічні характеристики засобів вимірювання та регулювання температури.

Уміти: вибирати засоби вимірювання та регулювання температури для автоматизації термоустановок.

Основні питання заняття

1. Призначення, будова та принцип роботи технічних засобів вимірювання та регулювання температури.

Література:

1. Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. – М.: Агропромиздат, 1989. – 175 c.

1. Призначення, будова та принцип роботи технічних засобів вимірювання та регулювання температури.

При дослідженні і експлуатації електронагрівальних установок часто доводиться вимірювати, стабілізувати та регулювати температуру.

Для вимірювання і контролю температури, використовують непрямі методи, основані на вимірюванні таких фізичних властивостей тіл, які однозначно зв’язані з температурою і можуть бути порівняно легко виміряні: теплове розширення твердих тіл (дилатометричні термометри), різницю температурних коефіцієнтів лінійного розширення двох різнорідних матеріалів (біметалеві термометри), залежність тиску речовини від температури при постійному об’ємі (манометричні термометри), вимірювання електричного опору чуттєвого елемента при нагріванні (термоперетворювачі опору), залежність термоелектрорушійної сили термопари від температури (термоелектричні термометри), зміна властивостей випромінюваного потоку тіл при нагріванні (пірометри випромінювання).

Термометри і терморегулятори теплового розширення.

Термометри теплового розширення, які використовуються для вимірювання температури, не знайшли широкого розповсюдження, із-за порівняно низької чутливості. На принципі теплового розширення працюють деякі реле, призначені для сигналізації і автоматичного регулювання температури.

Термоперетворювачі теплового розширення можуть бути стержньові і біметалеві.

Стержньовий термоперетворювач (рис. 8.1) застосовують в дилатометричних терморегуляторах серії ТУДЭ.

Чутливий елемент терморегулятора складається із латунної трубки 1 і стержня 2, виконаного із кварцу або інвару (сплав заліза з нікелем), температурний коефіцієнт лінійного розширення яких в 20 раз менший у порівнянні з температурним коефіцієнтом латуні. Стержень 2 через стержень 3 притискується до трубки циліндричною пружиною 4. Зі стержнем 3 жорстко зв’язана плата 9, на якій змонтований пристрій, який складається із важелів 6 і 8, штовхача 10, пружини 11, важеля 12 з контактом 13, гвинта 7 задання температури і контакту 14.

При змінах температури регульованого середовища змінюється довжина трубки, що викликає повздовжнє переміщення стержнів 2 і 3 разом з контактним пристроєм. Важіль 6, спираючись в гвинт 7 регулювання (задання) температури, починає повертатись і займає таке положення, при якому сила дії пружини 11 змінює свій напрям, приводячи в рух важіль 8. При цьому важіль 12, зв’язаний з важелем 8 замикає або розмикає контакти 13-14.

Рис. 8.1. Стержневий перетворювач:

1 – латунна трубка; 2 – стержень; 3 – стержень притискний; 4 – циліндрична

пружина; 5 – корпус; 6, 8, 12 – важелі; 7 – гвинт задання температури; 9 – плата;

10 – штовхач; 11 – пружина; 13-14 – контакти.

Виготовляють терморегулятори серії ТУДЭ дванадцять типорозмірів для вимірювання температур від 0 до 1000°С.

Диференціал температури у терморегуляторів всіх типорозмірів може змінюватись від 4 до 29°С.

Допустима сила струму контактів при активному навантаженні 10 А, а при індуктивному – 2 А.

Температурне реле складається із латунної трубки 1, до одного кінця якої прикріплений утримувач 3 (рис. 8.2). Контакти 4 закріплені на пластинах 2, виконаних із інвару. При підвищенні температури контрольованого середовища трубка подовжується, її кінець з утримувачем 3 пересувається вправо, пластини 2 натягуються і контакти 4 розмикаються.

Рис. 8.2. Схема температурного реле ТР-200:

1 – латунна трубка; 2 – пластини, виконані з інвару; 3 – утримувач; 4 – контакти;

5 – гвинт.

Температуру спрацювання реле (від 25 до 200°С) регулюють, змінюючи гвинтом 5 попередній натяг пластин.

Основна похибка реле складає 5°С при швидкості зміни температури не більше 0,5°С за хвилину. При встановленні температури, близької до нижньої границі спрацювання (25…50°С), реле працює не чітко.

Розривна потужність контактів реле 30 ВА на змінному і 5 Вт на постійному струмах при напрузі 220 В.

Терморегулятори серії ТУДЭ, ТР-200 і РТВ-10 використовують для автоматичного керування електричним водонагрівачем.

В терморегуляторах серії ДТКБ (датчик температури камерний біметалевий) застосовується датчик температури, який представляє собою біметалеву спіраль, виготовлену з двох шарів, матеріали яких мають різні температурні коефіцієнти лінійного розширення. При підвищенні температури контрольованого середовища в біметалевій пластині виникає деформуюче зусилля, пластина вигинається і замикає закріплений на ній контакт.

Для чіткості спрацювання контактів в їх систему вводять постійні магніти.

Зона нечутливості (диференціал) терморегуляторів серії ДТКБ від 2 до 4°С. Основна похибка вимірювання температури на середній поділці шкали не перевищує 1°С.

Розривна потужність контактів при напрузі 220 В змінного струму не менше 50 ВА.

Терморегулятори ДТКБ випускають шести типорозмірів з границями установок температур: -30…0; -10…10; 10…30; 13…25; 20…50; 0…30°С.

При підвищенні температури контакти терморегуляторів замикаються або розмикаються.

Такими терморегуляторами комплектують опалювальні електрокалориферні установки серії СФОЦ, проте їх кліматичне виконання і захищеність не відповідають умовам сільськогосподарських приміщень з високою вологістю і агресивними газами (теплиці; тваринницькі ферми).

Термометри і терморегулятори об’ємного розширення.

В рідинних та манометричних термометрах і терморегуляторах використовується об’ємне розширення тіл при їх нагріванні і викликану ним зміну тиску речовини при незмінному об’ємі.

В рідинних скляних термометрах в якості термометричного тіла застосовують ртуть і органічні рідини (етиловий спирт та інші).

В капіляр ртутних контактних термометрів, які використовуються для сигналізації і регулювання температури, впаяні дротяні електроди (контакти). При підвищенні температури стовпчик ртуті в капілярі піднімається і замикає електроди.

Розривна потужність контактів 2…4 Вт, тому в коло автоматичного регулювання ртутні контактні термометри вмикають в комплекті з підсилювачами електричних сигналів.

По такому принципу побудовані терморегулятори в електричному водонагрівачі ВЭП-600, призначеному для підігрівання води в системах автонапування тварин.

Для ртутних контактних термометрів випускають спеціальний підсилюючий пристрій УКТ-4, який представляє собою тиристорний вимикач, що управляється транзисторним ключем.

Манометричний термометр складається із термобалону 1, який поміщають в контрольоване середовище (рис. 8.3). Термобалон сполучений капілярною трубкою 2 з манометричною пружиною 3, яка зв’язана зі стрілкою 4, яка рухається вздовж шкали 5, проградуйованої в градусах.

Рис. 8.3. Схема манометричного термометра:

1 – термобалон; 2 – капілярна трубка; 3 – манометрична пружина; 4 – стрілка;

5 – шкала; 6 – рухомий контакт; 7 – нерухомий контакт.

На стрілці закріплений рухомий контакт 6, а на шкалі змонтовані нерухомі контакти 7, які встановлюють на задану температуру.

Термосистема (термобалон, капіляр, манометрична пружина) термометра герметично замкнута і заповнена рідиною (фреон, хлористий метил, ацетон, етилбензол, поліметилоксан) або газом (аргон, азот) з великим коефіцієнтом об’ємного розширення.

При змінах температури середовища, в яке розміщений термобалон, змінюється тиск рідини або газу в замкнутій термосистемі, в результаті чого манометрична пружина закручується або розкручується. При цьому вільний кінець пружини переміщує стрілку і закріплений на ній рухомий контакт по шкалі приладу. При досягненні заданої температури рухомий і нерухомий контакти замикають коло сигналізації або керування. Таким чином, манометричні термометри можна застосовувати як для візуального спостереження за температурою (вимірювання), так і для сигналізації або регулювання температурного режиму установки. При настройці приладу нерухомі контакти за допомогою спеціального ключа переміщують по шкалі і встановлюють на задану температуру.

Манометричні термометри типу ТПГ-СК і ТПП-СК, які використовують для вимірювання і регулювання температури води в електродних водонагрівачах ЭПЗ-100, виготовляють декількох типорозмірів для температур від -50 до 400°С. Довжина капілярної трубки термометрів від 1,6 до 25 см, клас точності 2,5. Розривна потужність контактів не більше 10 ВА при напрузі 220 В постійного і змінного струму, що достатньо для ввімкнення проміжних реле

Недолік манометричних термометрів полягає у великих розмірах і тепловій інерційності термобалону, порушенні градуювання при деформації термобалону та капіляра, труднощі ремонту.

Термометри опору і терморегулятори на їх основі.

Робота термоперетворювачів опору основана на змінах електричного опору матеріалу при змінах температури. Так, опір чистих металів збільшується на 0,4…0,6% при підвищенні температури на 1°С, а опір оксидів металів (напівпровідників) зменшується на 2…8%.

Знаючи залежність між температурою і опором, можна за опором знайти температуру.

Термоперетворювачі опору застосовують в комплекті з приладами, які використовуються при вимірюваннях електричного опору (логометрами, мостами), та джерелом живлення.

Металевий термоперетворювач опору виготовляється у вигляді тонкої ізольованої проволоки із платини або міді, намотаної на ізоляційний каркас. Для захисту від механічних пошкоджень і дії агресивного середовища каркас з намотаною проволокою поміщується в захисний кожух.

Технічні дані термоперетворювачів опору приведені в табл. 8.1.

Таблиця 8.1

Основні параметри термоперетворювачів опору

Тип перетворювача	Номінальний опір при 0°С, Ом	Умовне позначення номінальної статичної характеристики	Вимірювані температури, °С
	1	1П	0...+1100
ТСП (платиновий)	10	10П	-200...+1000
	50	50П	-260...+1000
	100	100П	-260...+1000
	500	500П	-260...+300
ТСМ (мідний)	10	10М	-50...+200
	50	50М	-50...+200
	100	100М	-200...+200

Регулятор температури ЭРА-М – пристрій, призначений для вимірювання і регулювання температури. В якості датчика температури використовується термоперетворювач опору.

Регулятор температури складається із трьох основних частин: вимірювальної мостової схеми 1, фазочутливого підсилювача 2, блока живлення 3 (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Електрична схема регулятора температури ЭРА-М:

1 – вимірювальна мостова схема; 2 – фазочутливий підсилювач; 3 – блок живлення.

Вимірювальна схема представляє собою одинарний міст опорів, в одне із плечей якого ввімкнений термоперетворювач опору R_к. Міст врівноважується автоматично, якщо прилад застосовують як регулятор або сигналізатор температури, і вручну за допомогою реостата R_р при вимірюванні температури.

Якщо температура в місці розміщення термоперетворювача опору менше заданої по шкалі задатчика (реостата), то порушується рівновага мосту, і в його вимірювальній діагоналі з’являється напруга розбалансу U_р, яка подається на вхід фазочутливого підсилювача. У вихідне коло цього підсилювача ввімкнена обмотка вихідного реле К.

Якщо фаза напруги розбалансу мосту співпадає з фазою напруги живлення U_ж ФПЧ на виході його формується напруга достатня для спрацювання вихідного реле К. Контакти реле вмикають виконавчий механізм (наприклад, електромагнітний пускач КМ) для подачі енергії в об’єкт регулювання до тих пір, поки температура об’єкта не досягне заданого значення.

При досягненні заданого значення температури міст врівноважується, напруга розбалансу, проходячи через нуль, змінює фазу на 180° і тому напруга на виході ФПЧ стає меншою за напругу відпускання вихідного реле К. Реле К вимикається і своїми контактами від’єднує виконавчий механізм. При цьому зелена сигнальна лампа «менше» гасне і вмикається червона лампа «більше».

Для того щоб понизити вплив опору з’єднувальних проводів на точність вимірювання, використовують рівноплечий міст, а термоперетворювач опору вмикають за трипровідною схемою.

Основна похибка і зона нечутливості ЭРА-М не перевищують 1,5% від всієї шкали регулятора. Розривна потужність контактів вихідного реле 500 ВА.

Терморегулятори комплектують мідними термоперетворювачами опору.

Аналогічну будову і такий же принцип дії мають регулятори температури серії ТЭ, Т-419 і РТ2, в яких в якості датчиків температури застосовують мідні або платинові термоперетворювачі опору.

Випускають терморегулятори РТ-2 восьми модифікацій з діапазонами регулювання температур, °С: -30…0, -10…20, 5…35, 30…60, 50…100, 0…100, 50…250, 250…450.

Для вимірювання і регулювання температури призначені і напівпровідникові термоперетворювачі опору, які представляють собою спечену в тверду масу суміш порошків окислів металів (магнію, титану, нікелю тощо) або кристали деяких металів (германію) з різними домішками.

Напівпровідники відрізняються від металів і сплавів високим питомим електричним опором і характером залежності опору від температури.

Температурний коефіцієнт опору термоперетворювачів типів КМТ і ММТ (терморезистори) – від’ємний, а типів СТ14-1А, СТ14-1Б (позистори) – додатній.

Високі температурні коефіцієнти опору обумовлюють досить високу чутливість напівпровідникових термоперетворювачів, що робить їх придатними для вимірювання температури в порівняно вузьких інтервалах з великою точністю. Так, температуру тварин і рослин термоперетворювачі визначають з точністю до 0,2°С. Завдяки малим розмірам чутливого елемента понижується інерційність термоперетворювача

Недолік термісторів полягає у великому розкиді параметрів. Тому, на відміну від металевих, напівпровідникові термоперетворювачі опору невзаємозамінні.

Кожний вимірювальний прилад завод-виготовлювач градуює з визначеним термоперетворювачем, при цьому на приладі і термоперетворювачі вказують однаковий номер.

Напівпровідникові термоперетворювачі опору використовують в якості датчиків температури в терморегуляторах ПТР-2, ПТР-3 і ПТР-П, які застосовуються для автоматичного регулювання температури в тваринницьких приміщеннях, теплицях та інших.

Двох позиційний регулятор ПТР-2 формує дві команди: «вище норми»; «нижче норми»; трипозиційний ПТР-3 три команди: «вище норми»: «норма»; «нижче норми», а пропорційний ПТР-П разом з виконавчим механізмом здійснює пропорційне регулювання температури.

Модифікації терморегуляторів наведені в табл. 8.2.

Основна похибка ПТР-2 – ±1^оС. Розривна потужність контактів вихідного реле на змінному струмі напругою 380 В складає 500 ВА, а на постійному струмі напругою 220 В – 50 Вт.

Таблиця 8.2

Модифікації терморегуляторів серії ПТР

Діапазон регульованих температур, °С	ПТР-2	ПТР-3	ПТР-П
Від -30 до -5	ПТР-2-02	ПТР-3-02	ПТР-П-02
Від -10 до -15	ПТР-2-03	ПТР-З-0З	ПТР-П-03
Від 5 до 35	ПТР-2-04	ПТР-3-04	ПТР-П-04
Від 30 до 60	ПТР-2-05	ПТР-3-05	ПТР-П-05
Від 50 до 100	ПТР-2-06	ПТР-3-06	–

Термоелектричні перетворювачі (термопари).

В основі вимірювання температури за допомогою термопар лежить термоелектричний ефект, який полягає в тому, що в колі, яке складається із різнорідних провідників, при неоднаковій температурі точок їх з’єднання (спаїв) виникає термоелектрорушійна сила (термоЕРС), значення якої залежить від різниці температур спаїв.

Термоелектричний перетворювач (термопара) представляє собою спай двох різнорідних металевих провідників – термоелектродів (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Термоелектричний термометр (термопара):

1 – робочий («гарячий») спай, 2 – вільні («холодні») кінці, 3 – з’єднувальні провідники.

Кінець 1 термопари, який поміщують в об’єкт вимірювання температури, називається робочим, або «гарячим» спаєм. Вільні, або «холодні», кінці 2 термопари з’єднують з вимірювальним приладом.

Конструктивно термопара складається із двох термоелектродів, ізольованих фарфоровим або керамічними бусами і поміщеними в металевий захисний кожух для захисту від механічних пошкоджень, хімічної дії середовища і високого тиску. Робочий спай знаходиться в одному кінці захисного кожуха, а вільні кінці термоелектронів виводять на затискачі в голівці, закріплені на другому кінці захисного кожуха.

Для вимірювання термоЕРС до вільних кінців термопари приєднують вимірювальний прилад (мілівольтметр або потенціометр).

При вимірюванні невеликої температури декілька термопар з’єднують послідовно (рис. 8.6).

Основні характеристики термоелектричних перетворювачів наведені в табл. 8.3.

Таблиця 8.3

Основні параметри термоелектричних перетворювачів

Тип перетворювача	Умовне позначення номінальної статичної характеристики	Матеріал термоелектродів		Діапазон вимірюваних температур при тривалому використанні, °С	Гранична температура при короткочасному використанні, °С
		позитивного	негативного
ТВР	ВР (А)-1 ВР (А)-2 ВР (А)-3	Вольфрамореній (5% ренію)	Вольфрамореній (20% ренію)	0...+2200 0...+1800 0...+1800	+2500 +2500 +2500
ТПР	ПР (В)	Платиновородій (30% родію)	Платиновородій (6% родію)	+300...+1600	+1800
ТПП	ПП (S)	Платиновородій (10% родію)	Платина	0...+1300	+1600
ТХА	ХА (К)	Хромель	Алюмель	-200...+1000	+1300
ТХК	ХК (L)	Хромель	Копель	-200...+600	+800
ТМК	XК (М)	Мідь	Копель	-200...+100	+100

а)	б)
в)

Рис. 8.6. Схеми з’єднання термопар:

а – послідовне, б – диференціальна пара, в – паралельне.

В цьому випадку сумарна термоЕРС дорівнює термоЕРС одиничної термопари, помноженій на число термопар в батареї: Якщо необхідно виміряти різницю температур двох точок, то термопари вмикають назустріч одна другій. Така термопара називається диференціальною. ТермоЕРС, що створюється диференціальною термопарою, не залежить від температури вільних кінців.

Контрольні питання

1. Поясніть будову та принци роботи дилатометричного термоперетворювача ТУДЭ і вкажіть діапазон вимірюваних температур.

2. Поясніть будову та принцип роботи температурного реле ТР-200 і вкажіть діапазон вимірюваних температур.

3. Поясніть будову, принцип роботи і вкажіть діапазон вимірюваних температур терморегулятора ДТКБ.

4. Поясніть будову, принцип роботи і вкажіть діапазон вимірюваних температур рідинного термометра.

5. Поясніть будову, принцип роботи і вкажіть діапазон вимірюваних температур терморегулятора об’ємного розширення.

6. Поясніть будову, принцип роботи і вкажіть діапазон вимірюваних температур регулятора температури ЭРА-М.

7. Поясніть будову, принцип роботи і вкажіть діапазон вимірюваних температур термопари.