Датчики влажности компании Honeywell

 

Компания Honeywell производит семейство емкостных датчиков влажности, применяя метод многослойной структуры (рис. 2.3), образуемой двумя плоскими платиновыми обкладками и диэлектрическим термореактивным полимером, заполняющим пространство между ними. Термореактивный полимер, по сравнению с термореактивной пластмассой, обеспечивает датчику более широкий диапазон рабочих температур и высокую химическую стойкость к таким агрессивным жидкостям и их парам, как изопропил, бензин, толуол и аммиак. В дополнение к этому датчики на основе термореактивного полимера имеют самый большой срок службы в этиленоксидных стерилизационных процессах.

 

Рисунок 2.3 ‑ Метод многослойной структуры, применяемый при изготовлении датчиков влажности

В процессе работы водяной пар проникает через верхнюю пористую обкладку конденсатора (рис. 2.3) и уравновешивается с окружающим газом. Одновременно эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие в полимерном слое, от внешних физических воздействий (света и электромагнитного излучения). Слой полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масел. Такая мощная фильтрационная система, с одной стороны, обеспечивает датчику длительную бесперебойную работу в условиях сильной загрязненности окружающей среды, с другой — снижает время отклика.

Выходной сигнал любого (емкостного или резистивного) абсорбционного датчика влажности представляет собой функцию от температуры и влажности, поэтому для получения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температур требуется температурная компенсация характеристики преобразования. Компенсация особенно необходима, когда датчик используется в индустриальном оборудовании для измерения влажности и точки росы. Именно для этих целей некоторые модели датчиков Honeywell имеют встроенный платиновый терморезистор сопротивлением 1000 Ом, который расположен с обратной стороны подложки (рис.2.4).

 

Рисунок 2.4 ‑ Структура датчика влажности со встроенным платиновым датчиком температуры

Датчики влажности Honeywell — это интегрированные приборы. Помимо чувствительного элемента и термосенсора, на той же подложке расположена схема обработки сигнала, которая обеспечивает преобразование сигнала, его усиление и линеаризацию. Выходной сигнал датчика Honeywell является функцией от напряжения питания, окружающей температуры и влажности. Чем выше напряжение питание, тем больше размах выходного сигнала и, соответственно, чувствительность. Связь же между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой показана на объемной диаграмме (рис. 2.5).

 

Рисунок 2.5 ‑ Связь между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой

Она легко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений:

1. Прямая наилучшего соответствия при 25 °C (жирная линия на диаграмме), описывается выражением U_вых = U_пит(0,0062 · (%RH₂₅) + 0,16). Из этого уравнения определяется процент RH₂₅ при температуре 25 °C.

2. Далее производится температурная коррекция и вычисляется истинное значение RH: RH_{истинная} = (%RH₂₅) · (1,0546 - 0,00216T), где T измеряется в °C.

Выражения выше соответствуют характеристикам реальных датчиков со следующими отклонениями:

Для примера на рис. 2.6 приведены характеристики преобразования реального датчика Honeywell при различных температурах.

 

Рисунок 2.6 ‑ Характеристики преобразования датчика влажности Honeywell при различных температурах

 

2.2 Электроприводы и клапаны для воздушных заслонок

 

Клапаны общепромышленного назначения соответствуют ТУ РБ 05708554.021-96. Клапаны во взрывозащищенном исполнении соответствуют ТУ РБ 05708554.022-97. Предназначены для использования в системах дистанционного автоматического управления газогорелочных устройств, бытовых отопительных установок и в технологических трубопроводных системах управления потоком природного и сжиженного газа, воздуха и жидких неагрессивных сред вязкостью до 40·10-⁶ м²/с в качестве запорно-регулирующего органа и органа безопасности при продолжительном режиме работы.

Режим работы клапана с электроприводом определяется типом применяемого электропривода.

1. Для клапанов с пропорциональным регулированием в качестве исполнительного механизма могут применяться электроприводы LM24SR (Belimo, Швейцария).

Электропривод LM24SR (Belimo, Швейцария) предназначен для управления воздушными заслонками в системах вентиляции и кондиционирования (рис. 2.7).

 

 

Рисунок 2.7- Исполнительный механизм МЭО управления заслонкой

 

Привод оборудован универсальным крепежным хомутом, который можно быстро и легко установить прямо на вал заслонки и заблокировать фиксатором, поставляемым в комплекте.

С помощью встроенного потенциометра осуществляется плавное регулирование угла поворота. Привод автоматически обеспечивает согласование рабочего напряжения и сигнала обратной связи.

С помощью кнопки возможно механическое управление заслонкой: нажатием кнопки на крышке корпуса зубчатый редуктор выводится из зацепления и заслонкой можно управлять вручную.

Привод защищен от перегрузок, не требует конечных выключателей и останавливается автоматически при достижении конечных положений.

Привод управляется стандартным сигналом 0...10В= и открывает (закрывает) заслонку клапана до положения, соответствующего заданному сигналу. Напряжение обратной связи U обеспечивает электрическое отображение положения регулирующей заслонки привода в пределах 0...100%, а также выполняет роль управляющего сигнала для других приводов. Схема электрических соединений приведена на 2.8.

 

 

Рисунок 2.8‑ Схема электрических соединений для электропривода LM24SR

 

2. Для клапанов с позиционным регулированием в качестве исполнительного механизма может применяться электропривод LF230S (Belimo, Швейцария). Привод перемещает заслонку в нормальное рабочее положение, одновременно растягивая возвратную пружину. В случае отключения напряжения питания энергия, запасенная в пружине, возвращает заслонку в охранное состояние. Схема электрических соединений приведена на рисунке 2.9.

 

 

Рисунок 2.9 ‑ Схема электрических соединений для электропривода LF230S

 

Основные технические характеристики электроприводов МЭО приведены в таблице 2.3.

 

 

Таблица 2.3 ‑ Электроприводы LM24-SR, LMC24-SR

Технические данные	LM24-SR	LMC24-SR
Напряжение питания	24В±20% ~50/60Гц 24В±10%=
Потребляемая мощность	4ВА
Соединительный кабель	Длина - 1м, 4х0,75мм^2
Управляющий сигнал	0…10В= (входное сопротивление - 100кОм)
Рабочий диапазон	2…10В=(для разных углов поворота)
Напряжение обратной связи, U	2…10В= при ≤ 0,5мА (для разных углов)
Ровность хода	±5%
Направление поворота (при Y= 0В)	Выбирается установкой переключателя L/R: соответственно L ←; R →.
Крутящий момент	Мин.4Нм	Мин.3Нм
Угол поворота	Макс. 95° (настраивается 20-100% с помощью потенциометра)
Время поворота	80…110с (0…4Нм)	25…35с (0…3Нм)
Индикация положения	Механическая
Класс защиты	III (для защиты низких напряжений)
Степень защиты	IP54 (установка кабелем вниз)
Температура эксплуатации	-30…+50 °С
Температура хранения	-40…+80 °С
Влажность	Соответствует EN60335-1
Уровень шума	Макс. 35Дб(А)
Техническое обслуживание	Не требуется
Электрические аксессуары	Позиционеры - SG…24 Цифровой индикатор положения - ZAD24
Вес	620г

 

 

2.3. Датчики температуры

 

Основные типы контактных датчиков температуры, применяемых в системах кондиционирования воздуха производства МЗТА, следующие: термометры сопротивления, термисторы, термопары.

Различают металлические и полупроводниковые термометры сопротивлений (термосопротивления). Сравнения основных типов контактных температурных датчиков приведено в таблице 2.4.

 

Таблица 2.4 - Сравнительная таблица трех основных типов контактных температурных датчиков

Тип датчика	Термистор	Термометр сопротивления	Термопара
ПАРАМЕТР	Сопротивление	Сопротивление	Напряжение
Приемущества	Высокая чувствительность сопротивление-температура Малая инерционность Высокое сопротивление, что устраняет необходимость четырехпроводного включения Небольшой размер Низкая стоимость Высокая стабильность Хорошая взаимозаменяемость	Хорошая линейность характеристики Высокая стабильность Высокая взаимозаменяемость в широком диапазоне температур	Широкий температурный диапазон Простота производства Низкая стоимость Стойкость износу Не требует дополнительных источников энергии
Недостатки	Нелинейная характеристика Рабочий диапазон температур приблизительно от -60 до +300 °С Взаимозаменяемость только в узком диапазоне температур Необходим источник тока	Низкая чувствительность Относительно большая инерционность Необходимость трех- или четырех-проводного схемы подкключения Чувствительность к ударам и вибрациям Необходим источник тока Высокая стоимость	Нелинейная характеристика Относительно низкая стабильность Низкая чувствительность Измерение низких ЭДС может усложниться электро-магнитными шумами и наведениями Необходимая компенсация холодных спаев

2.3.1 Термометры сопротивления (ТС)

 

Термометр сопротивления (ТС) ‑ это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент(ЧЭ) которого представляет собой резистор, выполненное из металлического провода или пленки, которая имеет известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый популярный тип термометра ‑ платиновый ТС, что поясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее стойкостью к окислению и хорошей технологичностью. Как рабочие средства измерений применяются также медные и никелевые термометры. Новый стандарт на технические требования к рабочим ТС: ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведенные диапазоны, классы допуска ТС, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Главное преимущество термометров сопротивления ‑ широкий диапазон температур, высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость.

Металлические термосопротивления изготавливают из чистых металлов, большей частью из меди или платины, реже ‑ из никеля, вольфрама или железа. Температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС) для чистых металлов составляет примерно (4-6,5)·10-3 °С-1, т. е. при изменении температуры на 1 °С сопротивление металлического терморезистора изменится на 0,4-0,65 %. Некоторые характеристики чистых металлов, используемых в термосопротивлениях, приведены в таблице 2.5.

 

Таблица 2.5 – Характеристики металлов

Материал	ТКС, в диапазоне 0-100 °С,°С^-1	Удельное сопротивление при 20 °С, Ом·мм^2/м
Платина	3,94·10-3	0,105
Медь	4,27·10-3	0,017
Никель	6,50·10-3	0,080
Вольфрам	4,80 ·10-3	0,055

 

Применение в термосопротивлениях главным образом меди или платины связано с такими свойствами никеля и вольфрама, как тугоплавкость, повышенная окисляемость, разброс параметров от образца к образцу.

Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления ‑ необходимость использования для точных измерений трех- или четырех- проводной схемы включения, так как при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается в измеренное сопротивление термометра.

Важнейшей технологической проблемой для ТС проволочного типа есть герметизация корпуса чувствительного элемента специальной глазурью: состав глазури должный быть подобран так, чтобы при колебаниях температуры в границах рабочего диапазона не происходило разрушения герметизирующего слоя.

Промышленные платиновые ТС в большинстве случаев используются с стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает допуск не лучше 0,1°С (класс АА при 0 °С). Однако высокая стабильность некоторых термометров позволяет делать их индивидуальную градуировку и определять характерную именно для них зависимость сопротивление-температура. Такая градуировка может повысить точность до нескольких сотых градуса. Стандарт на образцовые ПТС первого и второго разряда: ГОСТ Р 51233-98 «Термометры сопротивления платиновые эталонные 1 и 2 разрядов. Общие технические требования».

Свойства термометров сопротивления трех наиболее распространенных типов приведенные в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Свойства термометров сопротивления

Метал	Температурний коефіціент	Робочий діапазон температур, що рекомендується	Опис	Використання
Платина	0.00385, 0,00391°C^-1 – робочі ТО (ГОСТ Р 8.625-2006, МЕК 60751) 0.003925°C^-1 – еталонні ТО	–196°C до 600°C	Висока точність і стабільність. Характеристика опір-температура близька до лінійної. Самий широкий діапазон температур. Високий питомий опір. Для виготовлення ЧЕ потрібне невелика кількість платини. Можливе виготовлення ЧЕ методом напилювання платини на підкладку (плівкові ЧЕ).	Дуже широко використовується в промисловості всіх країн, існує стандарт МЕК 60751 на платинові ТО и ЧЕ. Остання редакція включає вимоги до дротових і плівкових ЧЕ.
Нікель	0,00617°C^-1 (ГОСТ Р 8.625-2006)   0.0067°C^-1(DIN)	–60°C до 180°C	Найбільш високий температурний коефіцієнт; найбільший вихідний сигнал опору. Однак, якщо перевищено крапку Кюрі (352°C), може виникати непередбачений гистерезис характеристики.	Використовуються значно рідше, ніж платинові ТО. Нікелеві ТО установлювалися раніш на корабельних системах контролю в комплекті із самописами.
Мідь	0.00428°C^-1 (ГОСТ Р 8.625-2006)	–50°C до 150°C	Мають найбільш лінійну характеристику, але дуже обмежений діапазон температур. Дуже низький питомий опір, що обумовлює необхідність використання дроту значної довжини. Це привело до того, що в американському стандарті, мідні термометри мають номінальний опір 10 Ом.	Використовуються в електричних генераторах, на електростанціях і в деяких інших галузях промисловості.

 

Наиболее распространенная конструкция платиновых ЧЭ ‑ так называемая "свободная от напряжения спираль" (Straіn-free). Эта конструкция выпускается многими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна состоят в размерах деталей и материалах, используемых для герметизации корпуса ЧЭ. Для разных диапазонов температур используются разные виды глазури. Эта конструкция ЧЭ также очень распространена за рубежом (рис.2.9).

Рисунок 2.9 - Схема платинового чувствительного элемента термометра сопротивления

ЧЭ представляет собой платиновую спираль, четыре отрезка которой укладываются в каналы трубки из оксида алюминия и засыпаются мелким дисперсным порошком из оксида алюминия высокой чистоты. Таким образом, обеспечивается изоляция витков опирали друг от друга, аммортизация спирали при термическом расширении и вибропрочность. Герметизация концов ЧЭ проводится с помощью цемента, приготовленного на основе оксида алюминия, или специальной глазури. Чувствительный элемент помещают в корпус защитной арматуры, конструкция которого зависит от условий измерения и, как правило, выполнена из нержавеющей стали.

Сопротивление изоляции. Корпус термометра сопротивления обычно заполняется неорганической изоляцией из оксида алюминия или магния. Эти материалы в большой степени гигроскопичны, и как только небольшое количество влаги проникает в термометр, происходит эффект шунтирования чувствительного элемента термометра. Проверка сопротивления изоляции ТС ‑ одно из важнейших испытаний при выпуске из производства. Проверка происходит путем измерения сопротивления между корпусом ТС и выводами при экзаменационном напряжении от 10 до 50 В. При комнатной температуре сопротивление изоляции должен быть более 100 Ом.

Падения сопротивления изоляции ‑ основная причина снижения точности термометра или даже выхода его из порядка. Важное значение для предотвращения этого эффекта имеет надежная герметизация ЧЭ, в особенности при работе термометра в условиях повышенной влажности.

Тепловая иннерционость датчика. Скорость реакции ЧЭ на смену температуры процесса зависит от конструкции ЧЭ, материала корпуса термометра, изоляции между ЧЭ и корпусом. Для снижения инерции используются специальные способы точного подгона размеров корпуса и ЧЭ, специальные изолирующие теплопроводящие материалы (табл. 2.7).

Таблица 2.7 ‑ Образцовое время термической реакции для платиновых ТС

Опис ТО	Час термічної реакції (63% від повної зміни)
Чутливий елемент	0,3 – 3 с
Диаметр 3,5 мм	2 – 3 с
Диаметр 5,0 мм	4 – 5 с
Диаметр 6,0 мм	5 – 7 с
Диаметр 6,0мм, монтований у гільзу	15 – 20 с

 

Тепловой контакт с объектом. Необходимо всегда учитывать, что термометр фактически регистрирует температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру среды или объекта в которую он погружен. То, на сколько температура ЧЭ близка к измеренной температуре объекта зависит от суммарного теплового сопротивления между ЧЭ и объектом. Монтаж термометра в измерительный канал осуществляется, как правило, с помощью пружины, которая прижимает, канал иногда заполняется теплопроводящим материалом. Если контакт с объектом нарушен, то это может привести к ошибочным значениям регистрируемой температуры. Для проверки теплового контакта разработаны специальные методики, наиболее распространенная из которых ‑ исследования времени реагирования ТС на импульсное нагревание током.

По оценкам специалистов надежность современных датчиков температуры растет. Если становится вопрос выбора контактного датчика повышенной надежности и стабильности для температур от 200 до 600°С, то очень сложно найти что-то более подходящее, чем платиновый термометр сопротивления. Основная причина выходов из строя современных термометров сопротивления связана с проблемами их крепления на объекте и проблемами во внешней измерительной цепи, а не с проблемой нестабильности ЧЭ.

Пленочные платиновые термометры сопротивления отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур.

 

 

2.3.2 Термисторы

 

ТЕРМИСТОР (ТЕРМИЧЕСКИЙ резистор) ‑ устройство, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Обычно термин "термистор" применяется относительно чувствительного к температуре полупроводникового устройства.

Термисторы ‑ это по сути термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основных типа термисторов ‑ NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип ‑ NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.

Большинство термисторов ‑ керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с следующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300°С. Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как ((AB)3O4, (ABC)3O4 лежат в основе термисторов. Распространенной формулой есть (Nі0.2Mn0.8)₃O₄. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250°С являються термисторы на основе смешанных оксидов магния и никеля или магния, никеля и кобальта, которые имеют отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора ρ (25°C) зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень маленьких концентраций таких металлов как Lі и Na.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Причины нестабильности термисторов следующие:

- напряжения, которые возникают в материале при термоциклирувании и образования микротрещин;

- структурные изменения в полупроводнике;

- внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакций в порах и на поверхности полупроводника;

- нарушения адгезии металлической пленки;

- миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 сут.). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При продолжительном использовании термисторов, они выходят за границы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру немного ниже, чем значения, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 сут. при 60°С). Дисковые термисторы менее стабильные (дрейф до 50 мК за 100 сут. при 60°С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной бесчувственности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться к температуре минус 100°С.

Диапазон наилучшей стабильности термисторов ‑ от 0 до 100°С. Основными преимуществами термисторов есть вибропрочность, маленький размер, маленькая инерционность и невысокая цена.

Термисторы находят применение в многих областях. Практически ни одна сложная печатная плата не обходится без термисторов. Они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике.

 

 

2.3.3 Термоэлектрические термометры (термопары)

 

Термопара ‑ старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открытый и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a dіfference of potentіal wіll occur іf a homogeneous materіal havіng mobіle charges has a dіfferent temperature at each measurement contact ‑ если гомогенный материал, который владеет свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает различие потенциалов. Именно такое определение дает ключ к пониманию эффекта возникновения ТЭДС не в месте спая, а по всей длине термоэлектрода, что очень важно для понимания ограничений по точности, которые накладываются самой природой термоэлектричества. Поскольку генерирования ТЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показание термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учет термоэлектрической неоднородности в особенности важный для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Главные преимущества термопар:

- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков;

- спай термопары может быть непосредственно заземленный или приведен в прямой контакт с измеренным объектом;

- простота изготовления, надежность и прочность конструкции;

Недостатки термопар:

- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение исправления в измеренноую ТЭДС.

- возникновения термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения содержания сплава в результате коррозии и других химических процессов.

- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.

- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект "антенны" для существующих электромагнитных полей.

- зависимость ТЭДС от температуры существенным образом не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров и классы допуска и диапазоны измерений приведенные в ГОСТ Р 8.585-2001 "Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования".

Наиболее точные термопары ‑ с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S (Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, стойкость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также есть практически нулевой исходный сигнал при температурах вплоть до 50°С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком есть высокая стоимость и маленькая чувствительность (близко 10 мкв/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100°С составляет 0,2-0,3°С. Причины нестабильности термопар связанные с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900°С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех областях промышленности. Они дешевые и простые в обращении, стойкие к вибрациям, могут выпускаться в взрывозащитном исполнении. В особенности удобны в использовании кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяют расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Преимуществом термопар также есть высокая чувствительность. Важным недостатком есть образования термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, которая может привести к ошибке в градуировке более 5°С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической проверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость проверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерная для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из важных составные неопределенности измерений термопарами есть учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях.

Для измерения высоких температур до 2500°С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования есть необходимость устранения окислительной атмосферы, которая разрушает провод. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам- рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствия потока нейтронов.

Особенностью работы с термопарами есть применения стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал из термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготовляются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготовляются из совсем других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной может использоваться медный провод.

 

2.4 Контрольные вопросы

 

1. Современные методы измерения влажности.

2. В чем состоит метод многослойной структуры измерения влажности.

3. Датчики влажности компании Honeywell

4. Клапаны для воздушных заслонок.

5. Электроприводы клапанов для воздушных заслонок.

6. Электропривод LM24SR (Belіmo, Швейцария).

7. Основные типы датчиков температуры.

8. Сравнения основных типов контактных температурных датчиков.

9. Термисторы.

10. Свойства термометров сопротивления.

11. Главные преимущества термопар.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

 

МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ПРИБОРОВ КОМПЛЕКСА «КОНТАР»

 

Цель работы: получение навыков работы на лабораторном стенде системы управления, реализованной на приборах комплекса «КОНТАР»

3.1.Общие сведения

3.1.1 Описание варианта учебного стенда

Назначение и возможности стенда. Учебный стенд предназначен для обучения студентов, занимающихся проектированием и эксплуатацией систем автоматического регулирования и управления на базе приборов комплекса KONTAR.

Описываемый вариант стенда позволяет подключить входящие в его состав приборы, объединенные в сегмент сети по интерфейсу RS485, к последовательному порту персонального компьютера с помощью субмодуля RS232 или к сети Ethernet с помощью субмодуля Web‑Linker.

Аппаратный состав варианта учебного стенда. Схема подключения оборудования, входящего в состав модели, показана на рис. 3.1.

Модель включает в себя следующие приборы и узлы:

контроллер МС8 (МС8.2022112 - питание - 24В, симисторные выходы, интерфейсные субмодули RS232C, Ethernet, часы-календарь);

контроллер МС5 (MC5.100 - без пульта, без интерфейсного субмодуля);

модуль релейный MR8 (MR8.1232 или MR8.1222 - с пультом, два симисторных + два релейных выхода или четыре релейных выхода);

термистор ТМ1 типа 10кОм-2;

датчик ACI/RH, включающий термистор ТМ2 типа 10кОм-2 и датчик влажности с выходом 0-10В;

тумблеры S1, S2;

исполнительный механизм Belimo LM24SM (питание -24В, управление 2-10В, датчик положения 2-10В);

индикаторные лампы HL1, HL2, HL3, HL4 (-24В);

лампа накаливания HL5 (-220В, 60Вт);

автомат питания QF1 (6,3А).

Приборы МС8, МС5, MR8 объединены в сеть по интерфейсу RS485 (клеммы А, В, SG). МС8 выполняет роль Master-контроллера, МС5, MR8 являются Slave-контроллерами.

Master-контроллер МС8 подключается по интерфейсу RS232C к последовательному порту компьютера для работы с программой Console, а также может подключаться к локальной сети Ethernet с возможным выходом в Internet.

 

 

Рисунок3.1- Схема подключения оборудования модели для обучения

 

3.1.2 Функциональная схема проекта

 

Пример функциональной схемы одного из вариантов проекта системы управления для возможной реализации на модели показан на рис. 3.2.

В схеме реализованы два замкнутых контура регулирования:

· регулятор положения выходного органа Belimo с сигнализацией предельных отклонений;

· регулятор температуры поверхности лампы HL5 (терморегулятор).

 

Дополнительно реализован контроль температуры и влажности в помещении.

Кроме того, в приборе MR8 реализован импульсатор, управляющий индикаторами HL3, HL4. Состояние индикаторов передается по интерфейсу RS485 в МС8 для контроля.

 

Рисунок 3.2 ‑ Функциональная схема системы управления для реализации на модели

Регулятор положения. Выходной сигнал датчика Belimo (датчик положения) поступает в МС8, где сравнивается с заданием, формируя отклонение. Сигнал отклонения фильтруется фильтром, постоянная времени которого является параметром настройки. Учитывая, что Belimo обладает собственной постоянной времени 0.1сек, получаем объект регулирования второго порядка, одну из постоянных которого можно произвольно задавать. Отфильтрованное отклонение Еф отрабатывается аналоговым ПИД-регулятором (ПИД‑А), выходной сигнал которого управляет Belimo, обеспечивая соответствие положения выходного органа заданию.

Для сигнализации предельных отклонений сигнал отклонения из МС8 передается по интерфейсу RS485 в МС5, где сравнивается с уставками компараторов верхнего и нижнего уровней. Компараторы управляют индикаторами HL1, HL2. Состояние индикаторов передается обратно в МС8 для контроля.

Терморегулятор. Температура поверхности лампы HL5 измеряется термистором ТМ1, сигнал которого поступает в МС8, где после нормализации сравнивается с уставкой компаратора нижнего уровня.

Если температура лампы HL5 («температура 1») ниже уставки, компаратор включен, его сигнал по интерфейсу RS485 передается в MR8 и управляет симисторным (релейным) выходом DO.1 последнего. Этот выход включает питание лампы (~220В), обеспечивая ее нагрев.

При достижении заданного уровня температуры выход компаратора, а значит и выход DO.1 MR8 отключаются, снимая питание с лампы.

Таким образом, осуществляется двухпозиционное регулирование температуры. Параметром настройки регулятора является зона возврата компаратора.

 

3.2 Пример выполнения проекта

 

В этом разделе приведено описание примера проекта системы управления, разработанного с помощью инструментальной системы программирования KONGRAF в соответствии с описанной в п.5.1.2 функциональной схемой.

3.2.1 Главный алгоритмический блок учебного проекта

 

Главный алгоблок учебного проекта показан на рис. 3.3.