Найменование курса - Навигационные системы и судовые коммуникационные сети (стр. 5 )

Максимального типа; Дифференциального типа; Максимально-дифференциального типа.

Датчики максимального типа срабатывают при достижении температуры окружающей среды выше наперёд заданного значения (температуры уставки).

Дифференциального типа датчики срабатывают при достижении скорости изменения температуры выше наперёд заданного значения.

Максимально-дифференциального типа датчики сочетают условия срабатывания максимального и дифференциального датчиков.

По требованиям СОЛАС – 74 тепловые датчики имеют температуру уставки от 54єС до 78єС и должны срабатывать при скорости изменения температуры ДТ/t < 1є/мин. Однако для специальных помещений (сушилок, бани и т. д.) температура уставки может быть 90єС и более.

Параметры датчиков

Статическая крутизна преобразования датчика (чувствительность)

               Δ S =  Δ y / Δ x  .

  Здесь Δ y – изменение выходного сигнала (параметра) датчика при изменении входного параметра (температуры) на Δ x.

То есть крутизна преобразования численно  равна  тангенсу угла наклона касательной к статической характеристики датчика  в заданной  рабочей точке (рис. 4.4).

  Порог чувствительности  - т. е. минимальное внешнее воздействие, которое однозначно регистрируется измерительной схемой.( Если измерительная схема  содержит  усилительные элементы, то предельно возможный порог чувствительности (т. е. в случае максимально возможного усиления сигнала датчика) определяется  помехами (шумами) измерительной схемы.)

Инерционность – т. е. время от момента достижения входным воздействием порога чувствительности до момента срабатывания датчика.

       Эта величина обычно представляется в виде температурной временной диаграммы датчика (переходной характеристики  h(t))и определяется тепловой постоянной датчика  T.

       В первом приближении  передаточную функцию по температуре  можно представить совокупностью пропорционального звена  с передаточной функцией  W(p) = S и  апериодического звена 1 порядка с передаточной функцией

       Постоянная времени  датчика Т  может быть определена по переходной характеристике,  как показано на рис. 4.5. Приближенно за постоянную времени принимают время, за которое выходной параметр датчика изменяется  на 66% от установившегося значения (т. е. 100%) при единичном входном воздействии (рис. 4.5).

       Температура уставки,  tуст  -  т. е.  установленная регулировкой статическая температура датчика, при которой происходит его срабатывание.        

Для анализа  тепловой инерционности датчиков тепла  воспользуемся температурно – временной диаграммой (рис. 4.6).

       Предположим, что рассматриваемый  тепловой датчик  является малоинерционным, Т = 20 секунд. В помещении, где находится датчик, температура повышается с малой скоростью,  около 6 о/в минуту. Чувствительный элемент  датчика практически отслеживает температуру окружающей среды и при достижении температуры в помещении Т=tуст  (78 о) датчик срабатывает (точка А).

       Рассмотрим другой вариант, когда скорость нагревания  воздуха в помещении выше и равна 10 о/ в минуту. В этом случае температура датчика вследствие его инерционности отстает от температуры воздуха в помещении и его температура достигнет температуры уставки (т. е. он сработает), когда температура в помещении уже будет около 95 о (точка Б).

       При еще более высокой скорости изменения температуры (30  о/в минуту)  датчик сработает, когда температура в помещении достигнет значения  около 180 о  (точка В).

       Такая температурно – временная характеристика характерна для теплового датчика максимального типа, который срабатывает при достижении им температуры, равной температуры  уставки. Недостатком таких датчиков является  их инерционность, что может допустить  состояние чрезмерно высокой температуры в помещении, при которой датчик еще не сработает. Это может вызвать необратимые последствия, когда тушение пожара уже не возможно.

       Для борьбы с этим недостатком используют тепловые датчики дифференциального типа, которые срабатывают при достижении  ими некоторой предельной скорости изменения температуры.  Температура же датчика при этом не имеет значения.  Обычно их используют в комбинации с датчиками максимального типа. Типичная температурно-временная характеристика дифференциального теплового датчика приведена на  рис. 4.7.

       При малой скорости изменения температуры  воздуха в помещении (например, 6 о/ в минуту) датчик не срабатывает не зависимо от  температуры воздуха в помещении (область S2). При  высокой скорости изменения температуры  воздуха в помещении (например, 40 о/ в минуту) датчик дает ложные срабатывания при температуре в помещении ниже температуры уставки максимального датчика (область S1). На показанном примере  кривая срабатывания датчика асимптотически приближается к скорости изменения температуры в помещении  10 о/ в минуту.  Скорости  изменения температуры  выше этого значения являются рабочими,  соответствующие нормальной работе датчика.

       Достоинством дифференциальных датчиков их является их низкая инерционность.

Недостаток  - наличие ложных областей срабатываний  и не срабатываний.

       Максимально-дифференциальные датчики являются комбинацией  этих двух видов.

Типы  тепловых датчиков

Тепловые датчики можно классифицировать по физическому принципу, используемому ими в работе:  1. Тепловое объемное расширение тел

2. Биметаллические

3. С плавкими вставками

4. Полупроводниковые

5. Термопарные

6. Термисторные

Конструкции и схемы указанных датчиков приведены на рисунках 4.8 – 4.10.

       Рис. 4.8, б - это датчик максимально-дифференциального типа фирмы Fanwall. Работает на замыкание, т. е. нормальное состояние  - разомкнутое. Не имеет ложных срабатываний и не имеет не защищенной зоны S2.

Датчик состоит из металлической трубки – корпуса, внутри которой  смонтированы  пружины (2) из материала с  температурным коэффициентом линейного расширения, ТКЛпр < TKЛкорпуса. На пружинах закреплены изолированные от них контакты датчика (6) с выводами (3). Регулировочный винт 4 позволяет изменять значение температуры срабатывания датчика tуст. .

       При малой скорости изменения температуры при достижении t =  tуст  контакты датчика 6 замыкаются, т. к. температурное удлинение корпуса больше чем у пружин.  т. е. датчик ведет себя как "максимальный". При высокой скорости изменения температуры температура нагрева пружин 6 отстает от температуры корпуса и это приводит к  понижению  температуры срабатывания датчика. В этом случае он ведет себя как дифференциальный датчик.

       Биметаллические датчики (Рис.4.8,в). Это датчики наиболее распространённые вследствие простоты их использования. Биметаллическая пластина – пластина, состоящая из двух соединенных между собой пластин, имеющих разный  температурный коэффициент линейного расширения.

Недостаток: tуст «плавает», то есть изменяется со временем; датчик подвержен ложным срабатываниям от вибраций вследствие явления механического резонанса контактов датчика.

Датчики такого типа на судах используется только в варианте, когда исходное состояние замкнутое. Постоянная времени: Т = 50ч80 секунд.

       Биметаллический датчик со сферическим элементом (Рис. 4.8, г).

       Такой датчик металлический корпус и тонкую металлическую пластину со штампованной сферической формой. При изменении температуры размер пластины увеличивается, она упирается в края корпуса и вследствие возникающих механических напряжений изменяет свою форму на противоположную, замыкая контакты.

а) Датчики  с плавкими вставками:

  Выполняется на основе металлических проводников из  легкоплавкого  металла, например сплав Вуда (tплавл.=89єС). Тепловая постоянная: 10ч15єС. Датчик максимального типа. Пример: датчик ДТЛ (tуст.=80 єС). Защитная зона – 15 м. Выполняется на диапазон от 65 єС до 133 єС. Недостаток: датчик одноразовый.

Термисторный датчик (Рис. 4.9,б)

б)  Такой датчик эквивалентен контактному датчику с нормально разомкнутыми контактами, то есть при t<tуст составной транзистор находится в состоянии «закрыт». При достижении t=tуст напряжение на базе составного транзистора достигает напряжение «открытия» транзисторов. Транзистор «открывается» и ЦП по линии луча воспринимает это как замыкание контактов датчика. Параллельно датчику включено сопротивление R3, которое позволяет проверить исправность луча со стороны ЦП при нормальной температуре окружающей среды.

в) Максимально-дифференциальный датчик на основе термисторов (рис. 4.9,в)

  Он имеет 2 канала: максимальный и дифференциальный. В максимальном канале установлен термистор с большой постоянной времени (в тепловой рубашке). Второй термистор в дифференциальном канале малогабаритный с малой постоянной времени. Сигналы о них подаются на триггеры Шмидта. Верхний из них является каналом максимального датчика, а нижний ТШ имеет два входа.  На один из входов подаётся сигнал с максимального канала, на другой с дифференциального. Эти сигналы вычитаются один из другого. В результате при высокой скорости изменения температуры на прямой вход поступает напряжение с R2 и ТШ срабатывает. При малой скорости изменения температуры сигналы на прямом и инверсном входах этого ТШ равны. Эти сигналы взаимно вычитаются и ТШ этого канала не срабатывает. Температурная характеристика этого датчика полностью соответствует характеристики дифференциального датчика.