Анализ и обзор различных типов датчиков для измерений температуры в узле пластикации и впрыска в термопластавтомате

"Научный аспект №6-2024" - Электротехника

УДК 681.586.36

Токтаров Петр Сергеевич – магистрант Поволжского государственного технологического университета.

Аннотация: В статье проведено исследование некоторых типов датчиков температуры, которые подходят для использования в измерении в узле пластикации и впрыска термопластавтомата. При рассмотрении актуальности проведения данного исследования поднимается проблема получения точных измерений температуры с минимальной погрешностью при невысокой стоимости датчика. Также кратко описывается принцип работы каждого из предложенных типов датчиков, их достоинства и недостатки применения. Также в выводе приводятся аргументы применения подходящих датчиков. Данное исследование необходимо для повышения качества продукции за счет уменьшения перегрева полимерного материала в нагревательном цилиндре.

Ключевые слова: термопластавтомат, температурные датчики, термопары, пирометры, терморезистивный датчик.

Актуальность исследования. Производство изделий из полимеров является наиболее широко распространённым в наше время. Оно служит как заменой дорогостоящего технологического процесса получений изделий из металлов. Основным оборудованием получения полимерный изделий из пластмасс является термопластавтомат.

В данном сложно техническом устройстве использует технологический процесс пластикации (изменение состояния полимерного материала в нагревательном цилиндре), который играет основную роль. Различные полимеры и их модификации имеют различную температуру плавления, которую необходимо учитывать. Также некоторые полимерные материалы имеют свойство менять физические и химические свойства или самовозгораться при высокой температуры. Поэтому необходимость точного измерения отклонений температуры для избегания перегрева важно.

В связи с этим, целью данной работы – это повышение точности измерения температуры с минимальными погрешностями в термопластавтомате путем исследования различных типов датчиков.

Можно выделить следующие типы устройств измерения температуры, которые в той или иной мере могут быть использованы в термопластавтомате:

• терморезистивный датчик;
• термоэлектрический датчик;
• инфракрасный датчик (пирометр).

Терморезистивный датчик. Это устройство основано изменении электрического сопротивления резистора (металла) при воздействии на него температуры при пропускании электрического тока. Простота конструкции датчика является главной причиной широкого спроса и распространения в радиоэлектронике, а также применения в различных устройствах измерения.

Достоинства:

• высокая точность измерения (до 0.1 ℃);
• линейная зависимость сопротивления от температуры;
• высокая надежность и долговечность.

Недостатки:

• Необходимость калибровки для разных поставленных задач;
• Более высокая стоимость относительно термопары;
• Низкая чувствительность к резким изменениям.

В качестве примера можно привести платиновый терморезистивный датчик ТСП ОВЕН ДТС035 100П В3 60, который предназначен для применения в промышленности. Его диапазон измеряемых температур -50 ...+500 ℃ и условным рабочим давлением до 10 Мпа., что подходит для постоянного использования.

Рисунок 1. Терморезистивный датчик ТСП ОВЕН ДТС035 100П В3 60 [1].

Термоэлектрический контактный датчик (термопары). Принцип работы термопары основан на возникновении термоэлектродвижущей силы в электрической цепи соединенных различных проводников при помощи разницы температуры разных участков. Данный метод определения температуры является наиболее удобным для труднодоступных мест, где обычные методики не работают.

Для работы в условиях высоких температур используются керамические изоляторы, обладающие достаточной гибкостью. Проводники термопар без электрической изоляции могут быть источниками измерительных погрешностей [2]. Для измерения температуры необходимо контактное соприкосновение объекта измерения и датчика.

Достоинства:

• широкий диапазон измерения;
• высокая чувствительность к резким изменениям температуры;
• высокая надежность;
• высокая точность измерения (до 1 ℃)
• линейность термоэлектродвижущей силы относительно температуры.

Недостатки:

• необходимость использования усилителей или чувствительных вольтметров из-за малой термоэлектродвижущей силы;
• высокая тепловая инертность.

В наше время термопары типа К (никель-хром-никель-кремниевая) и J (железо-медно-никелевая) широко применяются в промышленности из-за их невысокой стоимости и хорошей работоспособности. Можно привести термопару TD-S(K) 4.8 х 30мм х 1.5м (втулка М12) с диапазоном измерения от -40 до 400 ℃.

Рисунок 2. Термопара TD-R(K) 4.8 х 30мм х 1.5м [3].

Инфракрасные датчики (пирометр). Данное устройство может применяться как замена при отсутствии вышеупомянутых датчиков. При помощи излучателя (лазера) и сенсора (пироприемник), где создается электрический ток под действием попадающего излучения с нагретого объекта. Использование данной принципа позволяет измерять излучаемое тепло различных объектов на расстоянии, что делает его более удобным в использовании в большинстве случаев.

Небольшим минусом использования данного типа датчика в том, что точность измерения не зависит от расстояния до объекта в пределах диапазона рабочих расстояний до тех пор, пока диаметр измеряемого пятна меньше размера объекта [4].

Достоинства:

• высокая скорость измерения и обработки;
• защита от помех;
• невысокая стоимость устройства.

Недостатки:

• неточность измерения связана с агрегатным состоянием, окружающей средой и контактной площадью, что влияет на излучаемую способность материала;
• может иметь повышенную стоимость из-за использования дополнительных алгоритмов обработки для повышения точности измерения.

Широкое распространение получили инфракрасные датчики Advanced Energy IN 5-H (-32 ~ 900°C, 0,01 с), которые оборудованы аналоговым и цифровым интерфейсом подключения, что делает его удобным для использования в различных сферах применения промышленности.

Рисунок 3. Инфракрасный датчик Advanced Energy IN 5-H [5].

Вывод. Из проведенного анализа следует, что возможность широкого применения термоэлектрических датчиков температуры в узле пластикации и впрыска в термопластавтоматах является возможным и оптимальным решением из-за невысокой стоимости оборудования и быстроте реагирования к изменению температуры. Инфракрасные и терморезистивные датчики тоже могут применяться для данного сложно технического устройства, но их выбор зависит от поставленных потребностей и бюджета.

Список литературы

1. Термосопротивление ДТС035 100П В3 60 [Электронный ресурс] / URL: https://msk.specarmatura.ru/catalog/termosoprotivleniya_dts_035_/termosoprotivlenie_dts035_100p_v3_60_/ - (дата обращения 17.06.2024)
2. Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник Москва: Техносфера, 2005. - 592 с. ISBN 5-94836-050-4
3. TD-R(K) 4.8 х 30мм х 1.5м датчик температуры с кабелем [Электронный ресурс] / URL: https://www.chipdip.ru/product0/8013250035 - (дата обращения 17.06.2024)
4. Шерстобитова А.С. Датчики физических величин. Учебное пособие – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 57 с. [Электронный ресурс] / URL: https://studylib.ru/doc/2021893/datchiki.-izmerenie-temperatury - (дата обращения 17.06.2024)
5. Инфракрасный датчик температуры Advanced Energy IN 5-H (-32 ~ 900°C, 0,01 с) [Электронный ресурс] / URL: https://analyztepla.ru/katalog-datchikov-i-sensorov/datchiki-sensory-temperatury/infrakrasnye-datchiki-temperatury/infrakrasnyy-datchik-temperatury-in-5-h - (дата обращения 17.06.2024)