Датчики являются источником информации о состоянии объекта и текущих параметров его режима. Для независимой и эффективной разработки новых более совершенных датчиков и систем автоматизации управления все датчики должны иметь унифицированные выходные сигналы, формируемые с помощью усилителей первичного сигнала. Датчики с токовым выходом в соответствии с ГОСТ имеют следующие уровни унификации. На постоянном токе:  0…5 мА; 0…20 мА и 4…20 мА; на переменном токе:  ±1 В; 0…2 В; 1…3 В; для индуктивных датчиков 0…10 мГн; для частотных  1500…2500 Гц;  4000…8000 Гц. Наибольшее распространение на энергетических объектах получили датчики с выходом на постоянном токе. Рассмотрим некоторые принципы построения датчиков основных технологических параметров.

Датчики температуры. Существует много способов измерения температуры разными датчиками, которые строятся на основе реализации различных физических принципов. Рассмотрим некоторые из них.

а) Термометры на pn-переходах.

На рисунке 3.3 показана вольт-амперная характеристика диода. Обратный ток насыщения I_s  является линейной функцией температуры.

Рисунок 3.3

Диоды обладают высокой линейностью и чувствительностью, что позволяет создавать на их основе высокоточные измерители температуры.

б) Термопары. Термопара─ это устройство, состоящее из двух проводников из разнородных металлов или сплавов со сварным контактом на одном из концов (рисунок 3.4 (а)).

Рисунок 3.4

Если температуры, при которых находятся контакты, различны, то в этой цепи будет течь ток. Электродвижущая сила (ЭДС), вызывающая ток, называется термоЭДС Зеебека. Если эту цепь разомкнуть (рисунок 3.4(б)), то напряжение между свободными концами будет пропорционально разности температур контакта и свободных концов, а также будет зависеть от комбинации материалов проводников. Например, для пары (А-медь, Б-константан) термоЭДС равна Е=39 мкВ/1⁰С.

в) Резистивные датчики температуры. Сопротивление металлических проводников обычно возрастает с увеличением температуры. Достаточную точность для учета резистивных зависимостей R(t) дает известное выражение:

где  R_o ─сопротивление при 0⁰С; α ─ константа.

Существуют также высокочувствительные к изменению температуры резисторы на основе полупроводниковых материалов, так называемые термисторы. Большинство из них имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Для измерений в особых условиях используются и другие, часто экзотические принципы измерения температуры. Например, для контроля температуры в ядерных реакторах используется  ультразвуковой метод, основанный на температурной зависимости скорости звука.

Датчики давления. Давление может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измере­ния другой физической величины, функционально связанной с измеряе­мым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления, в которых часто чувствительным элементом являются разных типов мембраны.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по различным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуума в турбине ТЭС) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.

Особое место в технике измерений давления занимают дифференциальные манометры, используемые для замера разности давлений h=k(P₁-P₂) (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5

Датчики расхода. В технологиях энергетического производства и преобразования энергии используются для измерения расхода различных продуктов (воды, пара, газа и т.п.). Строятся, как правило, на измерении давления в трубопроводах при размещении в них каких-либо сужающих устройств и сравнении давлений, разность которых зависит от скорости потока, по которому определяется и массовый расход продукта. На рисунке 3.6 показаны структура измерителя потока, в котором используется сопло с острыми краями, и график давления вдоль направления потока в измерителе.

Рисунок 3.6

очность замеров обеспечивается с помощью применения специальных измерительных сопел, прошедших метрологический контроль.

Для измерения скорости потока используются и другие принципы, в том числе электромагнитные, ультразвуковые и т.п.

Наиболее удобные расходомеры, не требующие врезки в трубу сопел, основаны на использовании эффекта Доплера, по которому частота отраженного сигнала от движущихся частиц зависит от скорости потока и по разности частот излучателя и приемника (рисунок 3.7) можно определить расход по формуле

,

где f_d ─ доплеровский сдвиг частоты;  f ₀ ─ частота излучаемой ультразвуковой волны;    u ─ скорость текучей среды;   c ─ скорость звука;   α ─ угол между направлением излучения и осью трубы.

По полученным расходам горячей воды можно определить и расход тепловой энергии в Гкал. Для этого дополнительно измеряется и температура воды, которая равна удельному теплосодержанию в ккал/кг. Для насыщенного пара расход тепловой энергии требует учета давления и температуры, по          значениям которых с использованием таблиц   определяется энтальпия в    ккал/кг. 

Рисунок 3.7