Датчик мгновенных температур с диапазоном измерений от 0 до 200°С
ФГБОУ ВПО
СПБГПУ
Колледж
информации и управления
«Радиополитехникум»
КУРСОВАЯ
РАБОА
по
дисциплине: «Физические основы измерений»
На
тему: «Датчик мгновенных температур с
диапазоном
измерений от 0 до 200°С»
выполнил:
студент группы №3291/11
Журавлев Дмитрий Андреевич
проверил: Сушников Виктор Александрович
2012
Оглавление
Введение
Глава I.
Анализ датчика мгновенных температур с диапазоном
измерений от 0°С до 200°С
.1 Устройство (конструкция)
Датчика мгновенных температур
.2 Принцип работы датчика
мгновенных температур
.3 Область применения датчика
мгновенных температур
.4 Обзор аналогов датчика
мгновенных температур
Глава II.
Расчет датчика мгновенных температур
Глава III.
Мостовая схема
Глава IV.
Метрологическое обеспечение
Заключение
Список литературы
Введение
В промышленности для измерения температур часто
используются термометры сопротивления. Объясняется это тем, что чувствительный
элемент имеет известную зависимость сопротивления от температуры. В роле
чувствительного элемента здесь выступает нить из металла
Самый популярный вид термометра - платиновый
термометр сопротивления , это обусловлено высоким температурный коэффициентом
платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве
рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры.
Главное преимущество термометров сопротивления - широкий диапазон температур,
высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая
взаимозаменяемость.
Глава I.
Анализ датчика мгновенных температур с диапазоном измерений от 0°С до 200°С.
датчик
мгновенный температура
1.1 Конструкция датчика мгновенных температур.
На рис 1. Показана упрощенная конструкция
датчика мгновенных температур, где цифрами обозначены следующие конструктивные
элементы:
) Нить, сопротивление которой меняется в
зависимости от температуры
) Магнитные стерженьки для крепления нити
) Корпус, через который пропущены выводы
) Выводы для включения датчика в
измерительную цепь
Рис.1 Конструкция датчика измеряющего мгновенные
температуры.
Конструкция термометров сопротивления достаточно
проста, что обеспечивает его надежность. Стандартные термометры сопротивления
изготавливают из медной или платиновой проволоки. У медных термометров
сопротивления диапазон значительно меньше - всего лишь от - 50°C до + 180 °С.
Требования к конструкции датчика мгновенных
температур. Основное требование к конструкции термометра сопротивления - она
должна быть достаточно чувствительной и стабильной, т.е. достаточной для
необходимой точности замеров в указанном диапазоне температур при
соответствующих условиях использования. Условия использования могут быть как
благоприятными, так и неблагоприятными - агрессивные среды, вибрации и т.д.
Обычно термометры сопротивления работают в
совокупности с потенциометрами, логометрами, мостами измерительными. От
точности этих приборов в значительной степени зависит и точность измерений
самого термометра сопротивления ( термосопротивления ).
Термометры сопротивления могут быть различными:
поверхностными, ввинчивающимися, вставными, с байонетным соединением или
присоединительными проводами.
.2 Принцип действия
Принцип действия термометров сопротивления
основан на зависимости электрического сопротивления проводника от температуры.
Для изготовления стандартных термометров сопротивления применяют медную и
платиновую проволоку. Медные термометры сопротивления позволяют измерять
температуру от -50°С до +180°С, платиновые от -260°С до +1300°С. Чувствительным
элементом медного термометра сопротивления (ТСМ) является изолированная
платиновая проволока диаметром до 0,1 мм, намотанная на цилиндрическом каркасе
из пластмассы или металла и закрытая металлическим чехлом. К концам обмотки
припаяны выводы.
Цепочка преобразования:
1) Любые материалы обладают температурным
коэффициентом сопротивления, при изменении температуры °С (T)
изменяется и сопротивление проводника (R)
) Изменение сопротивления (R)
с помощью мостовой схемы преобразуется в выходную величину Uвых
.3 Область применения датчиков мгновенных
температур
Термосопротивления могут использоваться для
измерения температуры в жидких и газообразных средах, в климатической,
холодильной и нагревательной технике, печестроении, машиностроении и т.д.
Также они являются незаменимой вещью в таких
отраслях, где требуется именно мгновенное измерение температур, а не
последовательное. Например ядерная энергетика. Чтобы следить за прохождением
реакции внутри ядерных реакторов.
Также они получили широкое применение в
гражданской среде, например в материнских платах каждого компьютера, или
другого сложного вычислительного прибора, стоят такие датчики, которые помогают
следить за температурой центрального процессора и в случае перегрева человек
или автоматизированная система могут принять меры во избежание выведения из
строя прибора.
Датчики мгновенных температур используются также
как составные приборов ответственных за мониторинг среды, в которой они
применяются.
Использование термосопротивления ограничивается
материалом чувствительного элемента, так как у каждого материала есть свой
рекомендуемый диапазон температур, в котором он сможет успешно справляться с
поставленной задачей.
Металлы, используемые для создания датчика
мгновенных температур. Свойства основных материалов, используемых в создании
датчиков описаны в таблице 1.
Таблица 1
|
Металл
|
Температурный
коэффициент
|
Рекомендуемый
рабочий диапазон температур
|
Описание
|
Использование
|
|
Платина
|
0.00385,
0,00391 °C-1 - рабочие ТС (ГОСТ Р 8.625-2006, МЭК 60751) 0.003925 °C-1 -
эталонные ТС
|
-196°C до 600°C
|
Высокая
точность и стабильность. Характеристика сопротивление-температура близка к
линейной. Самый широкий диапазон температур. Высокое удельное сопротивление.
Для изготовления ЧЭ требуется небольшое количество платины. Возможно
изготовление ЧЭ методом напыления платины на подложку (пленочные ЧЭ).
|
Очень
широко используется в промышленности всех стран, существует стандарт МЭК
60751 на платиновые термометры сопротивления и ЧЭ. Последняя редакция
включает требования к проволочным и пленочным ЧЭ.
|
|
Медь
|
0,00617
°C-1 (ГОСТ Р 8.625-2006) 0.0067 °C -1 (DIN)
|
-60°C до 180°C
|
Имеют
наиболее линейную характеристику, но очень ограниченный диапазон температур.
Очень низкое удельное сопротивление, что обуславливает необходимость
использования проволоки значительной длины. Это привело к тому, что в
американском стандарте, медные термометры имеют номинальное сопротивление 10
Ом.
|
Используются
в электрических генераторах, на электростанциях и в некоторых других отраслях
промышленности
Примерное время термической реакции для
платиновых термометров сопротивления различного диаметра представлены в таблице
2.
Таблица 2
|
Описание
ТС
|
Время
термической реакции (63% от полного изменения)
|
|
ЧЭ
|
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
6,0 мм, монтированный в гильзу
|
15
- 20 с
|
1.4 Обзор аналогов датчика мгновенных температур
Нормирующие преобразователи, Danfoss типа
MBT9110
Нормирующий преобразователь температуры MBT 9110
может быть использован для преобразования сигнала, поступающего от термометра
сопротивления Pt100 (Ом) или от термопары (мВ), в сигнал 4-20 мА.
Преобразователь MBT 9110 можно использовать с датчиками MBT любого типа, как с
термометром сопротивления Pt100, так и с термопарой.
Преобразователь предлагается в стандартном
исполнении, в варианте с гальванической развязкой, а также версии во
взрывобезопасном исполнении класса EEx. В стандартном варианте преобразователь
MBT 9110 поставляются в отдельном корпусе, но он также может быть встроен
непосредственно в головку типа B некоторых датчиков температуры.
• 2, 3 или 4-проводный универсальный
измерительный преобразователь для использования в промышленности и на морских
установках
• Входной сигнал от Pt100 или термопары
• Стандартный выходной сигнал 4 - 20 мА - с
гальванической развязкой или без неё
• По заказу поставляется с разрешениями EEX ia
IIC T4 / T6
• Для установки в соединительной головке DIN B
или в отдельном корпусе
• Упреждающая индикация неисправности датчика
• Линеаризованная температура
• По заказу поставляется со всеми
соответствующими разрешениями на использование в морских условиях.
К сожалению в связи с тем, что подобных приборов
мало, по сравнению с другими аналогами, а их конструкция из-за соблюдения
правил коммерческой тайны является закрытой для потребителя.
Глава II.
Расчет датчика мгновенных температур
Рассчитываем сопротивление нити R0:
где ρ-удельное
сопротивление металла (платина) равное 10.7*108
L= - длина
равная 9см
S=площадь
поперечного сечения, рассчитываемая по формуле S=πR2
R0=10.7*10-8* =19.7 (Ом)
После того как мы определим (R0) нам
необходимо определить приращение сопротивления ∆R.
∆R=R0*α*∆T
где R0-сопротивление
нити (Ом)
α-температурный коэффициент
сопротивления
∆T-изменение
измеряемых температур (200С°)
Lпроволоки
=4*l(м)
S=πR2=3.14*1.25*10-5=4.89*10-10(м)-
площадь поперечного сечения
D - диаметр
равный 25мкм (2.5*10-5(м))
R-радиус
равный половине диаметра(D)= 1.25*10-5(м)
∆R=3.9*10-3
*19.7*200=15.4 (Ом)
Глава III. Мостовая
схема
R1 R4
R2 R3
Примем что R1=R2=R3=R4
Uпит=Iдоп*2*R4
где R4=R0
Iдоп<50мА, тогда
напряжение питания будет равно:
Uпит=IДоп*2*R4=50*10-3*2*19.7=1.97В
Выходное напряжение мостовой схемы при
максимальном изменении сопротивления будет равно:
Uвых= = =0.4925*0.7817=0.3849
При условии что через R4 протекает
ток не более 50А диапазон выходного напряжения (0;0.38)
Глава IV.
Метрологическое обеспечение.
.1 Расчет погрешности при условии, что длина
нити на каждом ребре уменьшилась на 0.001 м
L = 4 * 0.001+
4*0.0225 = 0.094 м
R0=10.7*10-8* =20.5685
(Ом)
∆R=3.9*10-3
*20.5685*200=16.04 (Ом)
Uвых== =0.4925*0.7798=0.3840
(В)
γ= = =0.23%
4.2 Расчет погрешности при условии, что
диаметр нити уменьшился на 2 мкм
R= = (мкм)=
1.15*10-5=πR2=3.14*(1.15*10-5)=4.14
R0=10.7*10-8*
∆R=3.9*10-3
*23.26*200=18.14 (Ом)
Uвых== =0.4925*0.7798=0.38405
(В)
γ== =0.22%
Заключение
В данной работе были рассмотрены датчики
измеряющие мгновенные температуры в диапазоне от 0°С до 200°С, их
конструктивные особенности, особенности материалов из которых они
изготавливаются, а также принцип их действия и расчеты точности их измерений.
В главе II
был проведен расчет датчика, было определено сопротивление его чувствительного
элемента и также рассчитано приращение сопротивления.
В главе III
датчик был включен в мостовую схему.
В главе IV
было проведено метрологическое обеспечение прибора, рассчитаны погрешности в
двух случаях: с уменьшением длины нити и с уменьшением диаметра нити.
Список литературы
) Левшина
Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин
) Осадчий
Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин
3) Электронный
ресурс: <http://temperatures.ru>
Похожие работы на - Датчик мгновенных температур с диапазоном измерений от 0 до 200°С
|