Измерение температуры

Измерение температуры

Введение

Метрология - наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.

Метрология состоит из трёх разделов:

·  Теоретическая

Рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений, физических величин, их единиц, методов измерений).

·  Прикладная

Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.

·  Законодательная

Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Измерение - совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений - мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т. д. Измерение физической величины включает в себя несколько этапов: 1) сравнение измеряемой величины с единицей; 2) преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации).

Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.

Метод измерений - приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Целью данной курсовой работы является построение системы измерения температуры в технологическом аппарате и выводе температурной шкалы.

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой t:

где k - коэффициент пропорциональности; E - термометрическое свойство; D - постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодинамической шкале.

В начале XX века широко применялись шкалы Цельсия и Реомюра, а в научных работах - также шкалы Кельвина и водородная. Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 году было принято решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ).

1. Описание технологического процесса

Температура является важным параметром, определяющим не только протекание технологического процесса, но и свойства вещества. Для измерения температуры в СИ принята температурная шкала с единицей температуры Кельвин (К). Начальной точкой этой шкалы является абсолютный нуль (0 К).

Для технологических измерений часто применяют температурную шкалу с единицей температуры градус Цельсия (°С).

Для измерения температуры используют различные первичные преобразователиотличающиеся способом преобразования температуры в промежуточный сигнал. В промышленности наибольшее применение получили следующие первичные преобразователи: термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термопары (термоэлектрические пирометры) и пирометры излучения. Все они, за исключением пирометров излучения, в процессе эксплуатации находятся в контакте с измеряемой средой.

В данном курсовом проекте необходимо производить замер температур в технологическом аппарате имеющем 2 и более температурные зон. Подобные измерения необходимы во многих отраслях легкой промышленности.

2. Анализ методов и технических средств измерения температуры

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетикой энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют уловную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

Все предлагаемы температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой t

где k - коэффициент пропорциональности;- термометрическое свойство;- постоянная, определяющая начало отсчета шкалы.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

Классификация термометрических свойств

Температуру измеряют с помощью датчиков, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных датчиков применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей.

Перечислим наиболее распространенные термометрические свойства на основе которых функционируют датчики температуры:

тепловое расширение;

изменение давления;

изменение электрического сопротивления;

термоэлектрические эффекты;

тепловое излучение.

Примеры устройств, для измерения температуры в зависимости от используемого термоэлектрического свойства приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 - Устройства для измерения температуры

Термометры расширения.

Самые старые устройства для измерения температуры - жидкостные стеклянные термометры - используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).

Рисунок №2.1 - Стеклянный термометр

Жидкостный термометр состоит из стеклянных баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 2.1). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон, частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Запасной резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра от повреждения при чрезмерном перегреве.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров - простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.

К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.

У лабораторных и других термометров, градуируемых и предназначенных для измерения при погружении в измеряемую среду до отсчитываемого деления, могут возникать систематические погрешности за счет выступающего столика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не полностью, то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в результате возникнет погрешность измерения. Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению

где г - коэффициент видимого объемного теплового расширения термометрической жидкости в стекле,- действительная температура измеряемой среды,в.с. - температура выступающего столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра,- число градусов в выступающем столбике.

Поправка, в этом случае

где  - температура выступающего столбика при градуировке (в первом приближении допустимо считать ),

- средняя температура выступающего столбика.

Поправки могут иметь большие значения у термометров с органическими термометрическими жидкостями, для которых коэффициент примерно на порядок выше, чем у ртутных термометров.

Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры.

Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из (рис. 2.2) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, - металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры.

Рисунок №2.2 - Манометрический термометр

Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры и возможность автоматической записи показаний. К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

Поверка показаний манометрических термометров производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных.

Термоэлектрические термометры

Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB (рис. 3), в цепи которой потечет ток.

Рисунок № 2.3 - Термоэлектрический термометр

Результирующая термо - ЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников A и B равна

Где  и  - разность потенциалов между проводниками A и B при температурах t2 и t1, соответственно.

Термо-ЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, свободные при известной и постоянной температуре t1.

Электрические термометры сопротивления

Принцип действия данных термометров основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью, передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники. Изменение электросопротивления данного материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления, который вычисляется по формуле

где t - температура материала;и Rt - электросопротивление соответственно при 0 ºС и температуре t.

Сопротивление полупроводников с увеличением температуры резко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления практически на порядок больше, чем у металлов. Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основном применяются для измерения низких температур.

Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инерционность, высокий коэффициент α.

Однако они имеют и существенные недостатки:

нелинейный характер зависимости сопротивления от температуры;

отсутствие воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой.

Общее понятие о температурных датчиках.

Датчик - это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик - это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

однозначная зависимость выходной величины от входной;

стабильность характеристик во времени;

высокая чувствительность;

малые размеры и масса;

отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

работа при различных условиях эксплуатации;

различные варианты монтажа.

Температурные датчики.

В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0C. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения - автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы - это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.

Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры (рассмотрен ранее).

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от -260 до 1100 0С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 0C составляет (2…8)*10-2 (0C)-1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от -100 до 200 0С.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) - принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термо­электродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интер­вале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропор­циональна разности температур ΔT = Т1 - Т0 между спаем и концами термопары.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Ет будет зависеть только от температуры T1 рабочего конца.

вых = Eт = С(Т1 - Т0)

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от -200 до 2200 0С.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.

Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов.

Инфрокрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 0С.

Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Кварцевые термопреобразователи.

Для измерения температур от - 80 до 250 0С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Датчики частичного излучения

К данному типу датчиков, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

Принцип действия оптических датчиков основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. На рис. 2.4 представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображения излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне.

измерительный цепь термопреобразователь датчик

Рисунок №2.4 - Оптический датчик теплового излучения

При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в ºС.

Фотоэлектрические датчики частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основано на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические датчики частичного излучения делятся на две группы:

в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина потока приемника излучения;

которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

Рисунок №2.5 - Фотоэлектрический датчик теплового излучения

На рис. 2.5 приведена схема фотоэлектрического датчика, относящегося ко второй группе. В нем в качестве приемника излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы обратной связи 17. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9. Возвратно-поступательное движение заслонки обеспечивается с помощью катушки возбуждения 10 и постоянного магнита 12. В вибраторе происходит перемагничивание стального якоря 11, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита 12 и перемещает заслонку 9. При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку устройства на объект измерения.

Датчики спектрального отношения.

Датчики данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны  и .

На рис. 2.6 приведена схема двухканального датчика спектрального отношения (СО), в котором преобразование энергии получения в электрические сигналы производится с помощью двух кремниевых фотодиодов. Поток излучения от объекта измерения 1 с помощью оптической системы, состоящей из линз 2, апертурной и полевой диафрагмы 3, передается на интерференционный светофильтр 4. Последний обеспечивает выделение двух потоков, каждый из которых характеризуется собственным спектром. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды 7, которые преобразуют излучение в фототок, протекающий через сопротивление R1 и R2, включенные в измерительную схему вторичного регистрирующего прибора - логометра. Разность падений напряжений на сопротивлениях подается на вход усилителя 5, выходной сигнал которого поступает на реверсивный двигатель 6, перемещающий движок реохорда R2 и стрелку относительно шкалы наступления баланса, соответствующего измеряемой температуре.

Рисунок №2.6 - Датчик спектрального отношения теплового излучения

Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющим высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало 8 и окуляр 9 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр 4 и приемники излучения 7 помещены в термостат.

Датчики суммарного излучения

Датчики суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в СИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4 - 2.5, а для плавленого кварца 0.4 - 4 мкм.

Рисунок №2.7 - Датчик суммарного теплового излучения

Датчик выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т.п. Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 2.7,а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры. Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения.

На рис. 2.7,б показано устройство телескопа СИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.

Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки 12. Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от датчика. При этом на термобатарею попадает излучение только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показателю визирования, который является отношением наименьшего диаметра излучателя к расстоянию от объекта измерения до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью перекрывает отверстие диафрагмы 6, находящейся перед термобатареей.

Телескопы с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с показателем, равным или меньшим 1/16, - узкоугольными. При измерении температуры в схему пирометра между телескопом и вторичным прибором (милливольтметром или потенциометром) включается панель уравнительных и эквивалентных сопротивлений. Она обеспечивает постоянную нагрузку телескопа при работе с одним или двумя вторичными приборами, а также замену телескопа одной градуировки на телескоп другой градуировки.

3. Выбор и обоснование метода измерения температуры

Упрощенное обобщение - температуру измерить можно подключив к одному из входов АЦП терморезистор или термопару. Но тут могут возникнуть сложности с программной реализацией, потому что необходимо будет перевести полученное значение напряжения в температуру. Либо составлять сводные таблицы соответствия зависимостей уровня напряжения от изменений температуры, то есть с АЦП вывод на ЖК дисплей уровня напряжения а не температуры что будет некоректно.

Поэтому я выбираю более современный метод, а именно микросхему DS18S20. Которая заключена в корпус TO-92 (как маломощный транзистор) и имеет всего три вывода.

Рисунок № 3.1 Внешний вид микросхемы цифрового термометра DS18S20.

Внутри корпуса содержится цифровой датчик температуры с точностью до 0,1ºС и диапазоном от -55 до +125 0С.

Внутренняя структура микросхемы DS18S20 приведена на рисунке 3.2.

Цифровой термометр DS18S20 обеспечивает 9-12 битные температурные измерения по шкале Цельсия и имеет сигнальную функцию с верхней и нижней точками переключения, программируемыми пользователем и хранящимися в энергонезависимой памяти (EEPROM). Микросхема DS18S20 подключается через 1-проводную шину, которая по определению требует только одной линии данных (а также общей) для взаимодействия с центральным процессором.

Рисунок №3.2 - Структура микросхемы DS18S20

Она имеет рабочий температурный диапазон от -55°C до +125°C и точность ±0.5°C в диапазоне от -10°C до +85°C. Также микросхема DS18S20 может запитываться прямо с линии данных ("паразитное питание"), устраняя необходимость во внешнем источнике питания.

Самым большим достоинством является то, что такой термометр уже откалиброван на заводе, гарантированная точность составляет ±0.5°C в диапазоне -10...+85°C и ±2°C во всем диапазоне рабочих температур. Типичная кривая ошибки измерения температуры приведена на рис. 3.3

Рисунок №3.3 - Типичная кривая ошибки термометра DS18S20

Несмотря на ограниченную абсолютную точность, малая дискретность представления температуры является весьма желательной, так как очень часто на практике требуются относительные измерения.

Принцип действия цифровых датчиков температуры фирмы "Dallas" основан на подсчете количества импульсов, вырабатываемых генератором с низким температурным коэффициентом во временном интервале, который формируется генератором с большим температурным коэффициентом.

Счетчик инициализируется значением, соответствующим -55°C (минимальной измеряемой температуре). Если счетчик достигает нуля перед тем, как заканчивается временной интервал (это означает, что температура больше -55°C), то регистр температуры, который также инициализирован значением -55°C, инкрементируется.

Одновременно счетчик предустанавливается новым значением, которое задается схемой формирования наклона характеристики. Эта схема нужна для компенсации параболической зависимости частот генераторов от температуры. Счетчик снова начинает работать, и если он опять достигает нуля, когда интервал еще не закончен, процесс повторяется снова. Схема формирования наклона загружает счетчик значениями, которые соответствуют количеству импульсов генератора на один градус Цельсия для каждого конкретного значения температуры. По окончанию процесса преобразования регистр температуры будет содержать значение температуры.

Для DS18S20 температура представляется в виде 9-битного значения в дополнительном коде. Поскольку это значение занимает 2 байта, все разряды старшего байта равны знаковому разряду. Дискретность представления температуры составляет 0.5°C. Зависимость выходного кода DS18S20 от температуры приведена в таблице 3.1:

Таблица 3.1 Зависемость выходного кода DS18S20 от температуры.

Более высокая разрешающая способность может быть получена, если произвести дополнительные вычисления на основе значений COUNT_REMAIN (значение, оставшееся в счетчике в конце измерения) и COUNT_PER_C (количество импульсов на один градус для данной температуры), которые доступны. Для вычислений требуется взять считанное значение температуры и отбросить младший бит. Полученное значение назовём TEMP_READ. Теперь действительное значение температуры может быть вычислено по формуле:

=TEMP_READ - 0.25 + (COUNT_PER_C - COUNT_REMAIN) / COUNT_PER_C

После включения питания в регистр температуры DS18S20 загружается значение +85°C, которое сохраняется до завершения первого преобразования.

Каждый экземпляр DS18S20 имеет уникальный 48-битный номер, записанный с помощью лазера в ПЗУ в процессе производства. Этот номер используется для адресации устройств. Кроме серийного номера в ПЗУ содержится код семейства (10h для DS18S20) и контрольная сумма.

Кроме ПЗУ DS18S20 имеет промежуточное ОЗУ объемом 8 байт, плюс два байта энергонезависимой памяти.

Байты TH и TL представляют собой температурные пороги, с которыми сравниваются старшие 8 бит каждого измеренного значения температуры. С помощью специальной команды можно организовать сигнализацию выхода температуры за пределы этих порогов. Если такая функция не нужна, байты TH и TL можно использовать для хранения любых данных пользователя.

Считывание значения измеренной температуры, а также передача команды начала преобразования и других команд производится с помощью 1-проводного интерфейса (1-WireTM) фирмы DALLAS. На основе этого интерфейса фирма DALLAS даже создала сеть, называемую microLAN (или &microLAN). Для работы в этой сети выпускается целый ряд устройств, таких как адресуемые ключи, АЦП, термометры, часы реального времени, цифровые потенциометры.

Рисунок №3.4 - Карта памяти DS18S20

Протокол, который используется 1-проводным интерфейсом, достаточно прост. В любой момент времени на 1-проводной шине можно выделить устройство-мастер, которым может быть микропроцессор или компьютер, и подчиненное устройство, в нашем случае это микросхема термометра. Так как у нас на шине присутствуют только мастер и всего одно подчиненное устройство, можно опустить всё то, что связано с адресацией устройств. В результате требуется знать лишь протокол передачи байтов, которые могут являться командами или данными.

4. Построение функциональной схемы измерительного устройства

В данном курсовом проекте рассмотрена возможность определения температуры в технологическом аппарате имеющем 3 зоны контроля. Контроль температуры осуществляется датчиками DS18S20.

Рисунок №4.1 Функциональная схема измерительного устройства.

5. Выбор и расчет элементов измерительной цепи

В качестве измерительного элемента используется датчики DS18S20. В зависимости от количества температурных зон выбирается количество датчиков. В нашем случае выберем три температурные зоны. Это означает что температура независимо замеряется в трех различных зонах и следовательно вывод информации на ЖКИ дисплей должен производиться независимый. Выбираем в качестве ЖКИ дисплея распространенную модель производства Powertip PC2402.

Рисунок 5.1 Подключение дисплея , рассчитанная на стандартный диапазон температур

Подстроечный резистор R1 плавно меняет напряжение питания ЖКИ, что позволяет менять угол поворота жидких кристаллов и как следствие выставлять необходимую контрастность индикатора при необходимом угле обзора. Для применения ЖКИ с расширенным температурным диапазоном, необходимо повышенное напряжение питания. Эта задача решается подачей отрицательного напряжения (максимум -5 V) на вывод Vo.

Проведем выбор и расчет термосопротивления (ТС).

ТС изготовляются следующих типов:

платиновый (ТСП) - с чувствительным элементом (ЧЭ) из платины,

медный (ТСМ) - с ЧЭ из меди,

никелевый (ТСН) - с ЧЭ из никеля.

Номинальные статические характеристики преобразования ТС должны соответствовать уравнению:

где - сопротивление ТС при температуре , Ом;

- значение отношения сопротивлений при температуре к сопротивлению при 0°С.

Выберем в качестве чувствительного элемента медное термосопротивление, т.к. оно имеет линейный предел измерения температуры до 200°С.

Согласно ГОСТ 6651-94 для термосопротивлений определены интерполяционные уравнения:

Интерполяционное уравнение для медного ТС с для диапазона температур от минус 10 до 200°С:

где

6. Вывод зависимости выходного сигнала от измеряемой переменной

Принимая номинальное значение сопротивления ТС при 0°С равное 100 Ом, можно задать градуировочные характеристики чувствительного элемента:

Рисунок 6.1- Градуировочная характеристика медного термосопротивления

Питание измерительного моста осуществляем от источника питания 15В. Возьмем значение всех сопротивлений моста равными термосопротивленю при 0 °С, т.е. равными 100Ом (Резистор R3 возьмем подстроечным с диапазоном сопротивления 100÷1000Ом). Тогда напряжение в измерительной диагонали моста Uизм:

Рисунок 6.2 - Зависимость напряжения на выходе измерительного моста от температуры

Как видно, сигнал обладает небольшой нелинейностью. Для задания унифицированного выходного сигнала 0-10В необходимо применение усилителя. Как видно из характеристики, коэффициент усиления составлять к=7.6. Усилитель строим на базе операционного усилителя PА282, c параметрами: напряжение источника питания UИП=15 В, коэффициент усиления 1000, входное сопротивление Rвх=50 МОм, потребляемая мощность 150мВт, входной ток Iвх=110 нА,

Коэффициент усиления инвертирующей усилительной схемы Кос должен быть равен 7.6:

;

где К- коэффициент усиления операционного усилителя

β - коэффициент обратной связи, определяемый:

Одновременно для инвертирующего ОУ

;

Имеем уравнение:

Для первой температурной зоны:

Возьмем R4=10кОм, тогда R5=76.3кОм, принимаем ближайшее стандартное значение R5=75кОм, (β1=0,133)

Тогда градуировочная характеристика измерительного прибора примет вид:

Рисунок 6.3 - Градуировочная характеристика измерительного канала

7. Принципиальная электрическая схема

Рисунок 7.1 - Электрическая принципиальная схема измерения

8. Расчет погрешности

Рассчитаем погрешности разработанных систем. Т.к. абсолютную и относительную погрешности оценить невозможно из-за отсутствия экспериментальных данных, оценим методическую погрешность связанную с нелинейностью градуировочных характеристик и приближением в расчетах элементов цепей.

Реальный коэффициент усиления усилителя, согласно выбранным номиналам резисторов составят:

Погрешность для характеристики состоит из 2-х составляющих:

где - линейная составляющая погрешности, вызванная округлениями в расчетах и приведению резистивных элементов к стандартным.

- нелинейная составляющая погрешности, вызванная нелинейный характер расчета Uизм

где Uизм100- расчетное значение напряжения при температуре 100°С, измеряемого при необходимом коэффициенте усиления,расч100- расчетное значение напряжения при температуре 100°С, измеряемого при расчитанном коэффициенте усиления.

Нелинейную погрешность определим через разность расчетной градуировочной характеристикой и прямой, проходящей через точки границ диапазона измерения, т.е. температур 0 и 100°С. Линейное характеристика имеет вид:

Угловой коэффициент а- отношение приращений:

Постоянная b=0, т.к. характеристика проходит через начало координат.

Тогда нелинейная погрешность рассчитывается:

Или полная погрешность

Данная зависимость изображена на рисунке 16

Рисунок №8.1 - Зависимость относительной погрешности измерения от температуры.

Заключение

В данном курсовом проекте рассмотрена возможность определения температуры в технологическом аппарате имеющем 3 зоны контроля. Контроль температуры осуществляется датчиками DS18S20. Диапазон измерений от -55 до 125 градусов цельсия. В ходе работы рассмотрены современные методики измерения температуры, преобразователи.

Литература

1. ГОСТ 6651-94 «Термопреобразователи сопротивлений. Общие технические требования и методы испытаний».

2. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, - 704 с.

. Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1972, - 392 с.

4. В.И.Галкин и др. Технологические измерения и КИП текстильной и легкой промышленности. Справочник. Мн., Беларусь.1987г.