Разработка датчика измерения температуры воздуха в стволе шахты

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНИ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ГЭА»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: «Разработать датчик измерения температуры воздуха в стволе шахты»

Выполнил

Волочай М.С.

Проверил

Неежмаков С.В

Донецк-2012 г

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит :

46 стр., 11 рис., 2 табл., 1 приложения , 8 источников.

Найменування технологічного об' єкту : калориферная установка.

Найменування базового пристрою або апаратури автоматизації:

Датчик измерения температуры

Цель: Разработать датчик измерения температуры.

Целью данного курсового проекта является разработка датчика температуры калориферной установки. Для выполнения данной цели был проведен обзор различных методов измерения температуры, различного принципа действия. Для каждого преобразователя были выделены достоинства и недостатки. После анализа преобразователей, один из них был взят за основу для дальнейшего проектирования.

В работе произведены расчёты основных параметров и элементов конструкции терморезистора. По результатам проектирования были сделаны выводы, которые занесены в заключение.

Цель курсового проекта была достигнута. Разработан датчик температуры - терморезистор.

КАЛОРИФЕРНАЯ УСТАНОВКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, ТЕРМОРЕЗИСТОР

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ В ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА ВОЗДУХА

2. ВЫБОР КОНТРОЛИРУЕМОГО ПАРАМЕТРА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНА ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ, ТРЕБОВАНИЙ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ К СРЕДСТВУ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СТВОЛЕ ШАХТЫ

3. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА ВОЗДУХА КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ

4. ВЫБОР МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОПИСАНИЕ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВ И НЕДОСТАТКОВ, ФИЗИЧЕСКОГО ЯВЛЕНИЯ. УРАВНЕНИЕ РАЗМЕРНОСТИ

5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. НАХОЖДЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ. РАСЧЕТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПЕРВИЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

6. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ И ТЕРМОРЕЗИСТОРА. УРАВНЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ

7. НАХОЖДЕНИЕ ГРАДУИРОВОЧНОЙ И РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК. ОЦЕНКА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ, ПОГРЕШНОСТЬ, БЫСТРОДЕЙСТВИЕ И ДР.) ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ И ТЕРМОРЕЗИСТОРА

8. УСТАНОВКА ТЕРМОРЕЗИСТОРА В КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКЕ

9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОРЕЗИСТОРА. РАБОТА ТЕРМОРЕЗИСТОРА В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

10. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЕРКИ ТЕРМОРЕЗИСТОРА

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения.

Измерение температуры получило наибольшее распространение при контроле нагрева и защите от перегрева подшипниковых узлов шахтных стационарных установок, приводных барабанов ленточных конвейеров, обмоток электрических машин; в шахтных котельных и калориферных установках; на обогатительных фабриках и других технологических процессах и установках. В качестве средств измерения температуры используются термометры расширения, манометрические термометры, терморезистивные и термоэлектрические измерительные преобразователи.

Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. При соприкосновении двух тел, например газообразных, переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела. При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ В ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА ВОЗДУХА

Температура воздуха подземных выработок согласно правилам безопасности по ведению горных работ должна быть не выше 25°; в случаях же более высокой температуры требуется принятие специальных мер для ее снижения.

Характерной особенностью микроклимата подземных выработок являются резкие колебания отдельных его компонентов, в особенности температуры воздуха и его подвижности, на различных участках подземных выработок.

Резкая смена отдельных компонентов метеорологического фактора имеет значение как для рабочих, постоянно передвигающихся по выработкам, так и для лиц, занятых в забоях, поскольку им приходится длительное время находиться у ствола шахты в ожидании подъема на поверхность.

Самая низкая температура воздуха наблюдается, как правило, у ствола шахты, а самая высокая -- в очистных забоях. По мере удаления от ствола шахты температура воздуха повышается. Относительная влажность изменяется мало; следовательно, абсолютная влажность повторяет полностью кривую изменения температуры. Скорость же движения воздуха по мере удаления от ствола шахты значительно падает и достигает своего минимума в очистных забоях.

На изменение температуры воздуха подземных выработок оказывают влияния следующие факторы: 1) температура воздуха на поверхности, 2) теплота сжатия, 3) теплота горных пород, 4) теплота от окисления угля, 5) испарение воды и осаждение водяных паров из воздуха, 6) прочие факторы (выделения тепла людьми, работа машин и др.). Некоторые из указанных факторов способствуют повышению температуры, другие -- снижению ее.

Температура воздуха подземных выработок зависит от температуры воздуха на поверхности, причем эта зависимость сохраняется при различной глубине шахты; чем меньше глубина шахты, тем резче выявляется эта зависимость.
Теплота образуется также при сжатии воздуха нисходящей струи, поступающей в шахту. Установлено, что на каждые 100 м глубины температура воздуха повышается на 1°. Таким образом, при глубине шахты 800 м воздух, проходя через нее, нагревается на 8°.
Теплота горных пород зависит от глубины их залегания; она оказывает влияние на температуру воздуха подземных выработок вследствие происходящего теплообмена между породами и воздухом, проходящим по выработкам.

Значительное повышение температуры воздуха может происходить за счет окисления угля, особенно в пыльных рудниках и при наличии в забое большого количества мелкого угля -- штыба.

Для охлаждения воздуха особое значение имеет испарение воды. Как известно, для испарения 1 г воды требуется 0,6 ккал. В подземных выработках процесс испарения воды происходит очень интенсивно, -- об этом свидетельствует увеличение абсолютной влажности по мере удаления от ствола шахты. Влияние каждого из указанных факторов на изменение температуры воздуха подземных выработок неодинаково в различных местах.

Теплота сжатия наблюдается только в стволе шахты; теплота пород оказывает влияние на температуру воздуха на всей протяженности выработок, причем зимой воздух нагревается, так как он холоднее пород, а летом, вплоть до очистных забоев, охлаждается, так как он теплее пород, и только в очистных забоях (свежее обнажение) происходит нагревание воздуха.

Важным компонентом метеорологических условий является влажность воздуха. Как уже указывалось, относительная влажность в очистных и подготовительных выработках остается почти постоянной независимо от глубины шахты и сезона года. То же характерно и для остальных мест подземных выработок, причем значительных колебаний на всей протяженности выработок не наблюдается, так как воздух подземных выработок почти полностью насыщен влагой (соответственно температуре воздуха в каждом месте).

Существенную роль в создании определенного микроклимата играет скорость движения воздуха, которая в подземных выработках зависит от количества подаваемого воздуха и от степени его использования по прямому назначению. В условиях подземных работ значительная часть воздуха не доходит до всех забоев, а по кратчайшему пути уходит к вентиляционному стволу, поэтому в забое трудно достигнуть необходимой скорости движения воздуха для создания микроклимата, благоприятствующего нормальной теплоотдаче организма.

2. ВЫБОР КОНТРОЛИРУЕМОГО ПАРАМЕТРА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНА ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ, ТРЕБОВАНИЙ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ К СРЕДСТВУ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СТВОЛЕ ШАХТЫ

Для предотвращения обмерзания ствола, подъемных сосудов и канатов, а также создания нормальных климатических условий для работающих людей воздух, подаваемый в шахту в холодное время года, подогревается в калориферных установках. В технологической схеме калориферных установок шахт обычно используют водяной и паровой калориферы.

В настоящее время для автоматизации калориферных установок большинство шахт оснащаются комплектной аппаратурой типа АКУ-3, которая позволяет формировать двухконтурную систему автоматического регулирования. В одном контуре регулирования осуществляется поддержание температуры воздуха в стволе путем изменения соотношения горячего и холодного воздуха, а в другом контуре регулирования поддерживается на постоянном уровне температура теплоносителя на выходе из калорифера путем изменения его расхода через калорифер.

Согласно технике безопасности температура в стволе шахты должна лежать в пределах от 2 до 10 градусов.

Разрабатываемое средство измерения будет находится в условиях большой запыленности и влажности.

3. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА ВОЗДУХА КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения.

Метод первый. Термоэлектрический.

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э. д. с.) термоэлектрического термометра от температуры.

Термоэлектрические термометры широко применяются для измерения температур до 2500°С в различных областях техники и в научных исследованиях. Они могут использоваться для измерения температуры от -200°С, но в области низких температур термоэлектрические термометры получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления, рассматриваемые в гл. 5. В области высоких температур (выше 1300--1600°С) термоэлектрические термометры находят применение главным образом для кратковременных измерений; для длительного же измерения высоких температур они применяются только в отдельных особых случаях.

Следует иметь в виду, что с ростом температуры возрастает влияние агрессивных свойств среды и продолжительность работы термоэлектрических термометров быстро снижается. Созданию надежных высокотемпературных термоэлектрических термометров для длительного применения уделяется в настоящее время большое внимание как у нас, так и за границей.

Достоинства термоэлектрических термометров:

· достаточно высокая степень точности,

· возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору,

· возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора,

· возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

Метод 2. Термометры сопротивления

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от --260 до 750°С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000°С.

Для интервала от 0 до 630,5 0C используется интерполяционная формула:

Rt = R0(1+At+Bt2)

Rt - сопротивление термометра при температуре t, R0 - сопротивление термометра при температуре 0 0C

Действие термометров сопротивления основано на свойстве вещества изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре среды, в которой он находится. При этом необходимо иметь в виду, что длина чувствительного элемента у большинства термометров сопротивления составляет несколько сантиметров, и поэтому при наличии температурных градиентов в среде термометром сопротивления измеряют некоторую среднюю температуру тех слоев среды, в которых находится его чувствительный элемент.

Раньше считали, что наиболее подходящим материалом для изготовления термометров сопротивления являются только чистые металлы. Однако исследования последнего времени показали, что ряд полупроводников так же могут быть использованы в качестве материала для изготовления термометров сопротивления.

Известно, что подавляющее большинство металлов имеет положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, достигающий 0,4--0,6%. °С-1 для чистых металлов. Это связывается с тем, что число носителей тока -- электронов проводимости -- в металлах очень велико и не зависит от температуры. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия. В полупроводниках наблюдается иная картина -- число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. При этом температурный коэффициент электрического сопротивления полупроводников на порядок выше, чем у чистых металлов.

Термометры сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготовляют обычно в виде обмотки из тонкой проволоки на специальном каркасе из изоляционного материала. Эту обмотку принято называть чувствительным элементом термометра сопротивления. В целях предохранения от возможных механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется термометром, чувствительный элемент его заключают в специальную защитную гильзу.

Достоинства металлических термометров сопротивления:

· высокую степень точности измерения температуры;

· возможность выпуска измерительных приборов к ним со стандартной градуировкой шкалы практически на любой температурный интервал в пределах допустимых температур применения термометра сопротивления;

· возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору;

· возможность использования их с информационно-вычислительными машинами.

Полупроводниковые термометры сопротивления, как показывает практика их применения, могут быть использованы для измерения температуры от 1,3 до 400 К. В практике технологического контроля они по сравнению с металлическими находят меньшее применение, так как требуют индивидуальной градуировки. Для точных измерений сопротивления термометров в лабораторных условиях применяют потенциометры и мосты. Тип и класс точности указанных средств измерения выбирают в зависимости от требований к точности измерения сопротивления термометра, а вместе с тем и температуры.

При измерении температуры в промышленных условиях термометры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными мостами и автоматическими компенсационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

Рассмотренные выше контактные методы и средства измерения температуры широко применяются при контроле и автоматизации различных технологических процессов, а также при проведений исследований. Точность измерения температуры, так. же как и других величин, зависит от выбранного метода измерения, от метрологических и динамических характеристик средств измерения, от условий измерения и ряда других причин. Поэтому выбор метода и средств измерения температуры необходимо производить в зависимости от поставленной задачи, требуемой точности и условий измерения.

Под средствами измерения температуры мы будем понимать жидкостные термометры, манометрические термометры и измерительные Комплекты, состоящие из термометров сопротивления или термоэлектрических термометров с соответствующими вторичными приборами, нормирующими преобразователями и другими измерительными устройствами. При выборе средств измерения температуры необходимо иметь в виду не ту точность, которая свойственна им при работе в нормальных условиях, а ту точность, которую приборы могут обеспечить б данных эксплуатационных условиях.

Одновременно с выбором средств измерений в зависимости от их метрологических и динамических характеристик должен стоять вопрос о минимальном и максимальном значениях измеряемой температуры, а следовательно, и о выборе шкалы прибора или диапазона преобразования нормирующего преобразователя. Это связано с тем, что допускаемые погрешности манометрических термометров, вторичных приборов и нормирующих преобразователей выражены в виде приведенных погрешностей в процентах от диапазона измерения (нормирующего значения). Вследствие этого для обеспечения наибольшей точности измерения желательно выбирать вторичный прибор по возможности с безнулевой шкалой, а нормирующий преобразователь -- с безнулевым диапазоном преобразования, кроме того, максимальная измеряемая температура должна быть близка к верхнему пределу измерения или диапазона преобразования.

Условия работы вторичных приборов, нормирующих преобразователей и манометрических термометров бывают различны, а именно: при температуре выше или ниже нормальной области значений (например, 20 ± 5°С), при воздействии других влияющих величин, в местах, подверженных вибрации или с наличием внешних электрических и магнитных полей. Внешние условия, при которых должны работать приборы, могут сильно влиять на точность измерения, что необходимо учитывать при выборе места их установки.

Если вторичные приборы или нормирующие преобразователи работают при температуре окружающего воздуха ниже или выше нормальной области значений, то ввести поправку в их показания в большинстве случаев не представляется возможным. Это объясняется тем, что ни знак, ни числовое значение дополнительных погрешностей этих приборов, возникающих при отклонении влияющих величин от нормальных значений или нормальной области их значений, нам не известны, так как они нормируются со знаками плюс и минус. В этом случае остается единственный путь - увеличивать на соответствующее значение погрешность измерения. Следует также иметь в виду, что отклонение влияющих величин не должно превышать определенных -- нормированных пределов расширенной области их значений, например, в эксплуатационных условиях температура среды, окружающей вторичные приборы, не должна быть ниже +5 или выше +50°С, среда не должна быть сильно запыленной и не должна разрушающе действовать на приборы. В противном случае необходимо применять специальные защитные устройства или какие-либо другие меры, обеспечивающие удовлетворительные условия работы приборов. Если приборы монтируются на щитах управления, то последние должны устанавливаться в специальных помещениях. В тех случаях, когда приходится устанавливать приборы в таких местах, где вибрация неустранима, применяют амортизаторы или выбирают специальные приборы, если вторичный прибор устанавливается на амортизаторах, то провода к нему должны подводиться при помощи гибкого шлангового соединения.

Точность измерения стационарных температур зависит не только от предела допускаемых основной и дополнительных погрешностей применяемых средств измерения, а в равной мере и от условий измерения, от выбранного места, способа установки термоприемника и ряда других причин. Это обусловлено тем, что при применении контактных методов измерения температуры первичный преобразователь (термоприемник) находится в непосредственном контакте со средой, температура которой измеряется. В этих условиях термоприемник является для среды посторонним телом и в той или иной степени нарушает первоначальное температурное поле среды в месте его установки. Средства измерения температуры, на каком бы принципе действия они ни были основаны, показывают только собственную температуру термоприемника, или, точнее, температуру рабочей части (чувствительного элемента) термоприемника. При этом необходимо учитывать, что собственная температура термоприемника по ряду причин может отличаться от действительной температуры среды. При измерении стационарных температур такими причинами являются теплообмен излучением между термоприемником и окружающими его телами, отвод или подвод тепла по термоприемнику вследствие теплопроводности, торможение потока газа и другие причины.

Систематические погрешности измерения стационарных температур, обусловленные указанными причинами, относятся к методическим погрешностям измерения. Для устранения или уменьшения методических погрешностей, происходящих вследствие теплообмена излучением и теплопроводности, необходимо прежде всего обеспечить рациональную и правильную установку термоприемника, а также осуществлять ряд других мероприятий, рассматриваемых ниже.

При измерении стационарных температур в каком-либо месте внутри или на поверхности твердого тела, а также жидкости или газа (пара), движущегося с небольшой (умеренной) скоростью, собственную температуру термоприемника принимают за действительную температуру среды с некоторой методической погрешностью, если ею нельзя пренебречь.

При измерении температуры газовых потоков большой скорости собственная температура термоприемника не равна действительной (термодинамической) температуре движущегося газа.

4. ВЫБОР МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОПИСАНИЕ ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВ И НЕДОСТАТКОВ, ФИЗИЧЕСКОГО ЯВЛЕНИЯ. УРАВНЕНИЕ РАЗМЕРНОСТИ

По характеру термоэлектродных материалов термоэлектрические термометры подразделяют на две группы: термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов; термоэлектрические термометры с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами.

Термоэлектрические термометры первой группы являются наиболее распространенными, они широко вошли в практику технологического контроля и научно-исследовательских работ.

Термоэлектрические термометры второй группы в настоящее время являются больше объектами опытно-исследовательских работ, чем средством технологического контроля температур. Внедрению этих высокотемпературных термоэлектрических термометров в широкую практику препятствуют трудность обеспечения стабильности их термо-э. д. с. во времени и недостаточная взаимозаменяемость. В то же время термоэлектрические термометры этой группы представляют большой практический интерес.

Термоэлектрические термометры с термоэлектродами из благородных металлов, главным образом платиновой группы, широко применяют для измерения температур в области от 300 до 1800°С.

Рисунок - Устройство термоэлектрических термометров

Для защиты от механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется, электроды термоэлектрического термометра, армированные изоляцией, помещаются в специальную защитную арматуру. У рабочих термоэлектрических термометров, применяемых для измерения температуры различных сред, арматура состоит из защитной гильзы 1, неподвижного 2 или передвижного Штуцера с сальниковым уплотнением и головки 3, соединенной с неподвижным штуцером с помощью трубки 6 или непосредственно с гильзой при передвижном штуцере. В головке, снабженной крышкой и патрубком 5 с сальниковым уплотнением, помещена розетка 4 из изоляционного материала с зажимами для присоединения термоэлектродов 7 и проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором или преобразователем. Длина погружаемой (монтажной) части в в среду, температуру которой измеряют, выполняется различной для каждого конкретного типа термоэлектрического термометра. калориферный преобразователь усилитель терморезистор

Сущность термоэлектрического эффекта состоит в возникновении электродвижущей силы ЭДС в проводнике, концы которого имеют разную температуру. Чтобы измерить возникающую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару, в цепи которой течет ток. Результирующая термоэлектродвижущая сила данной пары зависит только от температур различных концов и не зависит от размеров термоэлектродов, величин теплопроводности и удельного электросопротивления;

EАB (t1,t2)=EАB(t1)- EАB (t2),

где EАB(t2) и EАB(t1) - разности потенциалов двух проводников соответственно при температуре t2 и t1.

Для измерения термоЭДС термоэлектрических преобразователей используются пирометрические милливольтметры магнитоэлектрической системы и потенциометры постоянного тока с автоматической компенсацией (пределы измерения до 100 мВ). Термоэлектрический термометр с автоматическим потенциометром свободен от погрешности, вызванной изменением сопротивления внешней цепи, в отличие от сх пирометрическим милливольтметром, который для повышения чувствительности имеет малое внутреннее сопротивление. Приведенная погрешность пирометрического милливольтметра, вызванная изменением сопротивления внешней цепи (удлинительные и соединительные провода, термопара и подгоночные катушки) на Rц:

где Rв - внутреннее сопротивление милливольтметра;

Rц - номинальное сопротивление его внешней цепи. Сопротивление пирометрического милливольтметра и сопротивление внешней цепи, при котором он градуировался, указываются на его шкале.

Достоинства выбранного метода измерения:

· возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору,

· возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора,

· возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

· Высокая чувствительность (до 103 Гц/К),

· высокая временная стабильность (0,02К за год),

· большой диапазон измерения,

· достаточно высокая степень точности.

К недостатку можно отнести следующее: с ростом температуры возрастает влияние агрессивных свойств среды и продолжительность работы темроэдектрических термометров резко снижается.

Терморезисторы (термисторы) - это резисторы, сопротивление которых сильно изменяется в зависимости от температуры. Термисторы изготавливаются на основе полупроводникового материала и имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Термисторы с положительным температурным коэффициентов сопротивления (ТКС) называются позисторами. Благодаря чувствительности к температуре термисторы используются для измерения температуры и построения систем управления температурой в технологическом и лабораторном оборудовании. Важным преимуществом термисторов является их большое сопротивление, что устраняет проблему, связанную с падением напряжения на подводящих проводах, как при использовании RTD или проблему, связанную с необходимостью большого усиления сигнала (до 2000) для термопар.

5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. НАХОЖДЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ. РАСЧЕТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПЕРВИЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Измеренную температуру сначала преобразую в сопротивление R=f(t), сопротивление в напряжение U=f(R) и стабилизируем напряжение Uст=f(U).

Для усиления сигнала выбираем неинвертирующий операционный усилитель ОУ с обратной связью К140УД17.

Рисунок - Неинвертирующий операционный усилитель

Зададимся сопротивлением R3, R3=5*103(Ом) и выходным напряжением Uвых, Uвых=10(В).

Ky=Uвых/Uвх=1+R2/R1 - коэффициент усиления. Uвх - входное напряжение.

R3=R1*R2/R1+R2=5000 (Ом)

(Ky-1)*R1=R2

R1*R2/(R1+R2)=5000 (Ом)

Для расчетов примем следующую измерительную схему

Рисунок - Измерительная схема

Зададимся параметрами чувствительного элемента (ЧЭ) -терморезистора:

Пусть его сопротивлении при R(0)=100 (Ом).

На основании этих данных произведем расчет конструктивных параметров терморезистора.

Чувствительный элемент терморезистора представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на котором бифилярно в несколько слоев намотана медная проволка 2 диаметром d=0,1 (мм). Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0…1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол, который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клемневая головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.



Рисунок 5.4- Конструкция терморезистора: а - чувствительный элемент, б - внешний вид

Рассчитываем длину проволоки, из которой состоит чувствительный элемент

(м)

Учитывая, что диаметр пластмассового цилиндра примем D=3 (мм), то количество витков которое можно сделать составит:

(мм)

Примем количество слоев навивки ?сл=3, тогда количество витков в одном слое составит Nсл=N/ ?сл=246/3=82 шт. так как диаметр одного витка составляет d=0,1 мм, то длина чувствительного элемента составит L=Nсл*d=0,1*82= 8,2 мм. А диаметр чувствительного элемента с учетом намотанной проволоки составит:

Dчэ = D+6d=3+6*0,1=3,6 мм

Рассчитаем теперь параметры элементов, входящих в состав измерительной схемы:

Так как сопротивление чувствительного элемента при T=00C R1=100 Ом, то в качестве подстроечного резистора R4 принимаем СП3-0,25-120 Ом +/- 20%. Принимаем резисторы R3 и R4 в соответствии с ГОСТ 10318-80 типа МЛТ-0,125-100 Ом +/- 5%.

При минимальном значении измеряемого параметра T = 00C выходное напряжение равно 0, что достигается путем подстройки значения резистора R4, при максимальном значении измеряемого параметра T = 100C напряжение на выходе измерительной схемы равно, с учетом напряжения питания Eпит = 4 В:

В

Как видим выходной сигнал не соответствует стандартам ГСП, поэтому усиливаем его до стандартного значения 10 В.

Главным параметром для расчетов является коэффициент усиления:

Теперь рассчитаем значения сопротивлений R1, R2:

(Ом)

Решив данную систему уравнений получили следующие значения сопротивлений R1 и R2: R1=5098 (Ом), R2=260000 (Ом).

В соответствии со стандартным рядом значений сопротивлений: R1 = 5100 (Oм), R2 = 261000(Oм).

6. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ И ТЕРМОРЕЗИСТОРА. УРАВНЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ

Расчет температурного коэффициента терморезистора:

(Ом)

= 4,3*10-3 (1/0С) - сопротивление при t = 00C

Расчет погрешности операционного усилителя:

Мультипликативная погрешность:

,

Аддитивная погрешность:

Расчет суммарных погрешностей:

Мультипликативной:

%

Класса точности:

В соответствии со стандартным рядом значений сопротивлений:



7. НАХОЖДЕНИЕ ГРАДУИРОВОЧНОЙ И РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК. ОЦЕНКА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ, ПОГРЕШНОСТЬ, БЫСТРОДЕЙСТВИЕ И ДР.) ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ И ТЕРМОРЕЗИСТОРА

Расчет чувствительности:

(

Построение градировочных и рабочих характеристик:

мультипликативная погрешность, выражаемая в долях;

абсолютная составляющая аддитивной погрешности.

Рисунок 7.1 - График градировочной и рабочих характеристик.

8. УСТАНОВКА ТЕРМОРЕЗИСТОРА В КАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКЕ

Для измерения температуры в стволе шахты нужно устанавливать датчик в том месте, где температура имеет среднее значение. В соответствии с законами конвекции воздуха, что теплый воздух поднимается вверх, он легче холодного, а холодный вниз, то среднее значение температура будет иметь по середине ствола. На рисунке 8.1 приведено место установки терморезистора в стволе шахты.

Рисунок - Место установки терморезистора в стволе шахты

Проветривание шахты осуществляется непрерывно действующими вентиляторами, устанавливаемыми на поверхности и подающими в шахту чистый атмосферный воздух. В исключительных случаях допускается проветривание отдельной группы горных выработок (выемочных участков) подземными вспомогательными вентиляторами. Все горные выработки шахты должны проветриваться за счёт тяги (депрессии), создаваемой общешахтным вентилятором.

Для примера возьмем терморезистор марки ТРА-1.

Терморезисторы марки ТРА-1 и ТРА-2 изолированные, герметизированные, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления предназначены для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока для измерения температуры, скорости потока жидкости или газа, разрежения и температурной компенсации элементов электрических цепей и т.д.

Габаритные размеры:

Основные характеристики:

- Номинальное сопротивление при 25°С 0,01... 10 000 кОм

- Коэффициент температурной чувствительности в диапазоне температур: -200. .+300°С 300... 6000 К

- Температурный коэффициент сопротивления при 25°С 0,2...6,5%/град

- Максимальная рассеиваемая мощность, мВт 500

- Диапазон рабочих температур -200... +350°С

- Постоянная времени 1...5 сек

Устойчивость к внешним воздействиям:

- Амплитуда ускорения синусоидальной вибрации в диапазоне 1-2000 Гц, мс -2 (g) 200 (20)

- Пиковое ускорение однократного механического удара, мс -2 (g) 2000(200)

- Пиковое ускорение многократного механического удара мс -2 (g) 1500(150)

- Повышенное атмосферное давление, Па (кгсЧсм-2) 297200(3)

- Повышенная относительная влажность при 35°С, %-2 98

- Атмосферные конденсированные осадки Иней, роса

- Специальные факторы Группа 4У

Надежность:

- Наработка на отказ не менее, ч 20000

- Срок сохраняемости, лет 20

Указания по эксплуатации

1. Терморезисторы предназначены для навесного и объемного монтажа пайкой или сваркой.

2. Изгиб выводов терморезистора при монтаже должен производиться на расстоянии не менее 1,5 мм от

корпуса радиусом не менее 1,5. мм.

3. Температура жала паяльника не должна превышать 350°С, а время пайки не должно превышать 3 с.

4. Соединение сваркой допускается производить на расстоянии не менее 3 мм от корпуса.

9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОРЕЗИСТОРА. РАБОТА ТЕРМОРЕЗИСТОРА В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Динамические характеристики терморезистора можно описать передаточной функцией апериодического звена первого порядка.

Передаточная функция апериодического звена

,

где k и Т- соответственно коэффициент передачи и постоянная времени звена.

Его дифференциальное уравнение

.

Переходная функция звена определяется из его дифференциального уравнения при x(t) = 1(t)

Рисунок -Временная (переходная)характеристика апериодического звена.

Расчет передаточного коэффициент k

Работа терморезистора в системе автоматического управления:

Рисунок - Работа терморезистора в системе автоматического управления калориферной установки

ДТ - датчик температуры (ЧЭ - чувствительный элемент, в нашем случаи терморезистор)

РС - регулируемое сопротивление

МК - микроконтроллер

ОП - оптопара

Р - реле

ИМ - исполнительные механизмы (задвижки, ляды и т.д)

Терморезистор, установленный в стволе шахты, измеряет температуру подаваемого в шахту воздуха. Полученные значения поступают на регулируемое сопротивление, которое преобразует их в те, которые подходят выбранному микроконтроллеру, а именно сигнал диапазона 4-20 мА преобразуется в сигнал диапазона 0-5 В. На микроконтроллере полученные значения с сопротивлений сравниваются с заданными заранее и в зависимости от результатов передаются дальше для регулирования температуры. Далее сигнал поступает на оптопары, которые служат для гальванической развязки. С оптопар сигнал поступает на реле, которые либо подают, либо нет сигнал на исполнительные механизмы. Регулирование температуры производится с помощью открытия либо закрытия задвижек подачи теплого, холодного воздуха.

10. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЕРКИ ТЕРМОРЕЗИСТОРА

Поверка данного терморезистора включает в себя такие операции:

1.Внешинй осмотр

Поверка начинается с внешнего осмотра: проверяют отсутствие видимых на глаз повреждений защитной оболочки преобразователя.

2.Поверка образцовым датчиком скорости, который имеет более высокий класс точности.

Разработанный датчик температуры будем поверять датчиком, сделанным на основе термометра сопротивления.

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от --260 до 750°С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000°С.

Для интервала от 0 до 630,5 0C используется интерполяционная формула:

Rt = R0(1+At+Bt2)

Rt - сопротивление термометра при температуре t, R0 - сопротивление термометра при температуре 0 0C

Действие термометров сопротивления основано на свойстве вещества изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре среды, в которой он находится. При этом необходимо иметь в виду, что длина чувствительного элемента у большинства термометров сопротивления составляет несколько сантиметров, и поэтому при наличии температурных градиентов в среде термометром сопротивления измеряют некоторую среднюю температуру тех слоев среды, в которых находится его чувствительный элемент.

Раньше считали, что наиболее подходящим материалом для изготовления термометров сопротивления являются только чистые металлы. Однако исследования последнего времени показали, что ряд полупроводников так же могут быть использованы в качестве материала для изготовления термометров сопротивления.

Известно, что подавляющее большинство металлов имеет положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, достигающий 0,4--0,6%. °С-1 для чистых металлов. Это связывается с тем, что число носителей тока -- электронов проводимости -- в металлах очень велико и не зависит от температуры. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия. В полупроводниках наблюдается иная картина -- число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. При этом температурный коэффициент электрического сопротивления полупроводников на порядок выше, чем у чистых металлов.

Термометры сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготовляют обычно в виде обмотки из тонкой проволоки на специальном каркасе из изоляционного материала. Эту обмотку принято называть чувствительным элементом термометра сопротивления. В целях предохранения от возможных механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется термометром, чувствительный элемент его заключают в специальную защитную гильзу.

Достоинства металлических термометров сопротивления:

- высокую степень точности измерения температуры;

- возможность выпуска измерительных приборов к ним со стандартной градуировкой шкалы практически на любой температурный интервал в пределах допустимых температур применения термометра сопротивления;

- возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору;

- возможность использования их с информационно-вычислительными машинами.

Полупроводниковые термометры сопротивления, как показывает практика их применения, могут быть использованы для измерения температуры от 1,3 до 400 К. В практике технологического контроля они по сравнению с металлическими находят меньшее применение, так как требуют индивидуальной градуировки. Для точных измерений сопротивления термометров в лабораторных условиях применяют потенциометры и мосты. Тип и класс точности указанных средств измерения выбирают в зависимости от требований к точности измерения сопротивления термометра, а вместе с тем и температуры.

При измерении температуры в промышленных условиях термометры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными мостами и автоматическими компенсационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методы измерения температуры в промышленности. / Под ред. А.Н.Гордеева. -М.: Госгортехиздат 1952. -432 с.

2. Электрические измерения неэлектрических величин. / Под ред. П. В. Новицкого - Л.: Энергия, 1975. -576 с.

3. Иванова Г. М. , Кузнецов Н. Д. , Чистяков В. С. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1984. -232 с.

4. Автоматизация процессов подземных горных работ. /Под ред. А. А. Иванова. - Киев: Вища школа, 1987. -328 с.

5. Емельянов А. И. , Емельянов В. А. , Калинина С. А. Практические расчёты в автоматике. - М.: Машиностроение, 1967. -316 с.

6. Фарзоне Н. Г., Илясов Л. В., Азим-Заде А. Ю. Технологические измерения и приборы. - М.: Высшая школа, 1989. -456 с.

7. Исакович Р. Я. Технологические измерения и приборы. М.: Недра, 1979. -344 с.

8. Электрические измерения. Средства и методы измерений /Под ред. Е.Г.Шрамкова. -М.: Высшая школа, 1972. -520 с.

Размещено на Allbest.ru

...