Измерение температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Костромской государственный университет»

(КГУ)

Институт автоматизированных систем и технологий

Кафедра автоматики и микропроцессорной техники

Направление: 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств

Курсовой проект

Измерение температуры

Кострома 2022г

• Содержание
• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Понятие о температуре и о температурных шкалах
• 1.2 Значение контроля температуры в промышленности
• 1.3 Методы и средства контроля температуры
• 1.3.1 Термометры расширения
• 1.3.2 Термометры сопротивления

1.3.3 Термоэлектрические преобразователи

• 2. Расчетная часть
• 2.1 Задача №1
• 2.2 Задача №2
• 3. Конструкторская часть
• 3.1 Схема измерительной системы
• 3.2 Выбор первичного преобразователя
• 3.3 Выбор вторичного прибора

3.4 Выбор датчика регистрации

• 3.5 Схема подключения
• 3.6 Погрешность
• Список использованных источников

Введение

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции.

Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками. Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ "Нормируемые метрологические характеристики средств измерений". Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измерений.

1. Теоретическая часть

1.1 Понятие о температуре и о температурных шкалах

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 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:

T=kE+D

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). В 1960 году было в МТШ был внесен ряд дополнений.

Для измерения температуры в системе единиц СИ принята температурная шкала с единицей температуры Кельвин (К). Начальной точкой этой шкалы является абсолютный нуль (0 К). Абсолютный ноль температуры - начало отсчёта абсолютной температуры по термодинамической шкале (шкале Кельвина). При абсолютном нуле температуры прекращаются хаотические движения атомов, молекул, электронов, определяющие температуру системы, но остаются их регулярные движения, подчиняющиеся квантовой механике, например нулевые колебания атомов в решётке.

Для технологических измерений часто применяют температурную шкалу с единицей температуры градус Цельсия (°С). Температура по шкалам Цельсия и Кельвина связаны соотношением:

T=t+273,15

где Т - температура в Кельвинах, t - температура в градусах Цельсия

Так же существует еще одна единица измерения температуры - фаренгейт. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, соли и нашатыря в соотношении 1:1:1 (соответствует примерно ?17,8 °C), а за 96 °F принята нормальная температура человеческого тела. Шкалы Цельсия и Фаренгейта пересекаются при T = ?40 °C = ?40 °F.

1.2 Значение контроля температуры в промышленности

Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин, поскольку практически нет ни одной области деятельности, где не требовалось бы измерять и регулировать температуру.

Контроль температуры необходим для большинства современных производств по следующим причинам:

1) Поддержка оптимального режима изготовления продукта

2) Предотвращения поломки оборудования в связи с перегревом движущихся деталей станков

3) Экономия электроэнергии, благодаря контролю рационального потребления ресурсов

4) Поддержание оптимальных условий в помещениях для комфортной работы сотрудников

1.3 Методы и средства контроля температуры

Температура является одним из важнейших параметров контроля и регулирования технологических процессов отрасли (например, термическая обработка колбасных изделий, пастеризация молока, стерилизация консервов и др.). Диапазон измерения температур, при котором осуществляется технологическая обработка продукции, составляет от -60 до 300°С. Технологические процессы в отрасли, обусловленные многообразием тепло- и массообменных процессов, а также микробиологических процессов, требуют применения различных типов технических средств для измерения температуры.

1.3.1 Термометры расширения

Приборы для измерения температуры в зависимости от принципа действия классифицируют следующим образом:

термометры расширения (жидкостные, дилатометрические, биметаллические);

-манометрические термометры;

-термоэлектрические преобразователи;

-термопреобразователи сопротивления, пирометры.

Жидкостные стеклянные термометры

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре, т.е. на изменении объема этой жидкости. В качестве термометрической жидкости используют ртуть, толуол, этиловый спирт, эфир и др.

Стеклянные жидкостные термометры применяют для измерения температур от -90 до 600°С и изготовляют в виде палочных и со вложенной шкалой (рис.1). По виду хвостовика (погружной части) термометры с вложенной шкалой бывают прямого и углового типов.

Технические характеристики разных видов стеклянных термометров можно просмотреть в таблице 1.1



Рис. 1. Термометры стеклянные жидкостные: а -- палочный: 1 -- резервуар; 2 -- толстостенный капилляр; 3 -- шкала, нанесенная на внешней поверхности капилляра; б -- со встроенной шкалой: 1 -- резервуар;2 -- капилляр; 3 -- шкала, нанесенная на пластине стекла молочного цвета;4 -- защитная стеклянная оболочка.

Таблица 1.1 Технические характеристики стеклянных термометров

Тип	Наименование	Пределы измерения, °С	Цена деления, °С	Предельная погрешность, °С
Тл-4	Лабораторный	Нижний из интервала -30...240, верхний из интервала 20...310	0,1; 0,2 в зависимости от пределов	±(0,2...1) в зависимости от пределов
ТР-1	Рабочий эталон	Нижний из интервала 0...56, верхний из интервала 4...60	0,01	±0,05
СП-40	Специальный виброустойчивый	0...100 0...200 0...300 0...400	0,5	±1
ТПК-М	Электроконтактный с регулируемым положением контакта: прямой или угловой	-35...50	1	±1
		0...100	1	±1
		0...200	2	±2
		0...300	5	±5
ТТ, ТТМ	Технический прямой или угловой	-35...70	1	±1
		0...100	1	±1
		0...160	2	±2
		0...200	2	±2
		0...350	5	±5 на участке 0...300
		0...450	5	±10 на участке 300...450

Электроконтактные термометры

Для сигнализации и автоматического позиционного регулирования температуры применяют технические электроконтактные термометры, имеющие впаянные контакты (рис.2). Один из контактов -- подвижный и перемещается с помощью магнитной муфты, а другой -- неподвижный, впаянный в капилляр. Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами происходит вследствие изменения объема ртути.

Рис. 2. Технические электроконтактные термометры: а -- прямой; б -- угловой: 1 и 2-- выводы от контактов.

Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости между давлением и температурой рабочего термометрического вещества в замкнутой герметичной термосистеме. По виду рабочего термометрического вещества различают следующие манометрические термометры: газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).

Газовые манометрические термометры применяют для измерения температур в интервале от -200 до 600 °С (диапазон измерений колеблется от 100 до 700 °С). В качестве наполнителя используются гелий (при низких температурах), азот (при средних температурах) или аргон (при высоких температурах).

Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме описывается линейным уравнением:

p_i=p₀ (1+вt)

где p_i и p₀ - давление газа при температурах t и 0 °С; в - температурный коэффициент расширения газа в =0,00366 К?1.

Уравнение шкалы газового манометрического термометра будет также линейным:

p_i=p_н1+ в t₁+ в t_н

где p_i и p_н - давление газа при температурах, соответствующих началу шкалы термометра tн и измеряемой температуре t.

Реальное уравнение шкалы несколько отличается от линейного (1.5), однако это отклонение незначительно и может считать, что шкалы газовых манометрических термометров являются равномерными.

Изменение температуры окружающего воздуха влияет на расширение рабочего вещества в капилляре и манометрической при изменение давления в термосистеме. Для уменьшения этого влияния уменьшают отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона, для чего увеличивают длину термобаллона и его диаметр.

Класс точности газовых термометров 1 или 1,5. Они могут выпускаться показывающими или самопишущими, могут снабжаться доп. устройствами.

Конденсационные манометрические термометры используются для измерения температур в интервале от -25 до 300 °С (диапазон измерений колеблется от 50 до 150 °С). Термобаллон термометра примерно на 0,75 заполняется жидкостью с низкой температурой кипения, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Капилляр и манометрическая пружина также заполнены жидкостью. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 (при низких температурах), метил хлористый, этил хлористый, ацетон, толуол, спирт (в порядке возрастания пределов изменения). Давление в термосистеме будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемого, в свою очередь, температурой, при которой находится жидкость, т.е. температурой изменяемой среды с помещенной в нее термобаллоном. Зависимость давления от температуры имеет нелинейный вид, она однозначна, когда измеряемая температура не превышает критическую.

Температура окружающей среды не будет влиять на состояние системы. Имеет место гидравлическая погрешность, вызываемая разностью высот расположения термобаллона и измеряемого прибора. Для уменьшения этой погрешности длина капилляра недолжна превышать 25 м. Барометрическая погрешность может иметь место в начале шкалы, но с увеличением давления влияние погрешности пренебрежительно мало.

Конденсационные термометры выпускают показывающими, дополнительно они могут оснащаться электроконтактными устройствами. Класс точности 1 или 1,5.

Жидкостные манометрические термометры находят небольшое распространение. Они используются для измерения температур в интервале от -50 до 300 °С (диапазон измерений колеблется от 50 до 300 °С). В качестве термометрических жидкостей используется жидкость ПМС-5 при низких температурах, при высоких - жидкость ПМС-10. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры соответственно диапазону измерения вызовет такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний объем соответственно изменению объема жидкости. При этом давление зависит от жесткости пружины.

Погрешность, вызванная изменение барометрического давления, как правило отсутствует, т.к. давление в системе значительно. Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место. Для ее уменьшения применяют различные способы температурной компенсации. Так же присутствует гидравлическая погрешность, вызываемая разностью высот расположения термобаллона и измеряемого прибора. Для уменьшения этой погрешности длина капилляра недолжна превышать 10 м. Класс точности 1 или 1,5.

Манометрические термометры могут работать в условиях вибрации, а также во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. Технические характеристики разных видов манометрических термометров можно просмотреть в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Манометрические термометры получили широкое распространение в отрасли, так как они характеризуются простотой конструкции, относительно низкой стоимостью и надежностью в работе. Достоинствами их являются взрывобезопасность и возможность дистанционной передачи и записи показаний (длина капилляра от 1 до 60 м). К недостаткам манометрических термометров можно отнести инерционность и невысокую точность измерений. Однако эти недостатки несущественно ограничивают применение этих приборов, так как большинство технологических процессов отрасли имеют большую инерционность, исчисляющуюся минутами и десятками минут.

Манометрический термометр изображен на (рис. 3)

Рис. 3. Схема манометрического термометра: 1 -- сектор; 2 -- манометрическая пружина; 3 -- поводок; 4 -- корпус; 5 -- капилляр; 6 -- защитная оболочка; 7 -- термобаллон

Биметаллические термометры

Действие биметаллических (рис 5) и дилатометрических (рис 4) термометров основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел.

Рис. 4. Схема дилатометрического термометра: 1 -- стержень; 2 -- трубка; 3 -- пружина; 4 -- стрелка; 5 -- шкала

Рис. 5. Схема биметаллического термометра: 1 -- биметаллическая пружина; 2 -- неподвижный конец биметаллической пружины; 3 -- подвижный конец биметаллической пружины; 4 -шарнир; 5 --стрелка; 6 -- шкала

В биметаллических термометрах в качестве чувствительного элемента используют пластинки или ленты, состоящие из двух слоев разнородных металлов, характеризуемых различными коэффициентами теплового расширения. Чаще всего применяют медно-цинковый сплав -- латунь (70% Cu + 30% Zn) и сплав железа с никелем --инвар (64% Fe + 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град-1 для латуни и 0,000001 град-1 для инвара.

Чувствительные элементы биметаллических термометров обычно выполняют в форме спиралей, соединяемых со стрелочным указателем. Такие термометры класса точности 2,0 или 2,5 применяют для измерения температуры атмосферного воздуха.

1.3.2 Термометры сопротивления

Технический термоэлектрический преобразователь температуры (рис. 6) состоит из двух термоэлектродов, образующих рабочий спай, изолированных друг от друга с помощью фарфоровых бус. Защитная арматура включает гильзу, неподвижный штуцер, головку и трубку.

В головке, снабженной крышкой и патрубком с сальниковым уплотнением, помещена розетка из изоляционного материала с клеммами для подключения термоэлектродов и проводов, соединяющих термоэлектрический преобразователь с измерительным прибором. Длину его погружной части выбирают в зависимости от условий эксплуатации и вида технологического оборудования.

Измерительными приборами, работающими в комплекте с термоэлектрическими преобразователями температуры, служат автоматические потенциометры и магнитоэлектрические милливольтметры.

Передаточная функция термоэлектрических преобразователей температуры (с защитной арматурой) описывается выражением

Значение постоянных времени 7) и Т2 зависит как от типа защитной арматуры, так и от коэффициента теплоотдачи между рабочим спаем и окружающей средой.

Рис. 6 Схема термоэлектрического преобразователя температуры: 1 -- рабочий спай; 2 -- гильза; 3 -- фарфоровые бусы; 4 -- неподвижный штуцер; 5 -- розетка; 6 -- головка; 7 -- крышка; 8 -- сальниковое уплотнение; 9 -- патрубок; 10 -- трубка

Термоэлектрические преобразователи температуры нашли широкое применение в отрасли, что объясняется рядом их достоинств: возможностью дистанционного измерения температуры, высокой точностью измерения. Они осуществляют автоматический контроль температуры при использовании многоточечных приборов и управляющих вычислительных машин.

Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на свойстве веществ изменять активное электрическое сопротивление в зависимости от температуры.

Металлы, применяемые для изготовления чувствительных элементов термопреобразователей сопротивления, должны быть стойкими к окислению, обладать достаточно высоким удельным электрическим сопротивлением, а в диапазоне измеряемых температур характеризоваться линейной или близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Этим требованиям удовлетворяют платина и медь, из которых и изготавливают чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления.

Изменение активного электрического сопротивления платины в диапазоне температур от 0 до 650°С описывается уравнением

где R,- -- сопротивление термопреобразователя при температуре ?, Ом; -- сопротивление термопреобразователя при 0°С, Ом; Лий -- постоянные коэффициенты, значения которых определяются в точках кипения воды, серы и кислорода.

Зависимость изменения активного электрического сопротивления меди от температуры описывается выражением

где б - температурный коэффициент, равный 0,00428 °??1, ??0 - сопротивление ТСМ при 0 °С.

Для работы комплекта, состоящего из термопреобразователя сопротивления и измерительного прибора, каждому экземпляру измерительного прибора, имеющему определенную градуировку, должны соответствовать термопреобразователи сопротивления точно такой же градуировки.

Рассмотрим конструкцию чувствительного элемента технического термопреобразователя сопротивления типа ТСП (рис. 7). Он состоит из собственно чувствительного элемента и защитной арматуры. Чувствительный элемент платинового термопреобразователя сопротивления изготовляют из платиновой проволоки диаметром 0,04--0,07 мм и длиной около 2 м, бифилярно намотанной на пластинку с зубчатыми краями, которая сверху закрывается слюдяными накладками и скрепляется в пакет лентой. Выводы делают из серебряной проволоки диаметром 1 мм. Длина чувствительного элемента 30--120 мм.

Рис. 7 Схема чувствительного элемента платинового термопреобразователя сопротивления: 1 -- плоская слюдяная пластина; 2 -- платиновая проволока; 3 -- спай проволоки с выводами; 4 -- серебряные проволочные выводы; 5 -- плоские слюдяные накладки; 6 -- серебряные ленты

Чувствительные элементы медных термопреобразователей сопротивления изготовляют из медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной в несколько слоев на цилиндрический каркас из пластмассы или металла и покрытой слоем лака для герметизации.

Защитная арматура для платиновых и медных термопреобразователей сопротивления аналогична защитной арматуре для термоэлектрических преобразователей (см. рис. 6).

Термопреобразователи сопротивления нашли широкое применение в отрасли, так как позволяют осуществлять дистанционное измерение температуры с высокой точностью, дают возможность централизованного контроля и регулирования температуры с использованием многоточечных автоматических мостов и управляющих вычислительных машин.

В последние годы для измерения температуры применяют полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (терморезисторы). Материалом для изготовления чувствительных элементов являются смеси окислов меди и марганца, смеси окислов кобальта и марганца, смеси двуокиси титана с окислами магния и др.

Основная зависимость, характеризующая принцип действия полупроводниковых термопреобразователей сопротивления, имеет вид

Рис. 8. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления: а -- тип ММТ-1 и КМТ-1; б -- тип ММТ-4 и КМТ-4; в -- тип КМТ-11; 1 -- выводы; 2 -- контактные колпачки; 3 -- чувствительный элемент; 4 -- слой олова; 5 -- чехол; 6 -- стекло; 7 -- металлическая фольга

Приведенная выше зависимость показывает, что активное электрическое сопротивление терморезисторов уменьшается с увеличением температуры. Устройство полупроводниковых чувствительных элементов ПТС представлено на (рис. 8) Достоинствами терморезисторов являются высокая чувствительность, малая инерционность и небольшие размеры.

1.3.3 Интегральные датчики температуры

Интегральные датчики температуры отличаются от других типов термодатчиков тем, что работают в диапазоне температур от -55 до 150 °С. В этот диапазон попадает огромное количество задач, как в бытовых, так и в промышленных приложениях. Благодаря высоким характеристикам, простоте применения и низкой стоимости полупроводниковые датчики температуры оказываются очень привлекательными для применения в микропроцессорных устройствах измерения и автоматики.

Физический принцип работы полупроводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, либо транзисторы, включенные по схеме диода. Для проведения измерений, необходимо протекание стабильного тока через чувствительный элемент. Выходным сигналом является падение напряжения на датчике.

Рис 9 Интегральные датчики температуры

Схемы, использующие одиночный p-n переход, отличаются низкой точностью и большим разбросом параметров, связанных с особенностями изготовления и работы полупроводниковых приборов. Поэтому промышленность выпускает множество типов специализированных датчиков, имеющих в своей основе вышеописанный принцип, но дополнительно оснащенных цепями, устраняющими негативные особенности и значительно расширяющими функционал приборов.

Простые аналоговые интегральные датчики практически в чистом виде реализуют идею измерения температуры, с помощью определения падения напряжения на p-n переходе. Для устранения всех отрицательных явлений, связанных с работой такого перехода, используется специальная схема, содержащая в своем составе два чувствительных элемента (транзистора) с различными характеристиками. Выходной сигнал формируется как разность падений напряжения на каждом чувствительном элементе. При вычитании значительно сокращаются негативные моменты. Дальнейшее повышение точности измерения осуществляется калибровкой датчика с помощью внешних цепей.

Рис 10 Типовая схема включения полупроводникового термометра с коррекцией.

Основной характеристикой датчика температуры является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от ±1 °С до ±3.5 °С. Самые точные модели редко обеспечивают точность лучше чем ±0.5 °С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. Как правило, в суженном диапазоне от -25° до 100 °С точность в полтора раза выше, чем в полном диапазоне измерений -40°С до +125 °С . Большинство аналоговых датчиков температуры, иначе называемых интегральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода. Третий вывод обычно используется для целей калибровки. Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, пропорциональное температуре. Величина изменения напряжения различна и, например, составляет 10мВ/градус. Для точного определения значения температуры необходимо знать падение напряжения при каком-либо ее фиксированном значении. Обычно в качестве такового используется значение начала диапазона измерений либо 0 °С.

Таблица 1.3

Температурные датчики можно встретить в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служебных мониторов микропроцессорных систем, а также в других измерительных устройствах, например датчиках влажности. Возможен и противоположный вариант - добавления различных элементов к датчикам. Примером подобных изделий могут служить датчики температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых вариантов, эти устройства содержат встроенный АЦП и формирователь сигналов какого-либо стандартного интерфейса. Наибольшую популярность получили интерфейсы SPI, I2C и 1-Wire. Использование термометров с цифровым выходом значительно упрощает схемотехнику измерительного устройства, при незначительном увеличении стоимости относительно аналоговых вариантов. Также использование стандартных интерфейсов позволяет интегрировать датчики в различные системы управления или подключать несколько датчиков на одну шину. Программирование протокола обмена с большинством датчиков не представляется сложной задачей, что обусловило огромную популярность применения этих элементов в любительской практике и мелкосерийном производстве.

Кроме непосредственного измерения температуры, многие цифровые датчики обладают дополнительными функциональными возможностями. Наибольшее распространение получил дополнительный выход термостатирования, позволяющий использовать микросхемы без внешних устройств управления. Также можно встретить входы подключения дополнительных внешних температурных датчиков и дискретные порты ввода/вывода.

температура преобразователь датчик контроль

2. Расчетная часть

Задача №1 (1.2.4)

Платиновый термопреобразователь сопротивления при температуре t1 имеет сопротивление R1. Какое сопротивление будет у преобразователя при температурах t2, t3 и t4, если температурный коэффициент сопротивления платины равен 3,85?10?3°С-1? Какое условное обозначение (градуировку) имеет номинальная статическая характеристика рассматриваемого типа термопреобразователя? Определите среднее значение коэффициента преобразования ТПС в диапазоне температур t2…t4. Постройте зависимости Rt = f(T) и St = f(t).

Данные для расчета приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Вторая цифра варианта	R1, Ом	t1, °С	t2, °С	t3, °С	t4, °С
2	71,710	113	200	300	400

R1=R0(1+At+Bt2).

A = 3.90802*10-3 °C-2 ; B = -5.802*10-7 °C-2

R0== ?50>градуировка ТС 100П.

R₂=)=87,92 Ом

R₃=)=106.00 Ом

R₄=)=123,51Ом

R0 = 50.00 Ом

R1 = 71,710 Ом

R2 = 87,92 Ом

R3 = 106.00 Ом

R4 = 123,51 Ом

Рис. 11

S===0.17

t₁=112

t₂=114

R₁=)=71.52 Ом

R₂=)=71.89 Ом

S₁===0.19

t₁=199

t₂=201

R₁=)=87.74 Ом

R₂=)=88.10 Ом

S₂===0.18

t₁=299

t₂=301

R₁=)=105.83 Ом

R₂=)=106.19 Ом

S₃===0.18

t₁=399

t₂=401

R₁=)=123.35Ом

R₂=)=123.69 Ом

S₄===0.17

Рис. 12

Задача №2 (1.2.5)

Проведите расчет схемы неуравновешенного моста постоянного тока, питаемого напряжением U (рис. 13). Измеряемое сопротивление преобразователя R₁ изменяется по линейному закону R₁ = R_н(1+ в), где R_н - начальное сопротивление, при котором мост находится в равновесии, а в - коэффициент, изменяющийся от 0 до 1. При в = 0 мост находится в равновесии.

Пусть R_н = 10N Ом (N - номер варианта). Сопротивления плеч R₂, R₃ и гальванометра R_Г связаны с R_н соотношениями R₂ = kR_н, R₃= mR_н и R_г= nR_н. Значения U, k, m, n для каждого варианта задачи приведены в табл. 2.2.

Указания для расчета

При выполнении задания необходимо:



Рис. 13 Схема неуравновешенного моста постоянного тока

Таблица 2.2

Вариант	U, В	k	m	n
2	30	1,2	2,5	2,0

а) используя один из известных методов расчета электрических цепей (законы Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых потенциалов или теорему об эквивалентном генераторе), вывести формулы для вычисления тока в измерительной диагонали I_Г и тока, протекающего по преобразователю I₁;

б) определить сопротивления плеч R₂, R₃, R₄ и сопротивление гальванометра R_Г, а также рассчитать силу тока I_Г при различных значениях в (рекомендуется изменять в с шагом ?в = 0,1) и построить график зависимости I_Г = f(в);

в) найти максимальное (I_1МАКС) и минимальное (I_1МИН) значения силы тока, протекающего по резистору R₁;

г) определить чувствительность схемы для нескольких участков кривой I_Г = f(в) и построить график зависимости S = f(в).

S_i = (I_i - I_i-1)/(100?в/в_МАКС)

где I_i - значение силы тока, соответствующее в_i.

Исходные данные:

R₁ = R_н(1+b)

R_н = 10N

N = 5

U = 30 В

k = 1,2

m = 2,5

n = 2,0

b = 0…1 с шагом 0,1

R₂ = kR_н

R₃ = mR_н

R_Г = nR_н

При сбалансированном мосте b = 0

R₁ = R_н(1+b) = R_н

Найдем R4

a) Вывод формул для вычисления в измерительной диагонали I_Г и тока, протекающего по преобразователю I₁ (рис. 14)



Рис. 14 Схема неуравновешенного моста постоянного тока

Первый закон Кирхгофа в узлах C и D

Узел С

I₁ + I_Г = I₂

Узел D

I₃ = I_Г + I₄

Применим метод узловых потенциалов

Принимаем потенциал в узле B ц_B = 0, а в узле A ц_А = U

Выразим токи



Подставим выражения токов в уравнения первого закона Кирхгофа

Разделим на R_н

Подставим значения k, m, n

k = 1,2

m = 2,5

n = 2,0



Для вывода тока I_Г применим теорему об эквивалентном источнике. Разомкнем ветвь R_Г и найдем напряжение холостого хода U_ГХ как разность напряжений на участках R₁ и R₃ (рис 15)

Рис. 15. Схема неуравновешенного моста постоянного тока c разомкнутой веткой R_Г

Сопротивление при U = 0 c разомкнутой веткой R_Г



Ток I_Г определяется

Подставим значения k, m, n

k = 1,2

m = 2,5

n = 2,0

б) Определение сопротивлений R₂, R₃, R₄ и R_Г. Рассчитать силу тока I_Г при различных значениях b и построить график зависимости I_Г = f(b) с шагом b = 0,1

R_н = 10N

N = 5

k = 1,2

m = 2,5

n = 2,0

R_н = 50 Ом

R₂ = kR_н = 1,2*50 = 60 Ом

R₃ = mR_н= 2,5*50 = 125 Ом

R_Г = nR_н= 2*50 = 100 Ом

При сбалансированном мосте b = 0

R₁ = R_н(1+b) = 50 Ом

Найдем R4

При b = 0

А

При b = 0,1

При b = 0,2

При b = 0,3

При b = 0,4

При b = 0,5

При b = 0,6



При b = 0,7

При b = 0,8

При b = 0,9

При b = 1

График зависимости I_Г = f(b) с шагом b = 0,1 представлен на рис. 16

Рис. 16

в) Найти максимальное и минимальное значение I_1MAX и I_1MIN, протекающему по резистору R₁

При b = 0

При b = 0,1

При b = 1

С увеличением значения сопротивления R₁ ток I₁ уменьшается, поэтому I_1MAX будет при b = 0, а при I_1MIN - b = 1

I_1MAX = 0,325 А

I_1MIN = 0,202 А

График зависимости I₁ = f(b) с шагом b = 0,1 представлен на рис. 4

г) Определить чувствительность схемы для нескольких участков кривой I_Г = f(b) и построить график зависимости S = f(b)



Рис. 17

Результаты расчета I₁, I_Г и S представлены в таблице 2.3

График зависимости S = f(b) с шагом b = 0,1 представлен на рис. 5

Таблица 2.3

b	1+b	I1, А	IГ, мА	ДIГ, мА	S
0	1	0,563
0,1	1,1	0,532	-4,31	-4,31	-4,31*10-4
0,2	1,2	0,504	-7,58	-3,27	-3,27*10-4
0,3	1,3	0,479	-10,54	-2,97	-2,97*10-4
0,4	1,4	0,456	-13,25	-2,71	-2,71*10-4
0,5	1,5	0,435	-15,73	-2,48	-2,48*10-4
0,6	1,6	0,417	-18,01	-2,28	-2,28*10-4
0,7	1,7	0,399	-20,11	-2,10	-2,10*10-4
0,8	1,8	0,383	-22,06	-1,95	-1,95*10-4
0,9	1,9	0,369	-23,87	-1,81	-1,81*10-4
1	2	0,355	-25,55	-1,68	-1,68*10-4



Рис. 18

• 3. Конструкторская часть

Таблица 3.1

Контролируемый параметр	Тип первичного преобразователя	Выход
Барометрическое давление	Сильфон	Регистрация

3.1 Схема измерительной системы.

Рис. 19

3.2 Выбор первичного преобразователя

В качестве первичного преобразователя выберем датчик давления SR

Рис. 20

Таблица 3.2 Характеристики датчика давления SR:

Тип датчика	Внутренний (установка вместо штатного вентиля)
Диаметр вентиля, мм	8
Диапазон давления, атм	0…13
Погрешность измерения давления и температуры, атм/ЃЋ	±0,1/±3
Температурный диапазон, ЃЋ	-40…+125
Срок службы батареи. лет	5
Заменяемая батарея	Нет
Частота радиоканала, МГц	433,92
Размеры, мм	110 Х 60 Х 21
Масса, г	72

Рис. 21

Датчик имеет усиленный металлический штуцер и противосъемный защитный корпус. Для демонтажа датчика используется специальный ключ, входящий в комплект поставки. Встроенная заменяемая литий-ионная батарейка обеспечивает работу датчика в течение 2 лет. Контроль заряда батареи производится автоматически монитором водителя.

Кроме давления датчик способен измерять и температуру, что делает его более мультифункциональным и информативным.

3.3 Выбор вторичного прибора

Таблица 3.3

Модель	Трансивер RP03
Внешний вид
Количество поддерживаемых датчиков	ЛЮБОЕ
Встроенный аккумулятор	Есть, литиевый
Степень защиты корпуса	IP66
Диапазон рабочих температур	-30°C…+85°C
Частота радиоканала	433,92 МГЦ
Напряжение питания	8…30 В
Размеры	77 x 63 x 16

Является приёмником сигнала с датчика давления, путём получения сигнала по радиоканалу 433,92 мГц, и передача сигнала далее к датчику регистрации. Обычно устанавливается с внешней стороны кабины, на раму тягача.

3.4 Выбор датчика регистрации

Дисплей водителя ТМ515Т22

Дисплей водителя TM515T22 поддерживает до 22 датчиков давления в шинах, получает информацию о давлении и температуре в каждом из колес. Обновление данных осуществляется каждые 5 секунд, в случае, если данные от одной из шин будут отсутствовать более 60 минут, будет выдаваться звуковой сигнал.

В случае отклонения давления в каком-либо из колес от заданной базовой величины, на дисплее монитора отображается текущее давление, температура и раздается звуковой сигнал. Диапазон отклонений настраивается.

Дисплей оснащен встроенным датчиком света и движения. Подсветка включается только тогда, когда датчик одновременно детектирует движение автомобиля и недостаточное освещение. При остановке автомобиля для продления времени автономной работы дисплей переходит в спящий режим автоматически.

Рис. 22

Таблица 3.4

ХАРАКТЕРИСТИКА	ПАРАМЕТР
Количество колес	22
Единицы измерения	Бар (Атм) -- давление, °С -- температура
Подключение к терминалу мониторинга	RS-232
Цветность	Монохромный
Встроенный аккумулятор	Литиевый
Подсветка	Автоматически
Спящий режим	Переход в спящий режим спустя 30 секунд при отсутствии вибрации. Выход из спящего режима при возникновении вибрации.
Температура эксплуатации, °С	-25…+55
Частота радиоканала, МГц	433,92
Напряжение питания, В	8…30
Размеры, мм	116 x 68 x 25
Масса, г	125

3.5 Схема подключения

Рис. 23

3.6 Погрешность

Учитывая погрешность первичного преобразователя - 0.1% вычислим результирующую погрешность [5]

д=

Погрешность линий связи примем = 0 и так как потери в линиях связи малы.

д==0,1%

Результирующая погрешность системы равна ±0,1% [5].

Заключение

Таким образом, я рассмотрел различные виды приборов для измерения давлений, а именно, барометры, манометры и вакуумметры. Выяснил, какое давление можно с помощью них измерить. Различают давление абсолютное и манометрическое, значения которых можно определить, используя измерительные приборы соответствующих типов. Абсолютное давление -- это значение давления, измеряемое от нулевой точки шкалы давлений. Манометрическое давление -- это избыточное давление, измеряемое от атмосферного давления. Если к манометрическому давлению прибавить атмосферное, то получим значение абсолютного давления. Рассмотрел принцип выбора оборудования исходя из заданных параметров измеряемой величины.

Список использованных источников

1. Преображенский В.П., Теплотехнические измерения и приборы, 1978 г.

2. Г.М. Иванова, Н.Д. Кузнецов, В.С. Чистяков. Теплотехнические измерения и приборы. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2005г

3. Саликова Е.В. Технические измерения. Часть 1. Кострома. 2013г

4. Саликова Е.В. Технические средства измерений: методические указания для выполнения курсовой работы. Кострома. 2014г

5. РД 50-453-84. Методические указания. Характеристики погрешностей средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 21с.

Размещено на Allbest.ru

...