Разработка и моделирование прибора для измерения температуры воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Факультет информационных технологий

Кафедра информационных технологий

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине «Компьютерные технологии в приборостроении»

Тема работы Разработка и моделирование прибора для измерения температуры воздуха

Студенты группы ИИТ-02 Д.Е. Голденко

Барнаул 2012

Содержание

• Введение
• 1. Обзор методов измерений температуры

1.1 Контактный метод

1.2 Бесконтактный метод

1.3 Люминесцентный метод

• 1.4 Обзор приборов для измерения температуры воздуха
• 1.5 Выбор устройства измерения
• 2. Расчёт погрешности измерительного прибора
• 3. Разработка принципиальной электрической схемы и печатной платы
• 3.1 Моделирование печатной платы
• 3.2 Описание элементов схемы
• 3.3 Разработка корпуса и компоновка деталей
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

В широкой номенклатуре средств аналитического контроля важное место занимают измерители температуры, которые на многих предприятиях могли бы давать основную информацию о параметрах технологических процессов Температура характеризует тепловое состояние тела и измеряется в градусах. Температура тела изменяется пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Численное значение температуры зависит от выбранной температурной шкалы.

Целью данной курсовой работы является разработка и моделирование прибора для измерения температуры воздуха.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести обзор физических явлений и методов, применяемых для определения плотности жидкости;

- выполнить обзор устройств измерения плотности жидкости и сделать обоснованный выбор измерительного прибора для дальнейшего рассмотрения;

- рассмотреть принцип работы измерительного устройства на основе выбранного прибора;

- разработать принципиальную схему и схему печатной платы отдельного элемента устройства.

Практическая значимость работы заключена в рассмотрении принципа работы и конструкции прибора для измерения температуры воздуха.

1. Обзор методов измерения температуры

1.1 Контактный метод

Существуют два основных метода измерения температур -- контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76),

По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:

- Термометры расширения от --260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.

- Манометрические термометры от --200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

- Термометры электрического сопротивления стандартные от --270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.

- Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от --50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.

1.2 Бесконтактный метод

Thermopiles - это термоэлементы включенные последовательно, которые используют известный Seebeck - эффект. Термоэлемент состоит из двух электропроводных материалов, которые расположены в виде проводящих дорожек и которые в одной точке (так называемой hot junction) контактируют друг с другом. Если за счет внешнего воздействия возникнет разница температур между точкой контакта (hot junction) и обеими открытыми концами (cold junction), то на обоих концах термоэлементов появится напряжение в несколько милливольт.

При бесконтактном способе измерения температуры повышение температуры точки «hot junction» вызывается за счет абсорбирования попадающего в эту точку инфракрасного излучения. Каждый объект излучает инфракрасный свет, причем энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Базируясь на этом эффекте Thermopile-модули измеряют излучаемую мощность и таким образом с высокой точностью определяют температуру объекта.

Люминесцентный метод

В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике: безиндукционность (т.е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т.д.

Датчик на основе теплового излучения. В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, сущность которых раскрываемая в частности в [7] состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.

Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 °С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.

Датчик на основе поглощения света полупроводником. Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру.

Используя данный метод можно мерить температуру в интервале от 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.

Датчик на основе флуоресценции. Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зависящего от температуры.

Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200 °С с погрешностью ±0,1 °С.

Использование волоконно-оптических датчиков, при всей своей привлекательности, позволяет производить измерение температуры только в локальной точке объекта, что несколько сужает область их применения.

1.3 Обзор приборов для измерения температуры воздуха

Измерение температуры основано на физических свойствах тел, связанных определенной зависимостью с температурой. Наиболее широко используются следующие свойства: тепловое расширение тел, газов, паров и жидкостей; электрическое сопротивление проводников; термоэлектродвижущая сила; энергия излучения нагретых тел.

При наладочных работах по вентиляции температура газов и жидкости в пределах от --40 до +60° С измеряется тарированными жидкостными термометрами с ценой деления не более 0,5° С. При температурах свыше 60° С допускается применять термометры с ценой деления 1°С. Температуру воздуха и газов при составлении балансов по теплу и влаге, а также при лабораторных исследованиях измеряют тарированными термометрами с ценой деления не более 0,2° С.

Жидкостные стеклянные термометры. Принцип действия термометров основан на объемном расширении жидкости, заключенной в закрытом стеклянном резервуаре. Резервуар соединяется с капилляром, имеющим малый внутренний диаметр. При нагревании резервуара жидкость увеличивается в объеме и поднимается вверх по капилляру. По высоте столбика жидкости в капилляре можно судить об измеряемой температуре. Чем тоньше капилляр, по сравнению с резервуаром, тем чувствительнее термометр.

Рабочей жидкостью в термометрах служат обычно ртуть и органические жидкости. Ртутно-стеклянные термометры используются для измерения температуры в пределах от --30 до +500°С Термометры с органическими жидкостями называются низкотемпературными, в них применяют этиловый спирт до --130°С; толуол до --90° С; петролейный эфир до --130° С и пентан до --190° С.

Ртутные стеклянные термометры разделяют на палочные и с вложенной стеклянной шкалой. Палочный термометр представляет собой толстостенную капиллярную трубку из термостойкого стекла или кварца, на который нанесены деления шкалы. При наблюдении сквозь толщу стекла капилляр представляется значительно увеличенным и столбик жидкости хорошо виден, несмотря на очень малый действительный размер капилляра. Резервуар со ртутью у палочных термометров имеет наружный диаметр, одинаковый с наружным диаметром капиллярной трубки. Палочные термометры обладают высокой точностью и применяются в основном для лабораторных измерений.

Стеклянные термометры с вложенной шкалой отличаются тем, что капиллярная трубка имеет небольшой наружный диаметр, а деления шкалы нанесены на плоскую пластинку из молочного стекла, расположенную сзади капиллярной трубки. Шкала и капилляр заключены в стеклянную оболочку, припаянную к резервуару.

Термометр с ртутным заполнением может быть снабжен электрическими контактами, которые замыкаются ртутными столбиками. Такие термометры называются контактными или термосигнализаторами. Один из контактов впаян в нижней точке капилляра и всегда соприкасается с ртутью. Этот контакт обычно выполнен из платины, так как платина имеет такой же температурный коэффициент, что и термометрическое стекло.

Другие контакты впаивают в капилляр на определенных отметках шкалы или контакт изготавливают подвижным. В качестве подвижного рабочего контакта термосигнализатора применяют тонкую вольфрамовую проволоку и располагают ее внутри капилляра. Контакт перемещается с помощью передвигающейся по винту овальной гайки, заключенной в овальную трубку. Винт вращается подковообразным постоянным магнитом, который установлен на колпачке в верхней части термометра.

Шкала термометра справедлива, когда глубина его погружения равна высоте столбика измерительной жидкости. При этом жидкость, находящаяся в резервуаре и капилляре, имеет температуру измеряемой среды. Если столбик жидкости выступает над уровнем погружения термометра, то температура выступающей части будет отличаться от температуры измеряемой среды: Следовательно, выступающий столбик дополнительно удлиняется или укорачивается в зависимости от температуры окружающей среды. Поправку к показаниям термометра на температуру выступающего столбика подсчитывают по формуле

Метастатический термометр с меняющимися пределами шкалы предназначен для измерения температуры с повышенной точностью. Измерение производится в интервале, не превышающем 5° С в любом участке шкалы от --20 до +150° С. Чтобы изменить пределы измерения отливают часть ртути из капилляра в сифонообразный вспомогательный резервуар.

Термометр относится к числу стеклянных ртутных термометров со вложенной шкальной пластиной.

Термометр имеет рабочую шкалу 5° С с ценой деления 0,01° С и вспомогательную шкалу от --20 до +150° С с ценой деления 5° С. На вспомогательной шкале устанавливают нижний предел температуры, от которого производят отсчет по рабочей шкале.

Основная допустимая погрешность термометра ±0,015° С. Температуру измеряют, погрузив термометр в измеряемую среду на постоянную величину до начала делений шкалы.

Стержневой термометр-дилатометр состоит из трубки и стержня, изготовленных из разных материалов. Стержень расположен внутри трубки. Один конец его жестко закреплен ко дну трубки. Трубка и стержень удлиняются при нагревании на различную длину. Изменение соотношения их длины характеризует температуру нагрева.

Стержневые термометры применяют главным образом в качестве сигнализаторов и регуляторов температуры, а также в системах пневмоавтоматики. При заданных значениях температуры они замыкают или размыкают электрические контакты, включаемые в электрические цепи.

Биметаллический термометр имеет чувствительный элемент в виде плоской или спиральной пружины, спаянной из двух разнородных пластин. Пластины изготавливают из металлов с разными коэффициентами температурного расширения. При нагревании обе пластины удлиняются и пружина изгибается в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом. По величине изгиба судят о температуре нагрева. Биметаллический термометр применен в термографе.

В зависимости от применяемой шкалы на диаграммной ленте прибором измеряют температуру в следующих диапазонах: от --40 до +30° С; от --30 до +40° С; от --20 до +50° С. Прибор регулируется винтом 8, перемещающим закрепленный конец чувствительной пластины. При этом перо устанавливают на нужное деление выбранной шкалы, соответствующее температуре измеряемого воздуха в данный момент.

В приборе предусмотрен отметчик времени. Он дает возможность, не открывая крышки корпуса прибора, отмечать время наблюдений на диаграммной ленте. При нажатии на отметчик времени перо поднимается и делает вертикальную отсечку.

Полупроводниковые термометры типа ЭТП-IA, ЭТП-2А и ЭТП-М предназначенные для измерения температуры в производственных и лабораторных условиях, разработаны и изготавливаются экспериментальной базой Уральского ПромстройНИИпроекта

Аспирационный электротермометр конструкции ГПИ Проектпромвентиляция предназначен для дистанционного измерения температуры воздуха в диапазоне от --15 до +125° С. Электротермометр состоит из измерительного прибора и датчика. Датчик соединен с измерительным прибором соединительным шнуром. Чувствительным элементом 1 датчика температуры является медная проволока диаметром 0,05 мм, спирально намотанная на каркас из натянутых нитей. Сопротивление чувствительного элемента при температуре 0° С составляет 100 Ом. Чувствительный элемент закрыт внутренним 2 и наружным 3 цилиндрическими экранами. Экраны изготовлены из листового металла с последующим никелированием и полировкой.

1.4 Выбор устройства измерения

Для проведения измерений был выбран портативный цифровой термометр testo-101 (рисунок 1).

Рисунок 1 - Портативный цифровой термометр testo-101

Компактные термометры testo 410-1 и testo 410-2 имеют встроенный датчик «крыльчатку» предназначенный для измерения скорости воздушного потока и NTC сенсор для измерения температуры воздуха.

Термоанемометр testo 410-1 измеряет скорость потока и температуру воздуха, предназначен для точечных измерений на выходах воздуховодов с помощью встроенной крыльчатки. Возможен расчет среднего значения измерений.

Термоанемометр testo 410-1 оснащен запатентованным сенсором влажности testo, что гарантирует измерения и проверку условий окружающей среды. Помимо основных функций измерения скорости и температуры, прибор может измерять уровень влажности воздуха, температуру точки россы и шарика смоченного термометра (тепловую нагрузку окружающей среды).

Таблица 1 - технические характеристики термоанемометра testo 410-1

2. Расчёт погрешности измерительного прибора

Расчет погрешности измерительного канала сводится к оценке СКО отдельных звеньев (уi) с учетом дополнительных погрешностей от влияющих факторов и нахождения суммарной погрешности процесса измерительного преобразования:

, (1)

Относительная погрешность датчика температуры, приведенная к началу диапазона измерения, составляетд_ДТн=0,02%,а к концуд_ДТк=0,06%.

Для АЦП в начале и в конце диапазона д_АЦПн =0,1 % и д_АЦПк =0,15%.

Рассчитаем погрешность датчика. Учитывая вид закона распределения погрешности, принимаем значение квантильного коэффициента, для равномерного закона k =1,73 и по формуле

, (2)

находим у_ДПн = 0,02%, а в конце диапазона у_ДПк= 0,03 %.

Находим у_ДТн = 0,01%, а в конце диапазона у_ДТк= 0,04 %.

Для АЦП

Окончательно СКО для конца диапазона и для начала диапазона измерения

Приняв квантильный коэффициент К=1,73 для до*1.73 верительной вероятности Р=0,90, окончательно для начала и конца диапазона измерений получим

д_Н=1,73·0,07 = 0,11%;

д_К=1,73·0,15 = 0,17%.

С учетом округлений запишем:

д_ик(х)=±[0,1+1].

где х - текущее значение измеряемой величины;

хп - предел диапазона измерения.

Приняв значение измеряемой величины равным 1 и задав диапазон измерения 2, получим значение погрешности:

.

Это расчетное значение погрешности следует умножить на коэффициент запаса, учитывающий старение элементов измерительного канала. Можно принять, что скорость старения не превышает 0,1% в год.

3. Разработка принципиальной электрической схемы и печатной платы

3.1 Моделирование печатной платы

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема электротермометра

3.2 Описание элементов схемы

Измерение температуры основано на изменении сопротивления терморезистора, установленного в одном из плеч моста, в диагональ которого включен измерительный прибор.

Резистор R7 служит для балансировки моста при температуре --10° С, а резистор R8*, сопротивление которого равно сопротивлению терморезистора при --70° С, используется при калибровке моста. Для этого при включенном резисторе R8* изменяют сопротивление резистора R5 так, чтобы стрелка прибора подошла к делению +70° С. Резистор R6 служит для ограничения разряда батареи ниже 4 В. Резистор R8* наматывают бифилярным-магнитовым проводом ПЭММ диаметром 0,1 мм. Терморезистор можно расположить в щупе, соединенном с прибором двухжильным экранированным кабелем.

3.3 Разработка корпуса и компоновка деталей

Заключительный этап это создание корпуса и компоновка основных узлов на лицевой панели.

Передняя панель блока измерительного с размещенными на ней элементами индикации и управления:

Рисунок 3 - Схематическая модель корпуса прибора. Условные обозначения: 1 - корпус; 2 - кнопка навигации по меню и изменения данных; 3 - встроенная крыльчатка; 4 - кнопка включения питания; 5 - кнопка изменения данных; 6 - светодиодный дисплей.

На передней панели блока измерительного размещены: четырехразрядный семисегментный светодиодный дисплей 6, кнопки 2, 4 и 5 встроенной мембранной клавиатуры.

Четырехразрядный семисегментный светодиодный дисплей 6 служит для отображения текущих значений температуры воздуха.

Кнопка включения питания 4 управляет подачей питания на блок измерительный.

Кнопки навигации по меню и изменения данных 2 и кнопка изменения данных 5 служат для выбора индицируемого параметра и ввода служебной информации.

люминесцентный температура плата

Заключение

В курсовом проекте были рассмотрены принципиальные методы измерения температуры и приборы для измерения температуры воздуха.

Главной задачей была разработка и моделирование прибора для измерения температуры воздуха. После обоснованного выбора прибора для измерения температуры воздуха для дальнейшего рассмотрения принципа работы устройств была построена принципиальная электрическая схема прибора и схема печатной платы. По результатам проделанной работы возможно изучение принципа измерения температуры воздуха и изготовление прибора для непосредственного измерения температуры воздуха.

Список использованных источников

1 Температура

2 Геращенко О.А., Федоров В.Г., «Тепловые и температурные измерения»: Справочное руководство. / О.А. Геращенко. - Киев: «Наукова думка», 1965, - 238 с.

3 Профос. П. Измерение в промышленности. Т.2. / П. Профос. - М. : Металлургия, 1990, - 383 с.

4 Прохоров А.М. Физическая энциклопедия. / А.М. Прохоров. - М. : Большая российская энциклопедия, 1992, - 637 с.

5 Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. / К. Бриндли. - М.: Энергоатомиздат, 1991, - 121 с.

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

Размещено на Allbest.ru