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 4.1 - 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.

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

t R U Uст

Δt

ΔR

ΔU

ΔUcт

ΔR

ΔU

1. (2) (3)

Рисунок 5.1 – Структурная схема измерения температуры (преобразование показаний в электрический сигнал)

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 5.2 – 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 5.3 – 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.

Конструкция терморезистора приведена на рисунке 5.4.

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 ƞсл=3, тогда количество витков в одном слое составит Nсл=N/ ƞсл=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:

%

%

Аддитивной:

%

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.

;

.

1, 3 – Рабочие характеристики ;

2 – Градировочная характеристика U = f(t).

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 8.1 – 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 (кгс×см-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 9.1 –Временная (переходная)характеристика апериодического звена.

Расчет передаточного коэффициент k

Работа терморезистора в системе автоматического управления:

Рисунок 9.2 – 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:

R_t = R₀(1+At+Bt²)

R_t – 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.