Контрольное задание № 6

Разработать устройство контроля температуры в печи, в которой производится термообработка деталей. Номинальное значение температуры Т=90 С. Предложить метод контроля, выбрать первичный измерительный преобразователь, разработать структурную схему прибора и ее основные функциональные узлы. Выходной сигнал, подаваемый на регистрирующее устройство, должен соответствовать системе ГСП. Учесть, что регистрирующее устройство находится на значительном расстоянии от прибора.

В процессе подготовки и обоснования решения ответьте на следующие вопросы:

6.1. Назовите основные устройства для измерения температуры.

6.2. Назовите основные контактные датчики температуры.

6.3. Какой первичный преобразователь целесообразно использовать в данном устройстве?

6.4. Какие преимущества и недостатки у термометров электрического сопротивления?

6.5. Какие преимущества и недостатки у полупроводниковых датчиков температуры и какие физические явления использованы в них?

6.6. В каких случаях целесообразно использовать радиационные и оптические пирометры?

6.7. Какой вид будет иметь измерительная цепь при использовании в качестве датчика температуры: термопары; термометра электрического сопротивления?

6.8. Почему температуру концов термопары, называемых "холодным спаем" стремятся поддерживать неизменной?

6.9. Какие усилители электрических сигналов будете использовать для усиления сигнала термопары, сигнала термометра электрического сопротивления, измерительная цепь которого питается переменным током?

6.10. Какие преимущества перед усилителями с непосредственными связями имеют усилители постоянного тока, выполненные по структуре МДМ?

6.11. Какие электронные компоненты обычно используются в УПТ в качестве модуляторов напряжения постоянного тока и демодуляторов переменного напряжения?

6.12. Каким путем обеспечивается стабильность коэффициента усиления усилителя?

6.13. Почему усилители с дифференциальным входом менее чувствительны к помехам возникающим в проводах, с помощью которых источники сигнала подключаются ко входу?

6.14. Почему при передаче измерительных сигналов на большие расстояния выходные каскады устройств должны иметь высокое выходное сопротивление или на входе устанавливают преобразователи напряжение - ток?

6.15. Приведите структурную схему устройства и поясните выполнение ее основных функциональных узлов.

1. Измерение в промышленности. Справочник. Под ред. проф. П. Профоса. - М.: Металлургия, 1980, 643с.

2. Левшина Е.С. Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, 320с.

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991, 622с.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, 1988, 304с.

Эталонный ответ контрольного задания № 6

6.1. Температура измеряется с помощью термопар, контактных термометров и с помощью оптических и радиационных пирометров.

6.2. Основные контактные датчики температуры: дилатометрические и биметаллические термометры; жидкостные термометры; газовые термометры; термометры сопротивления; термоэлектрические термометры; полупроводниковые термометры.

6.3. Термопары, т.к. они позволяют измерять с высокой точностью большие температуры.

6.4. Металлические термометры сопротивления позволяют с высокой точностью измерять температуру до нескольких сотен градусов. Их не рекомендуют применять при высоких температурах (свыше 600-800°С) из-за резкого ухудшения точностных показателей. Они имеют простую измерительную цепь и близкую к линейной характеристику преобразования.

6.5. Полупроводниковые датчики температуры применяют обычно до 200°С. Используют терморезистивные датчики, а также датчики, выполненные на основе р-n перехода. У терморезистивных полупроводниковых датчиков - нелинейная градуировочная характеристика. У датчиков на основе р-n перехода, включенного в прямом направлении, характеристика преобразования линейная, но имеет существенный разброс параметров и некоторая временная

нестабильность.

6.6. Радиационные и оптические пирометры целесообразно применять при измерении очень больших температур или в случаях, когда вследствие каких-либо причин контактные датчики применять затруднительно.

6.7. Термопара представляет собой датчик температуры генераторного типа. Поэтому при ее применении не требуется создавать специальную измерительную цепь. Ее концы холодного спая могут быть непосредственно подключены ко входу УПТ. При применении термометров сопротивления следует использовать мостовые цепи.

6.8. ЭДС термоэлектрического преобразователя пропорциональна разности температур холодного и горячего "спаев". Поэтому точное определение температуры горячего спая возможно только в том случае, когда неизменна температура холодного спая.

6.9. Для усиления сигналов термопары применяют усилители постоянного тока, а термометра сопротивления, питаемого переменным током - усилители переменного тока.

6.10. Усилитель, выполненный по структуре МДМ, имеет уменьшенные температурные и временные дрейфы нуля, чем УПТ с непосредственными связями.

6.11. В качестве модуляторов и демодуляторов напряжения в УПТ применяют аналоговые ключи на полевых транзисторах, и ключи на биполярных транзисторах.

6.12. Стабильность коэффициента усиления усилителя обеспечивается за счет введения глубокой отрицательной обратной связи.

6.13. Усилители с дифференциальным входом менее чувствительны к помехам потому, что напряжение помех представляет собой, как правило, синфазный сигнал, коэффициент ослабления которого достаточно большой.

6.14. При передаче сигналов на большие расстояния обычно применяют выходные устройства с высоким выходным сопротивлением. Они дают токовый выход. Поэтому сигнал на нагрузке не зависит от сопротивления линии связи, а определяется только значением сопротивления нагрузки. Это приводит к увеличению точности.

6.15. Структурная схема устройства имеет вид:ПНТ - преобразователь напряжения-ток; ФНЧ - фильтр низких частот.

Узел термостатирования можно выполнить на основе термостата или применив специальные схемы компенсации температурной погрешности. Фильтр низких частот можно выполнить применив интегрирующую цепь.

УПТ МДМ можно выполнить на основе микросхем УПТ-МДМ, например 140УД13, 153УД5.

ПНТ можно выполнить на основе микросхем операционных усилителей. При этом он должен быть рассчитан так, чтобы соответствовал выходному току в системе ГСП.

Контрольное задание № 7

Разработать устройство для измерения линейного перемещения детали в оптически непрозрачной среде с температурой 250°С. Диапазон перемещений 0 ÷ 5 мм. Выбрать датчик перемещения и разработать схему преобразования информационного сигнала. В качестве регистрирующего устройства использовать измерительный механизм магнитоэлектрической системы.

При подготовке и обосновании решения ответьте на вопросы:

7.1. Какие методы измерения перемещений целесообразно использовать при высокой температуре окружающей среды?

7.2. Можно ли применять в рассматриваемом случае оптоэлектронные датчики перемещений?

7.3. Какие из датчиков перемещений в указанных диапазонах работают надежно при температурах 250°С и выше?

7.4. С помощью какого конструктивного приема (приемов) нелинейную статическую характеристику индуктивных датчиков делают линейной?

7.5. Почему при создании точных измерительных устройств с индуктивными датчиками перемещений используют дифференциальные конструкции?

7.6. Нарисуйте измерительные цепи, в состав которых можно включить дифференциальный индуктивный датчик.

7.7. От какого источника энергии можно питать измерительную цепь датчика и нужно ли стабилизировать амплитуду, форму и частоту источников энергии?

7.8. Как увеличить выходной сигнал датчика перемещений?

7.9. Каким образом обеспечить постоянность коэффициента усиления электронного усилителя?

7.10. С помощью каких интегральных схем можно выполнить усилитель сигналов датчика. Нарисуйте укрупненную схему усилителя с коэффициентом усиления несколько тысяч.

7.11. Как можно уменьшить влияние внешних наводок, если измерительная схема датчика питается электрической энергией одной определенной частоты?

7.12. Как можно преобразовывать переменное напряжение, пропорциональное перемещению, в постоянный сигнал? Нарисуйте схему детектора, который примените при построении аппаратуры.

7.13. Как осуществляется расширение пределов измерения магнитоэлектрического вольтметра с заданным номинальным током?

7.14. Предложите конструкцию датчика перемещения и структурную схему устройства.

1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, 320с.

2. Измерения в промышленности. Справочник. Под ред. проф. П. Профоса. - М.: Металлургия, 1980, 648с.

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991, 622с.