Измеритель температуры

     1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

     

     

     Для измерения температур применяются  контактные и бесконтактные методы. Для реализации контактных методов  измерения применяются термометры расширения (стеклянные жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые) и термоэлектрические преобразователи. Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения) /1/.

     Контактные  методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой- несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды. Это несоответствие температур или погрешность восприятия чувствительным элементом термометра измеряемого параметра в стационарном режиме имеет место. Если происходит теплообмен между термоприемником и измеряемой средой или частями технологического оборудования.

     Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру среды  или тело. Но зато они сложнее  и их методические погрешности существенно  больше, чем у контактных методов.

     

     Для оценки погрешности бесконтактных  методов измерения, как правило, необходимо знать спектральные характеристики коэффициентов излучения (поглощения) чувствительных элементов пирометров, промежуточных линз, стекол, других материалов или сред, через которые проходит излучение от измеряемой среды к чувствительному элементу. 

     Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от минус 260 до плюс 2200°С.

• Термометры стеклянные

      Принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодны, не могут передавать показания на расстояние.

      Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала. Конструктивно различают палочные термометры и термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки.

      Диапазон  измерений от минус 100 до плюс 600°С.

• Манометрические термометры

      Принцип действия основана изменении давления (объема) рабочего вещества в замкнутом  объеме в зависимости от температуры  чувствительного элемента. Основными  частями манометрических термометров  являются термобаллон (чувствительный элемент), капилляр и деформационный манометрический преобразователь, связанный со стрелкой прибора. По принципу действия различают газовые, жидкостные и конденсаторные манометрические термометры.

      Диапазон  измерений от минус 200 до плюс 600°С.

• Термопреобразователи сопротивления

      Принцип действия основан на свойстве проводника (или полупроводника) изменять свое сопротивление с температурой.

      Основными частями термопреобразователя сопротивления являются чувствительный элемент, защитная арматура и головка преобразователя с зажимами для подключения чувствительного элемента и соединительных проводов. Чувствительные элементы медных термопреобразователей сопротивления представляют собой медную проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая бифилярно намотана на каркас, либо без каркаса, помещенную в тонкостенную металлическую оболочку. Чувствительный элемент помещается в защитную арматуру.

      Диапазон  измерений от минус 260 до плюс 1100°С.

• Термоэлектрические преобразователи (термопары)

      Принцип действия основан на зависимости термо-ЭДС от значений температур мест соединения двух разнородных проводников. Термоэлектрические преобразователи могут измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, имеют малые габаритные размеры — от 0,5 мм. Термоэлектрические преобразователи отличаются достаточно высокой точностью и стабильностью характеристик преобразования, хотя они и уступают немного по этим показателем термопреобразователям сопротивления.

      

      Термоэлектрические  преобразователи    выпускаются  следующих исполнений: погружаемые и поверхностные; стационарные, переносные, разового  применения,  многократного  применения,  кратковременного применения; обыкновенные, водозащищенные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий;  негерметичные и герметичные; малой  (МИ), средней (СИ) и большой (БИ) инерционности; обыкновенные и виброустойчивые; одинарные, двойные и тройные – три спая в одном корпусе (чехле); однозонные и многозонные; с открытым спаем, с закрытым спаем. Возможно различное сочетание этих  исполнений.

      Диапазон  измерений от -200 до 2200°С.

• Пирометры и пирометрические преобразователи

      Принцип действия пирометров излучения и  пирометрических преобразователей основан на зависимости параметров излучения от температуры измеряемого тела или среды. Пирометры и пирометрические преобразователи позволяют проводить измерение температуры бесконтактным методом, когда пирометр или пирометрический преобразователь расположен на расстоянии от объекта измерения и не искажает его температурное поле. По принципу действия пирометры и пирометрические преобразователи подразделяются на квазимонохроматические (яркостные), спектрального отношения (цветовые), полного излучения (радиационные) и частичного излучения.  

      Диапазон  измерений от 400 до 4000°С. 
 
 
 
 
 
 

      

      

      2 анализ технического задания  

      В соответствии с заданием необходимо спроектировать измеритель температуры, диапазон измерений которого находится в пределах от 0 до 2000°С. Данному критерию отвечают термоэлектрические и пирометрические преобразователи.

      Ввиду сложности реализации данного устройства бесконтактным методом, в качестве датчика температуры будет выбран термоэлектрический преобразователь.

      Градуировочная  характеристика данного преобразователя  имеет нелинейный характер, поэтому для точного отображения результатов измерений необходимо ввести цепь коррекции, которая будет обеспечивать требуемую точность.

      Так как удаление датчика составляет 100 метров, а сигналом, снимаемым  с термоэлектрического преобразователя  является напряжение, будет целесообразно применить устройство, преобразующие напряжение в ток в цепи датчика, и устройство, преобразующее ток в напряжение в цепи всей остальной схемы.

      Немаловажным  является проектирование блока питания  с учетом того, что цепь датчика  может находиться в местах измерения, не имеющих сети питания.

      Цифровая  индикация требует применения аналого-цифрового преобразователя, преобразовывающего аналоговую величину в n-разрядный код, который будет поступать на семисегментные индикаторы. 
 

      

      

      3 Описание структурной схемы   

      На  выходе датчика температуры формируется напряжение, пропорциональное измеряемой температуре, которое поступает на вход усилителя сигнала датчика температуры, усиливающего сигнал до заданного значения.

      Далее усиленное напряжение преобразуется в ток с помощью преобразователя напряжения в ток (ПНТ), передается на 100 метров и поступает  на вход устройства, выполняющего обратную функцию – преобразование тока в напряжение (ПТН). Полученный сигнал сравнивается с сигналами источника опорного напряжения (ИОН) при помощи компаратора, и далее через логический элемент вносится поправка, зависящая от выходного состояния компаратора, которая суммируется с измеренным напряжением. Ключ необходим для пропускания той или иной поправки на сумматор.

      Как упоминалось ранее, для индикации  используется аналого-цифровой преобразователь с выходом на семисегментный индикатор.

      Сигнализация  верхнего и нижнего пределов измерения  осуществляется с помощью компаратора, который сравнивает измеренное напряжение с напряжением, задаваемым оператором и подает на светодиоды.

     Структурная схема приведена в приложении УИТС31.2101.91.166.Э1. 
 
 
 

     4 Описание принципиальной схемы и электрические расчеты

       

     Принципиальная  схема измерителя температуры состоит  из пяти блоков:

     -блок измерений;

     -блок коррекции;

     -блок индикации;

     -блок  питания схемы;

     -блок питания датчика;

     Далее рассмотрен каждый из блоков в отдельности.  

     4.1 Блок измерений  

     Данный  блок удален от основной части схемы  на 100 метров и предназначен для непосредственного измерения температуры. Более подробное описание данного блока рассмотрено ниже.

     Принципиальная  схема блока измерений приведена  в приложении УИТС31.2101.91.166.Э2. 

     4.1.1 Датчик температуры    

                               

     

      Как упоминалось ранее, в качестве датчика температуры используется термоэлектрический преобразователь типа ТВР (сплав вольфрам-рений), диапазон длительного измерения температуры которого составляет от 0 до 2200°С. Основными недостатками является нелинейность градуировочной характеристики, которая устраняется введением цепи коррекции, и обязательность температурной компенсации холодного спая (устранение данного недостатка выходит за рамки данного курсового проекта).  

     4.1.2 Дифференциальный усилитель      

     Усилителем  сигнала датчика температуры является дифференциальный усилитель, схема которого приведена на рис.1. 

Рис.1 –  Дифференциальный усилитель 

      Так как напряжение, поступающее с  термоэлектрического преобразователя, должно быть усилено с высокой точностью, данный дифференциальный усилитель собран на основе прецизионных операционных усилителей К140УД24, имеющих сверхмалый дрейф выходного напряжения. 

      В конечном итоге усиленный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, который способен воспринимать значения, не превышающие 1999 милливольт.

      С учетом вышеизложенного рассчитаем коэффициент усиления таким образом, чтобы значение на выходе дифференциального  усилителя при температуре 1999°С, было равным 1999 милливольт.

      Таким образом получим:

где - входное напряжение дифференциального усилителя

         при температуре 1999°С; 

   - выходное  напряжение дифференциального усилителя

          при температуре 1999°С;

       -    коэффициент усиления.

     

     

      С другой стороны коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

  при