Технологические измерения и приборы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

___________________________________________________________________

Кафедра электротехники

и автоматизированных промышленных установок

КУРСОВАЯ РАБОТА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Выполнил:

Студент 4-го курса

Гр. 423, спец. 2102

Шифр 0-200076

Третьяков А.А.

Проверил:

Любимова В.Г.

ОМСК  2003

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

1.     Описать методы измерения температуры, основанные на использовании термоэлектрических  и резистивных преобразователей и автоматических потенциометров и мостов.

2.     Выбрать наиболее подходящий тип первичного измерительного преобразователя (ПИП) и соответствующую ему схему измерения.

3.     Произвести расчет схемы измерения, используемой в электронных автоматических мостах или потенциометрах.

4.     Построить градуировочную характеристику шкалы измерительного устройства.

5.     Определить передаточные функции для схемы измерения по каналу измерения температуры и по каналу перемещения движка реохорда ( по цепи обратной связи).

6.     Составить структурно-функциональную схему работы автоматического моста или потенциометра в зависимости от типа датчика и схемы измерения температуры.

1.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА

ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И РЕЗИСТИВНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

На рис 1.1 представлены два разных проводника из однородного материала, концы которых соединены и имеют разную температуру: t и t0.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. На конце с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, поэтому металл А заряжается положительно, а металл В – отрицательно. В месте соприкосновения проводников возникает электрическое поле, препятствующее диффузии. Когда скорость диффузии электронов становится равной скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов, т.е. термо-ЭДС, зависящая также и от температуры мест соединения проводников 1 и 2.

 В простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникает четыре ЭДС. Две возникают в местах соединений проводников (они будут различны, так как различны температуры). Кроме того в каждом однородном проводнике, концы которого имеют разные температуры, появляется разность потенциалов.

Термоэлектрический термометр представляет собой два термоэлектрода 3 (тонкие проволоки диаметром 0,5 или 1,2 мм) из разных металлов, одни концы 1 (рис. 1.2) которых сварены между собой, а к другим разомкнутым свободным концам 4 подводятся соединительные првода. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, термоэлектроды, армированные изоляцией, помещают в защитную арматуру 2. Термоэлектрический термометр погружают в среду температуру которой необходимо измерить, на глубину L. Концы 1 называют рабочим концом термоэлектрического термометра (он находится в измеряемой среде), а концы 4 – свободным концом (он находится обычно в помещении цеха, лаборатории).

В настоящее время наибольшее распространение получили стандартные термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.

В последнее время были созданы термоэлектрические термометры с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами, предназначенные для измерения высоких температур. Однако они ещё не получили распространения для контроля температур технологических процессов в отрасли.

Из таблици видно, что наименьшую погрешность имеют платинородий-платиновые термометры, обеспечивающие также лучшую воспроизводимость термо-ЭДС. Положительным электродом у них является сплав платины с родием – платинородий, а отрицательным – чистая платина.Платинородий-платиновые термометры используют в качестве эталонных и образцовых.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, 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.

          Для измерения термо-э.д.с. термоэлектрических термометров, напряжений, а также других величин, связанных с напряжением определенной зависимости широко используется компенсационный метод.

          Принцип компенсационного метода основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой э.д.с. известным напряжением, полученным от строго определенного тока, называемого обычно рабочим, на сопротивлении с известным значением.

I на реохорде (компенсационном резисторе) Rp. При этом сопротивление компенсационной цепи должно быть неизменным, а источник питания должен обеспечивать неизменным, во время измерения, рабочий ток I. Вдоль компенсационного резистора Rp может перемещаться скользящий контакт – движок b, который с помощью провода соединен с одним зажимом переключателя П. К зажиму a реохорда Rp присоединен один зажим нулевого прибора НП, второй его зажим присоединен к переключателю П. Таким образом, с помощью переключателя нулевой прибор можно включить в цепь термоэлектрического термометра АВ или нормального элемента НЭ с ЭДС Енэ.

При изменении термо-ЭДС Е(b до тех пор, пока указатель нулевого прибора не установится на нулевой отметке шкалы. При выполнении этого условия падение напряжения на части реохорда Rp будет равно измеряемой термо-ЭДС Е(

ab.

          Компенсационный метод измерения термо-э.д.с. положен в основу принципа действия приборов, которые называются потенциометрами с постоянной силой рабочего тока.

 Принцип компенсационного метода, как описывалось выше, основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой термо-ЭДС известным напряжением,  полученным от рабочего тока строго определенного значения на известном сопротивлении. Принципиальная компенсационная схема уже была рассмотрена (см. рис. 1.3). Она соответствует электрической схеме переносного неавтоматического потенциометра.

Рассмотрим принцип работы автоматических потенциометров, получивших большое распространение в различных отраслях промышленности, компенсирующее напряжение регулируется не вручную, а автоматически, с помощью реверсивного двигателя. Упрощенная схема автоматического потенциометра представлена на рис 1.4.

Если измеряемая термо-ЭДС  не равна компенсирующему напряжению  (в виде напряжения постоянного тока) подается на входное устройство ВУ, представляющее собой преобразовательный элемент, в котором сигнал рассогласования  преобразуется в электрический сигнал переменного тока и подается на вход усилителя. Усиленный сигнал приводит в действие реверсивный двигатель РД. Выходной вал двигателя вращается в ту или иную сторону в зависимости от полярности сигнала  и через систему кинематической передачи перемещает движок  реохорда измерительной системы ИС, изменяя компенсирующее напряжение  до тех пор, пока оно не станет равным измеряемой термо-ЭДС  напряжению и мощности) выполняет ещё функцию нуль-прибора.

Автоматические потенциометры являются техническими общепромышленными приборами высокой точности. Допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения, не превышает  или

Шкалы автоматических потенциометров градуированы в градусах Цельсия или в милливольтах. Если шкала прибора градуированна в единицах температуры, на ней указывается тип термоэлектрического термометра. Использование такого прибора с другим термометром недопустимо.

            ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

          Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от –260 до 750

          В качестве материала для изготовления термометров сопротивления используются как чистые металлы, так и ряд полупроводников.

          Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры окружающей их среды.

Известно, что температурный коэффициент электрического сопротивления металлов положительный (сопротивление возрастает при повышении температуры), а полупроводников – отрицательный (сопротивление уменьшается при повышении температуры). Это объясняется различием в их молекулярном строении. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов вокруг своих положений равновесия. Число носителей тока – электронов проводимости – очень велико и не зависит от температуры. У полупроводников с увеличением  температуры резко возрастает число электронов проводимости (носителей тока), поэтому электрическое сопротивление резко уменьшается.

Металлические термометры сопротивления получившие наибольшее распространение, имеют чувствительный элемент в виде тонкой (диаметром 0,05 мм) проволоки 2, намотанной на слюдяную пластину 1 (или пластмассовый цилиндр) и помещенный в защитный чехол 3 (рис. 2.1). проволоку изготовляют в основном из чистых платины или меди. В соответствии с этим различают термометры сопротивления платиновые (ТСП) и термометры сопротивления медные (ТСМ).

У чистых металлов сопротивление больше, чем у сплавов, поэтому для изготовления термометров сопротивления используют чистые металлы.

Для металлических термометров сопротивления ТСП и ТСМ стандартных градуировок стандартизованы градуировочные таблицы, пользуясь которыми можно определить по измеренному значению сопротивления термометра температуру окружающей его среды и, наоборот, определить сопротивление термометра для различных значений температуры.

Металлические термометры сопротивления имеют следующие достоинства: высокую точность измерения, возможность использования в комплекте с ним измерительных приборов со стандартными шкалами, взаимозаменяемость, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору, возможность использования их с информационно вычислительными системами.

Для изготовления чувствительных элементов полупроводниковых термометров сопротивления (терморезисторов) применяют смеси различных полупроводниковых веществ: окислов меди и марганца, окислов кобальта и марганца, двуокиси титана и окисла магния и т.д. для измерения низких температур используется германиевый термометр сопротивления.

Чувствительный элемент терморезисторов изготовляют различной формы. Наиболее распространены формы в виде небольшого цилиндра, стержня, шайбы и бусинки. Для предохранения от возможных механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, чувствительный элемент покрывают эмалью, помещают в защитный чехол.

На рис. 2.2 а представлен полупроводниковый терморезистор, чувствительный элемент которого выполнен в виде небольшого цилиндрического стержня 8, покрытого эмалевой краской и металлической фольгой 3, с контактными колпачками 2, 4 и выводами 1, 5. снаружи терморезистор защищен чехлом 7, в верхней части которого имеется стеклянный изолятор 6.

Для выпускаемых промышленностью полупроводниковых терморезисторов (ПТР) зависимость их сопротивления от температуры, не превышающей 100

где  - сопротивление термометра при температуре Т, выраженной в кельвинах; А, В и b – постоянные коэффициенты, зависящие от материала термометра и его конструкции.

К достоинствам полупроводниковых термометров сопротивления относятся: большая чувствительность, которая примерно на порядок выше чувствительности металлических термометров сопротивления; малая инерционность, что имеет существенное значение для исследования нестационарных тепловых процессов; большое сопротивление (от единиц до сотен килоом), позволяющее не учитывать при измерении температуры изменение сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды.

Однако полупроводниковые терморезисторы имеют и ряд существенных недостатков, препятствующих широкому распространению их на производстве. К ним в первую очередь относится большой разброс температурных даже внутри одного и того же типа (значительно отличаются номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты для термометров одного и того же типа). Это исключает взаимозаменяемость и возможность получения градуировочной таблицы для определенного типа полупроводниковых терморезисторов. Каждый экземпляр терморезистора, предназначенный для измерения и сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально. К другим недостаткам относятся нелинейность зависимости электрического сопротивления от температуры и малая допустимая мощность рассеивания при прохождении измерительного тока.

При измерении температуры в промышленных условиях электрические 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.

Рассмотрим схему работы автоматического уравновешенного моста.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности. Они бывают показывающими, показывающими и самопишущими с записью или на дисковой, или на ленточной диаграмме. Приборы с ленточной диаграммой служат для измерения и записи температуры в одной точке (одноточечные) или в нескольких точках (многоточечные). Приборы с дисковой диаграммой изготавливаются только одноточечными. Шкала автоматических уравновешивающих мостов градуирована в градусах Цельсия с указанием её принадлежности к определенной градуировке термометра сопротивления.

По устройству автоматические уравновешенные мосты отличаются от автоматических потенциометров только измерительной схемой. На рис. 2.3 дана принципиальная схема автоматического уравновешенного моста. В измерительную схему входят; R1, R2 и R3 – резисторы, образующие три плеча мостовой схемы, четвертое плечо образовано сопротивлением  термометра;  - реохорд;  до заданного нормированного значения;  - резистор для установки диапазона измерения;   –  конденсатор, включенный параллельно управляющей обмотке реверсивного двигателя, шунтирует её для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке; СД – двигатель для перемещения диаграммной ленты или каретки печатающего устройства. Все резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки, следовательно, колебания температуры воздуха не влияют на значения сопротивлений этих резисторов.

Термометр сопротивления подключен к мосту по техпроводной схеме.

Измерение и запись температуры производятся следующим образом. Изменение сопротивления терморезистора  нарушает равновесие мостовой схемы, и в диагонали АВ моста возникает напряжение рассогласования, которое поступает на входной трансформатор, затем усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, вращаясь в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала рассогласования, перемещает движок реохорда и перо самописца СП. При достижения равновесия мостовой схемы выходной вал двигателя останавливается, а движок реохорда, указатель и перо самописца занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра, а следовательно, температуре измеряемого объекта.