Разработка комплекса приборов для измерения температур

Содержание

Введение

1.Техническое задание

2. Разработка и описание комплекса приборов для измерения температур

2.1. Разработка и описание манометрических термометров

2.2. Разработка и описание термометров электрического сопротивления

2.3. Разработка и описание термоэлектрических термометров

3. Метрологические характеристики и погрешности комплекса приборов для измерения температур

Литература

Приложение

Введение

Существуют два основных способа для 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:

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

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

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

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

5. Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

6. Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные термопреобразователи).

1. Техническое задание

1.1 Разработка комплекса приборов для измерения температуры.

1.2 Материалы научно-методических разработок кафедры ИСИТ.

1.3 Назначение и цель.

1.3.1 Данная система предназначена для измерения температуры, которая позволяет измерять температуру в пределах от 0 до 100С, имеющая измерительные каналы с погрешностью измерения 1%.

1.3.2 Разработка новой поверочной системы позволяющую измерять температуру с погрешность 1 %.

1.4 Требования к системе

1.4.1 Термометр соответствует требованиям ГОСТ.13417-76;

1.4.2 Термометр электрического сопротивления соответствует требованиям ГОСТу 6651-78;

1.4.3 Расширенный функциональный диапазон при решении поверочных задач.

1.4.4 Нормальные значения влияющих величин должны соответствовать стандартным параметрам по умолчанию.

1.4.5 Соблюдение условий поверки и положений согласно ГОСТа 8.161-75.

1.4.6 Поверка приборов производится при соблюдении следующих условий:

- температура окружающего воздуха должна быть в пределах 20±3°С;

- в процессе выдержки и поверки температура должна оставаться постоянной или изменяться за каждые 30 мин. не более чем на 0,5 и ГС для приборов класса точности 0,15 и 0,25 соответственно;

- относительная влажность окружающего воздуха, уровень вибрации, а также скорость изменения давления при поверке не должны превышать значений, указанных в ГОСТ 6521-72. Поверка приборов производится в соответствии с ГОСТ 8.161-75.

1.4.7 Поверка Согласно ГОСТов: ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия.

Исполнение для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. ГОСТ Р 50766-95 Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации. Основные требования.

1.5 Технические характеристики

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

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

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

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

1.5.5 Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

1.5.6 Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000°С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные термопреобразователи).

2. Разработка и описание комплекса приборов для измерения температур

2.1 Разработка и описание манометрических термометров

Манометрические термометры основаны на известной зависимости давления Р термометрического вещества в замкнутой системе с объемом V=const от температуры Т

PV=RT,

где R--универсальная газовая постоянная.

В качестве термометрического вещества могут использоваться разнообразные вещества, находящиеся в различном фазовом состоянии. В зависимости от этого выделяют основные три типа манометрических термометров: газовые, в которых система заполнена, как правило, инертным газом (азотом, реже водородом); жидкостные, в которых в качестве наполнителя используется жидкость (органические жидкости, редко ртуть); конденсационные, заполненные отчасти низкокипящей жидкостью, отчасти ее насыщенными парами. Вся система прибора заполнена термоманометрическим веществом.

Манометрические термометры состоят из замкнутой системы, в которую входят: первичный измерительный преобразователь ПИП; термобаллон ТБ; линия связи ЛС; капиллярная трубка КТ; измерительный преобразователь или прибор ИП; манометрический преобразователь МП.

Конструктивно манометрические термометры (рис.1) состоят из: термобаллон 1 в виде продолговатого стального или латунного цилиндра заключают в защитный кожух 5, соединяемый с объектом, в котором измеряют температуру. Кожух предохраняет ТБ от механического и химического разрушения и позволяет осматривать и заменять ТБ без нарушения герметичности объекта, ТБ соединяется с манометрическим преобразователем 3 с помощью медной соединительной капиллярной трубки

2. КТ защищена от механического повреждения гибкой стальной пружинящей трубкой 4, ее длина может доходить до 40 м. При нагревании ТБ давление вещества внутри замкнутой системы увеличивается.

Рис. 1 Манометрический термометр

Его увеличение воспринимается МП, который воздействует на отсчетное устройство показывающего или самопишущего прибора или на унифицированный стандартный преобразователь ГСП с выходным пневматическим или электрическим сигналом.

2.2 Разработка и описание термометров электрического сопротивления

Измерение температуры термометрами электрического сопротивления (ТС) основано на свойствах проводников и полупроводников изменять свое активное электрическое сопротивление при изменении их температуры.

Для большинства проводниковых ТС зависимость активного электрического сопротивления Rt при

{Rt=Ro(l+t)},

где Ro- начальное сопротивление проводника при t=to;

- температурный коэффициент электрического сопротивления.

Исходя из этой зависимости, можно сформулировать требования к материалам для ТС:

1 .В материалах предпочтителен большой температурный коэффициент

S _отн = (R/R)/ t

электрического сопротивления , так как относительная чувствительность ТС определяется из его значением;

Температурный коэффициент принято характеризовать, измеряя сопротивление проводника при t=0 °C, т.е. Ro , и при t=100°C, т. е. R₁₀₀, вычисляя его среднее значение

= ((R₁₀₀-R₀)/ R₀100)*(1/К)

или величину R₁₀₀/Ro, отн. ед., и разброс ±D.

2. Желательны проводники с большим удельным сопротивлением либо для достижения большого значения Ro, так как абсолютная чувствительность ТС определяется произведением

S_абц =DR/Dt = Ro*,

либо при выбранном Ro для уменьшения массы провода и улучшения инерционности ТС (при заданной его надежности).

3.Изменение сопротивления под действием температуры желательно иметь линейное или близкое к нему и однозначное (без гистерезисных явлений).

4.Выбирают материалы химически стойкие, неизменные во времени, легко воспроизводимые в химически и физически чистом виде.

В соответствии с этими требованиями для стандартных ТС (ГОСТ 6651-78) используется медь и платина. При температуре i полное сопротивление Rt платинового ТС определяется зависимостями-

для t>0⁰С R_t=R₀(1+At±Bt²),

для t<0⁰C R_t=R₀[1+At+Bt²+Ct³(t-100)]

для платины марки Пл-2, применяемой для стандартных ТС, коэффициенты имеют значения:

А =3,96847*10^-3 К^-1; В=5,847*10^-7 К^-2; С=--4,22х*10^-12 К^-4

а для медных ТС изменение сопротивления соответствует зависимости , где а=4.26*10^-3 1/К.

Рис.2 Термометр электрического сопротивления

Конструктивное устройство современных медных ТС приведено на рис.2. Он представляет собой бескаркасную безындукционную катушку из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой 2. К обмотке припаяны два вывода 3. Для обеспечения виброустойчивости и герметичности чувствительный элемент ТС помещается в тонкостенную металлическую гильзу с керамическим порошком и герметизируется.

2.3 Разработка и описание термоэлектрических термометров

Первичным измерительным преобразователем термоэлектрического термометра (ТТ) служит термопара, которая состоит из двух разнородных проводников (рис.3). Принцип действия термопары основан на образовании термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в спае двух разнородных проводников, если их температура изменяется вдоль проводников.

Если составить цепь из двух разнородных проводников, термоэлектродов А и В (рис.3), то возникает ТЭДС К, равная

Рис.3 Термоэлектрический термометр

Е = e_aв (t,t₀)=e_AB (t)+e_BA(to)),где t - ТЭДС при температуре t;

to -ТЭДС при температуре to.

Значение Е определяется, во-первых, разностью температур, при которой находятся спай 1, рабочий конец цепи и свободные концы цепи 2,2', и, во-вторых, контактной разностью потенциалов из-за разной работы выхода электронов у разнородных металлов, зависящей от температуры.

Поддерживая температуру одного из концов, например 2, постоянной, т.е. to=const получаем E=f(t). Если эту зависимость определить экспериментально, то такое устройство можно использовать для измерения температуры t, измеряя ТЭДС Е. При включении прибора ИП для измерения Е обязательным условием является одинаковая температура в точках подключения прибора к термоэлектродам 2,2'или 3,3',после удлинительных проводов (рис.3) .

Термоэлектродные материалы, предназначенные для изготовления термопар, должны отвечать следующим условиям: не изменять с течением времени своих физических свойств, значение ТЭДС этих материалов выбирают достаточным для точных измерений, которое должно изменяться однозначно в зависимости от температуры; температурный коэффициент электросопротивления их должен быть, по возможности, минимальным, а электропроводность и теплопроводность-высокой. Термопары в электрических термометрах конструктивно представляют собой два термоэлектрических проводника диаметрами от 0,5 до 3 мм , механически и с помощью сварки или пайки соединенных в месте рабочего спая. Остальную длину проводников изолируют асбестом, керамическими или кварцевыми бусами или трубками в зависимости от измеряемой температуры.

Термоэлемент помещают в защитную стальную трубку с водозащищенной головкой, колодкой зажимов и устройством для крепления в объект исследования.

Термоэлектрические термометры в отличие от термометров электрического сопротивления имеют малый объем чувствительного элемента (первичного измерительного преобразователя). Это позволяет измерять с помощью термопар в специальном конструктивном оформлении температуру в точке. Кроме того, сама термопара не требует источников вспомогательной энергии, но измерительные комплекты, пирометрический милливольтметр с компенсационным устройством или автоматический электронный потенциометр нуждаются в них.

Для измерения выходного сигнала термоэлектрического термометра Е_ТЭДС используются приборы прямого преобразования.

Пирометрические магнитоэлектрические милливольтметры и после унифицирующих преобразователей, магнитоэлектрические миллиамперметры (для 0-5 мА постоянного тока), и приборы уравновешивающего преобразования: автоматические электронные потенциометры.

3. Метрологические характеристики и погрешности комплекса приборов для измерения температур

Показания жидкостных и манометрических термометров расширения определяются температурой не только рабочего вещества, находящегося в непосредственном контакте с измеряемой средой, но и выступающей, неконтактирующей части рабочего вещества, которая находится в теплообмене с окружающей средой. Изменение температуры выступающей части относительно гравировочного значения вызовет изменение показаний термометра.

При измерении термо-ЭДС могут иметь место ошибки в оценке действительного значения термо-ЭДО термоэлектрического термометра, которые вызываются неучетом некоторых свойств термоэлектрических цепей, а также неправильной оценкой температуры свободных концов или неучетом свойств удлиняющих термоэлектродных проводов. Некоторые из этих свойств Термо-ЭДС цепи не изменится при включении в нес проводника из любого материала, если температура мест подключения одинакова. Удлиняющие термоэлектродные провода служат для удлинения термометра без искажения развиваемой им термо-ЭДС.

Свободными называются те концы термоэлектрггческого термометра, которые включаются в измерительную цепь. Если термоэлектрический термометр удлинен термоэлектродными проводами, то свободными концами термометра будут концы термоэлектродных проводов.

Удлиняющие термоэлектродные провода вносят свою долю в общую погрешность измерения. Например, предел основной допускаемой погрешности удлиняющих проводов для термоэлектрических термометров типа К равен ±0,16 мВ.

Удлиняющие термоэлектродные провода вносят свою долю в общую погрешность измерения

Допускаемые отклонения измеряемых значений термоэлектродвижущей силы, мВ, от градуировочных характеристик определяются из выражения:

De=[a+b(t-c)]S_T

t - температура рабочего конца термометра. °С; S_T=(de/dt)_T - коэффициент преобразования термометра.

определяемый на основе его градуировочной характеристики; а, b, с - коэффициенты

Допускаемые отклонения, выраженные в градусах, определяются частью выражения, заключенного в квадратные скобки.

Милливольтметр измеряет напряжение на собственных зажимах и его класс характеризует предел основной погрешности измерения именно этого напряжения (поэтому погрешность выражается в милливольтах даже при градусной шкале). При решении задач на расчет компенсации температурной погрешности следует иметь в виду, что значение вводимой поправки должно быть численно равно изменению термо-ЭДС термоэлектрического термометра при изменении температуры свободных концов. При расчете изменения показаний с изменением температуры свободных концов необходимо пользоваться выражением равновесия потенциометрической

схемы в общем виде, когда движок реохорда занимает произвольное положение.

Для медных термопреобразователей зависимость Т от t в интервале температур - 50 - +200°С может быть выражена как

где =4,28*10^-3К^-1.

Зависимость сопротивления полупроводниковых термометров от температуры имеет вид

где Т-текущее значение температуры К; Ro-значение сопротивления при температуре Т=293 К; В-коэффициент, зависящий от свойств полупроводникового материала.

Интервал изменения выходного тока у преобразователей всех градуировок и пределов преобразования составляет 0-5 или 4-20 мА.

Литература

1. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. - М.: Энергоатомиздат, 1985

2. Кузьмичев Д. А., Радкевич И. А., Смирнов А. Д. Автоматизация экспериментальных исследований. - М.: Наука, 1983.

3. Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г. И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации и систем управления,1981.

4. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979.

5. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие для техн. вузов. - М.: Высш. шк.,1991.

Приложения

Приложение 1

ПИП - первичный измерительный преобразователь.

ТБ - термобалон

ЛС - линия связи

КТ - капиллярная трубка

МП - манометрический

Преобразователь

ИП - измерительный прибор

Приложение 2

Перв примен

Преобразователь э. д. с. термопары в ток: а - блок-схема; б -- структурная схема; в -- статическая характеристика; 1 - усилитель; 2 - блок линеаризации; З -- термопара.

Приложение 3

ПИП - первичный измерительный преобразователь.

ТБ - термобалон

ЛС - линия связи

КТ - капиллярная трубка

МП - манометрический преобразователь

ИП - измерительный прибор

Приложение 4

Рисунок. Схема