Интеллектуальный датчик температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/



Аннотация

Выпускная квалифицированная работа на тему: «Интеллектуальный датчик температуры».

Основной текст работы изложен на 56 стр., содержит 20 схем. Библиографический список включает 30 источников.

Ключевые слова: анализ, эффективность, датчик температуры, рекомендации, регулятор температуры.

Объект исследования: регуляторы датчиков температуры. Цель работы заключается в исследовании интеллектуальных датчиков температуры.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. В работе рассмотрены теоретические основы работы интеллектуальных датчиков температуры. Проведен анализ параметров, влияющие на работу регуляторов температуры. В работе проведено моделирование работы регуляторов температуры в Matlab.

В результате исследования выявлено, что релейный регулятор почти неприменим для систем со значительным транспортным запаздыванием и для объектов без самовыравнивания, так как регулируемое значение далеко выходит за необходимые пределы регулирования. Преимущество использования ШИМ - это легкость изменения величины температуры при минимальных потерях. Преимуществом ПИД-закона перед иными методами оказывается то, что температура объекта в среднем стремится к заданному значению.



Abstract

Diploma work on the theme: «Smart temperature sensor». Diploma work consists of an explanatory note on 56 pages, including 20 figures, the bibliography list of 30 references.

Keywords: analysis, efficiency, temperature sensor, recommendations, temperature controller.

Object of research: regulators temperature sensors. The goal is to study of smart temperature sensors.

This project thesis consists of an introduction, 3 chapters, conclusions, and bibliography list. In the project theoretical bases of smart temperature sensors. The analysis of parameters that affect the operation of temperature control.

In this work the simulation of the temperature controllers in Matlab.

The study revealed that the relay controller is almost inapplicable for systems with significant transport delay and for objects without self-levelling, as adjustable value far beyond the necessary limits of regulation. The advantage of using PWM is the ease of changing the values of temperature with minimal loss. The advantage of the PID act in front of other methods is the fact that the temperature of the object at the average tends to a specified value.



Содержание

интеллектуальный датчик температура контроллер

Введение

1. Теоретические аспекты работы интеллектуальных датчиков температуры

1.1 Понятие об интеллектуальных датчиках температуры

1.2 Принцип работы интеллектуальных датчиков температуры

1.3 Постановка задачи исследования

2. Сравнение различных регуляторов температуры

2.1 Общий вид установки и блок программируемого контроллера

2.2 Параметры, влияющие на работу регуляторов температуры

2.3 Работа регуляторов датчиков

3. Оценка эффективности и надежности работы рассматриваемых регуляторов температуры

Заключение

Список использованных источников



Введение

Экспериментальные исследования некоторого явления или объекта, испытания промышленного изделия, управление процессами или механизмами немыслимы без измерений физических величин, которые характеризуют состояние объекта. Из-за этого в состав любой управляющей, испытательной или измерительной системы в роли важнейших компонентов входят датчики - первичные измерительные преобразователи. Главной функцией датчиков оказывается преобразование значений различных физических величин в электрическую - силу тока, напряжение, частотно-временной параметр электрического сигнала.

В данный момент датчики, которые являются главнейшими частям микропроцессорных систем управления технологическим производством и объектами, из однофункционального средства определения текущего значения измеряемых величин постепенно начинают превращаться в многофункциональные средства автоматизации, решающие целый ряд задач по преобразованию, диагностике измерительной информации, по выполнению простых алгоритмов управления и т.д. Данная многофункциональность становится возможна после оснащения встроенным микропроцессором датчиков. Стремительный рост мощности микропроцессоров, развитие микропроцессорной техники во время одновременного их резкого удешевления делают экономически выгодным включение их в датчики всех типов. На протяжении последних лет за датчиками со встроенными микропроцессорами закрепилось такое название, как «интеллектуальные датчики». Как в литературе, так и обиходной речи под данным термином понимают различные классы приборов по возможностям.

Интеллектуальный датчик может самостоятельно подстроиться под условия эксплуатации и регулировать свою чувствительность непрерывно для достижения максимальной эффективности. Микропроцессорным технологиям обязаны датчики своим интеллектом. Микропроцессор является мозгом датчика, который позволяет устройству «исследовать» условия, в которых оно функционирует. Оказывается самообучающейся микропроцессорной системой, данный датчик может обрабатывать с высокой скоростью довольно большие объемы информации. Как раз благодаря микропроцессорам в данный момент у пользователя есть довольно удобные в установке, применении и настройке датчики.

Одной из более значимых проблем, которые возникают при эксплуатации и создании судовых технических систем, оказывается обеспечение требуемой надежности и качества управления в ситуации возмущающих факторов, к ним относим изменения параметров среды функционирования системы и регулируемого процесса.

Управление сложными динамическими объектами происходит с помощью методов и технологий искусственного интеллекта как средства борьбы с неопределенностью внешней среды.

Стремительно развитие интегральной схемотехники приводит к формированию принципиально новейших измерительных преобразователей-интеллектуальных датчиков, которые содержат в одном корпусе микропроцессор и преобразователь, что позволит выполнять главные операции по повышению достоверности и преобразованию измерительной информации в месте ее возникновения.

Применение интеллектуальных датчиков (ИД) предоставляет возможность по-новому подойти к распределению функций между главными элементами систем управления и контроля, в том числе освободить центральный процессор от необходимости обработки большого объема первичной информации.

Цель выпускной работы состоит в исследовании интеллектуальных датчиков температуры.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

- исследовать понятие об интеллектуальных датчиках температуры;

- рассмотреть принципы работы интеллектуальных датчиков температуры;

- рассмотреть общий вид установки и блок программируемого контроллера;

- рассмотреть параметры, влияющие на работу регуляторов температуры;

- рассмотреть работу регуляторов датчиков температуры;

- провести оценку эффективности и надежности работы рассматриваемых регуляторов температуры.

Объектом выпускной работы являются регуляторы датчиков температуры.

Предметом работы выступает процесс работы интеллектуальных датчиков температуры.

В процессе написания выпускной квалифицированной работы были использованы следующие научные методы: анализ, синтез, обобщение, группировки, планирование, прогнозирование.

Структура работы. Цель и задачи исследования обусловили структуру работы, которая состоит из введения, основной части, которая включает три главы, заключения, списка использованных источников и литературы.



1. Теоретические аспекты работы интеллектуальных датчиков температуры

1.1 Понятие об интеллектуальных датчиках температуры

Для того, чтобы управлять сложными техническими процессами (объектами) с динамично меняющимся состоянием необходимы распределенные компьютерные системы, которые способны решать задачи в высоком темпе реального времени. Во время создания распределенных систем акцент делают на развитие и использование распределенных вычислений, интеллектуальной обработки информации и распараллеливаемых интеллектуальных методов управления. В данный момент времени это относится к низовому уровню управления. Интеллектуальными узлами систем управления оказываются уже не только промышленные контроллеры и компьютеры, ими становятся еще исполнительные устройства и датчики.

Действительно, сложные, функционально насыщенные системы сбора и обработки технологической информации требуют применения датчиков, способных на что-то еще помимо выдачи сообщений об уровне сигналов или просто о включении-выключении элементов оборудования. Совершенствование современных электронных устройств обусловлено, в первую очередь, высокими темпами развития микроэлектроники. Непрерывное снижение стоимости микропроцессорных элементов и стремительный рост их функциональных возможностей позволяют встраивать эти чипы во все меньшие по размерам изделия. Именно с изменением элементной базы электронных устройств обработки сигналов первичных преобразователей связано появление нового поколения датчиков - получивших название интеллектуальных [1].

Термин «интеллектуальные» употребляется в узком смысле в отношении к устройствам, которые за счет применения в них переработки информации приобретают новейшие функциональные возможности. У датчиков интеллект, как и у людей, может проявляться в самых разных формах. Задачей специалиста по автоматизированным системам является выбрать необходимое «умное» устройство.

Микропроцессорным технологиям обязаны датчики своим интеллектом. Микропроцессор является мозгом датчика, который позволяет устройству «исследовать» условия, в которых оно функционирует. Оказывается самообучающейся микропроцессорной системой, данный датчик может обрабатывать с высокой скоростью довольно большие объемы информации. Как раз благодаря микропроцессорам в данный момент у пользователя есть довольно удобные в установке, применении и настройке датчики.

Большое количество технологических процессов проходит сейчас по пути автоматизации. Помимо этого, управление многочисленными агрегатами и механизмами, а иногда и машинами просто будет немыслимым без точных измерений физических величин. Не маловажными оказываются измерение угловой скорости, измерение давления, а еще линейной и многие-многие иные. Но к самым распространенным (приблизительно 50%) относят температурные измерения. Например, средняя по размеру атомная станция имеет приблизительно 1500 измерительных (контрольных) точек, а в крупном химпроизводстве насчитывают уже приблизительно 20 тыс.

В связи с тем, что диапазон измерений и их условия иногда сильно отличаются друг от друга, разрабатывают различные по быстродействию, точности и помехоустойчивости типы датчиков (и первичных преобразователей). В независимости от типа температурного датчика, общим для всех оказывается принцип преобразования. А как раз: измеряемая температура будет преобразоваться в электрическую величину (первичный преобразователь отвечает именно за это). Это будет обуславливаться тем, что электрический сигнал можно передавать на большие расстояния (скорость приема-передачи высокая), легко обрабатывать (точность измерений высокая) и быстродействие.

Рассмотрим разнообразные виды датчиков температуры.

Типы датчиков температуры по типу действия [24]:

1) Терморезистивные термодатчики -- базируются на принципе изменения электрического сопротивления (проводника или полупроводника) во время изменения температуры. Впервые они были разработаны для океанографических исследований. Главным элементом оказывается терморезистор, он является элементом изменяющий в зависимости от температуры окружающей среды свое сопротивление.

Несомненными преимуществами термодатчиков данного типа являются высокая чувствительность, долговременная стабильность, а еще простота формирования интерфейсных схем.

На рисунке 1 приведен датчик 702-101BBB-A00, его диапазон измерения от -50 до +130 °С. Данный датчик относят к группе кремневых резистивных датчиках. Обратим внимание, на его размеры. Данный датчик производит фирма Honeywell International.

Рис. 1 Датчик 702-101BBB-A00

Зависимо от материалов, которые используются для производства терморезистивного датчика, различают:

- Резистивные детекторы температуры (РДТ). Данные датчики состоят из металла, чаще всего платины. Любой металл меняет свое сопротивление во время воздействии температуры, но применяют платину, в связи с тем, что она обладает долговременной стабильностью, воспроизводимостью и прочностью характеристик. Для измерений температур больше 600 °С можно использовать также вольфрам. Минусом данных датчиков оказывается нелинейность характеристик и высокая стоимость.

- Кремневые резистивные датчики. Преимуществами данных датчиков оказываются высокая долговременная стабильность и хорошая линейность. Также данные датчики можно встраивать прямо в микроструктуры.

- Термисторы. Данные датчики изготавливают из металл-оксидных соединений. Эти датчики могут измерять лишь абсолютную температуру. Значимыми недостатком термисторов оказывается большой нелинейностью и необходимость их калибровки, а еще старение, но все же во время проведения всех необходимых настроек можно использовать для прецизионных измерений.

2) Полупроводниковые. В роли примера представлен полупроводниковый датчик температуры LM75A, который выпускается фирмой NXP Semiconductors (рис. 2). У данного датчика диапазон измерений составляет от -55 до +150 [13].

Рис. 2 Полупроводниковый датчик температуры LM75A

Полупроводниковыми датчиками регистрируются изменения характеристик p-n перехода под воздействием температуры. В роли термодатчиков можно использовать любые биполярные транзисторы или диоды. Дает возможность реализовать достаточно точный датчик пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах).

Достоинства данных датчиков -- низкая стоимость и простота, маленькая погрешность, линейность характеристик. Помимо этого, данные датчики можно формировать на кремневой подложке. Данные показатели делают полупроводниковые датчики весьма востребованными.

3) Термоэлектрические преобразователи иначе называют термопары. Они функционируют на основании принципа термоэлектрического эффекта, т. е. благодаря тому, что во всех замкнутых контурах (из двух разнородных проводников или полупроводников) возникнет электрический ток, в ситуации, когда места спаев по температуре отличаются. Так, рабочий конец термопары погружается в среду, а свободный (другой) - нет. Следовательно, получается, что термопары являются относительными датчиками, и выходное напряжение зависит от разности температур двух частей. И практически не зависит от абсолютных их значений. Пример термопары представлен на рисунке 3. Данной термопарой ДТПКХХ4 измеряется температура в пределах от -40 до +400. Данный датчик производит отечественная компания Овен [5].

Рис. 3 Термопара ДТПКХХ4

Диапазон температур, измеряемых с их помощью, составляет от -200 до 2200 градусов, и зависит напрямую от применяемых в них материалов. К примеру, термопара из неблагородных металлов измеряет до 1100 °С. Термопары из платиновой группы (благородных металлов) измеряет от 1100 до 1600 градусов. В случае, когда нужно произвести замеры температур больше данного значения, используют жаростойкие сплавы (вольфрам служит основой). Как правило, используют в комплекте с милливольтметром, а конструктивно выведенный на головку (свободный конец) удален от измеряемой среды, используя удлиняющий провод. Одним из недостатков термопары оказывается довольно большая погрешность. Более распространенным способом использования термопар оказываются электронные термометры.

4) Пирометры являются бесконтактными датчики, которые регистрируют излучение, которое исходит от нагретых тел. Главным достоинством пирометров оказывается то, что отсутствует необходимость помещать датчик в контролируемую среду. В результате данного погружения часто происходят искажения изучаемого температурного поля, в том числе и уменьшение стабильности характеристик данного датчика.

Существует три вида пирометров [16]:

- Флуоресцентные. Во время измерения температуры с помощью флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, чью температуру нужно измерить, наносится фосфорный компонент. После объект подвергают влиянию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате него появляется послеизлучение флуоресцентного слоя, его свойства зависят от температуры. Данное излучение анализируется и детектируется.

- Интерферометрические. Интерферометрические датчики температуры основываются на сравнении свойств двух лучей - пропущенного и контрольного через среду, ее параметры изменяются зависимо от температуры. Чувствительным элементом данного типа датчиков чаще всего оказывается тонкий кремниевый слой, на его коэффициент преломления, а, следовательно, и на длину пути луча, воздействует температура.

- Датчики на основании растворов, которые меняют цвет во время температурного воздействия. В данном типе датчиков-пирометров применяют хлорид кобальта, его раствор имеет тепловую связь с объектом, его температуру нужно измерять. У раствора хлорида кобальта коэффициент поглощения видимого спектра будет зависеть от температуры. Во время изменения температуры изменяется величина света, прошедшего через раствор.

5) Акустические термодатчики применяются чаще всего для измерения высоких и средних температур. Данный датчик основывается на принципе того, что зависимо от изменения температуры, изменяется в газах скорость распространения звука. Он состоит из приемника акустических волн (разнесенных пространственно) и излучателя. Излучателем испускается сигнал, проходящий через изучаемую среду, скорость сигнала в зависимости от температуры изменяется, и приемником после получения сигнала данная скорость считается.

Применяются для установления температур, которые измерить контактными методами нельзя. Также применяют в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, к примеру, в онкологии. Недостатками данных измерений оказывается то, что во время прикосновения они могут вызвать ответные физиологические реакции, что повлечет за собой искажение измерения глубинной температуры. Помимо этого, могут появляться отражения на границе «датчик-тело», это также может вызвать погрешности.

6) Пьезоэлектрические. В датчиках данного типа основным элементов оказывается кварцевый пьезорезонатор.

Как известно пьезоматериал меняет свои размеры во время воздействия тока (прямой пьезоэффект). На данный пьезоматериал попеременно передают напряжение различного знака, от этого он начнет колебаться. Выяснили, что частота колебаний данного резонатора будет зависеть от температуры, данное явление положено в основание пьезоэлектрического датчика температуры.

При выборе датчиков температуры необходимо обратить внимание на [27]:

- температурный диапазон;

- можно ли датчик погружать в измеряемый объект или среду. Когда недопустимо расположение внутри среды, то необходимо выбирать пирометры и акустические термометры;

- условия измерений. Когда применяется агрессивная среда, то нужно применять или датчики в корозийнозащитных корпусах, или применять бесконтактные датчики. Помимо этого, нужно предусмотреть иные условия: давление, влажность и т.д.

- длительность работы датчика без калибровки и замены. Некоторые виды датчиков имеют относительно низкую долговременную стабильность, к примеру, термисторы.

- то, какой необходим выходной сигнал. Некоторыми датчиками выдается выходной сигнал в величине тока, а некоторыми автоматически пересчитывается в градусы.

- иные технические параметры, такие как: напряжение питания, время срабатывания, погрешность и разрешение датчиков. Для полупроводниковых датчиков значимым также оказывается тип корпуса.

1.2 Принцип работы интеллектуальных датчиков температуры

Интеллектуальные датчики температуры, независимо от типа используемого в них чувствительного элемента, подразделяются на два класса:

- в одной точке объекта производят измерение точечные датчики;

- в многозонных (многоточечных) датчиках имеются в своем составе от нескольких до больше десятка температурных чувствительных элементов и используются для измерения в объекте профиля температуры или установления конкретных функций от ряда температурных сенсоров (к примеру, средней температуры объекта).

Преобразователем интеллектуального температурного датчика, обычно, как минимум, получаются от всех чувствительных элементов датчика текущие данные, производится усиление милливольтных сигналов чувствительных элементов, линеаризация показаний, компенсация температуры холодного спая термопары, заданных вычислительных операций с измеренными данными (в особенности значимые во время использования в датчике ряда температурных элементов), преобразование сигналов в типовые цифровые и аналоговые выходные данные, с типовыми полевыми сетями обмен информацией.

В основании работы любых температурных датчиков, которые используются в системах автоматического управления, находится принцип преобразования в электрическую величину измеряемой температуры. Это обусловливается такими достоинствами электрических измерений, как [7]:

- удобно передавать на расстояние электрические величины, при этом передача реализуется с высокой скоростью;

- электрическая величина универсальна в том смысле, что все другие величины можно преобразовать в электрические и напротив;

- они довольно точно преобразуются в цифровой код, а также позволяют достигнуть чувствительности, быстродействия и высокой точности средств измерений.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (термо-резисторов) основывается на изменении электрического сопротивления полупроводников и проводников зависимо от температуры. Материал, из которого изготавливают такой датчик, обладает высоким температурным коэффициентом сопротивления, в случае возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, инертностью к воздействиям окружающей среды и хорошей воспроизводимостью свойств. В большей степени данным свойствам удовлетворяет платина; в меньшей - медь.

Платиновые терморезисторы предназначаются для измерения температур в границах от -260 до 1100 ⁰С. В таком диапазоне температур, как от 0 до 650 ⁰С их применяют в роли эталонных и образцовых средств измерений, при этом нестабильность градуировочной характеристики данных преобразователей не может быть выше 0,001 ⁰С.

Платиновые терморезисторы имеют высокую стабильность и воспроизводимость харакетристик. К их недостаткам относят нелинейность функции преобразования и высокую стоимость. Из-за этого они применяются для точных измерений температур в определенном диапазоне [11].

Тепловую инерционность стандартных термометров сопротивления можно охарактеризовать с помощью показателя тепловой инерции (постоянной времени), его значения располагаются в границах от десятков секунд до единиц минут. Постоянную времени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивления можно уменьшить до 0,1 с. Находят использование еще никелевые термометры сопротивления. У никеля относительно высокое удельное сопротивление.

Обладают полупроводниковые датчики температуры высокой стабильностью характеристик во времени и используются для изменения температур в рамках от -100 до 200 ⁰С. С участием термопреобразователей сопротивления измерительная схема чаще всего оказывается мостовой; уравновешивание моста реализуется, используя потенциометр.

Во время изменения сопротивления терморезистора соответственно меняется положение движка потенциометра, его положение относительно шкалы создает показание прибора; шкалу градуируют непосредственно в единицах температуры.

Недостатком данной схемы включения оказывается вносимая погрешность проводами подключения терморезистора; так как из-за изменения сопротивления проводов во время изменения температуры окружающей среды компенсация данной погрешности невозможна, используют трехпроводную схему включения проводов, во время использования которой сопротивления подводящих проводов будут в разнообразных ветвях, и их воздействие существенно снижается.

Принцип действия термопар основывается на термоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что в замкнутом контуре, который состоит из двух разнородных полупроводников (или проводников), течет ток, когда места спаев проводников имеют разнообразные температуры. Когда берут замкнутый контур, который состоит из разнородных термоэлектродов (проводников), то на их спаях будут возникать термо-ЭДС E(t) и E(t0), которые зависят от температур данных спаев t и t₀. В связи с тем, что данные термо-ЭДС будут включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС, которая действует в контуре, будет равна E(t) - E(t0).

Во время равенства температур у обоих спаев результирующая термо-ЭДС будет равняться нулю. Спай, который погружается в контролируемую среду, называют рабочим концом термопары, а свободным - второй спай. У всех пар однородных проводников величина результирующей термо-ЭДС зависит лишь от природы проводника и от температуры спаев, в свою очередь не зависит от распределения вдоль проводников температуры [22].

В любом месте можно разомкнуть термоэлектрический контур и включить в него несколько или один разнородный проводник. Когда все возникшие при этом места соединений располагаются при одинаковой температуре, то результирующая термо-ЭДС, которая действует в контуре, не будет изменяться. Это применяется для измерения термо-ЭДС термопары. Формируемая термопарами ЭДС сравнительно мала: она не больше 8 мВ на каждые 100 ⁰С и чаще всего не выше по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерить температуру в диапазоне, который составляет от -200 до 2200⁰С. Для того, чтобы измерить температуру до 1100 ⁰С применяют чаще всего термопары из неблагородных металлов, для того, чтобы измерить температуру от 1100 до 1600 ⁰С используют термопары из сплавов платиновой группы и благородных металлов, а для измерения наиболее высоких температур - термопары из жаростойких сплавов (на основании вольфрама).

Милливольтметр (электроизмерительный прибор) или измерительный усилитель термо-ЭДС можно подключать к контуру термопары на основании двух способов: в один из термоэлектродов или в свободный конец термопары; выходная термо-ЭДС в данном случае от способа подключения измерительного устройства зависеть не будет. Как указано ранее, во время измерения температуры свободные концы термопары должны быть при постоянной температуре, но обычно, свободные концы термопары конструктивно выводят на зажимы на ее головке, а значит, находятся в непосредственной близости от объектов, чья температура измеряется.

Чтобы отнести данные концы в зону с постоянной температурой, применяют удлиняющие провода, которые состоят из двух жил, которые изготовлены из металлов или сплавов, которые имеют одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра [3].

Для устранения погрешности на практике широкое использование находит автоматическое введение поправок на температуру свободных концов термопары. Для данного процесса в цепь милливольтметра или термопары включают мост, одним из его плеч оказывается медный терморезистор, а остальные образуются манганиновыми терморезисторами. В время температуры свободных концов термопары, которые равны 0 ⁰С, мост располагается в равновесии; во время отклонения температуры свободных концов термопары от 0 ⁰С напряжение на выходе моста не будет равно нулю и будет суммироваться с термо-ЭДС термопары, внося в показании прибора поправку (значение поправки будет регулироваться специальным резистором). Из-за нелинейности функции преобразования термопары не происходит полная компенсация погрешности, но данная погрешность значительно снижается.

Телескоп входит в типичный радиационный пирометр, он состоит из окуляра и объектива, внутри него располагается батарея из последовательно соединенных термопар. На платиновом лепестке находятся рабочие концы термопар, он покрыт платиновой чернью. Телескоп наводят на объект измерения так, чтобы изображение объекта полностью перекрывал лепесток, и чтобы вся энергия излучения воспринималась термобатареей. Термо-ЭДС термобатареи оказывается функцией мощности излучения, а, значит, и температуры тела.

Радиационные пирометры градуируют по излучению абсолютно черного тела, из-за этого неточность оценки коэффициента неполноты излучения будет вызывать погрешность измерения температуры. Оптические (яркостные) пирометры используют для того, чтобы измерять температуру от 500 до 4000 ⁰С. Они основываются на сравнении в узком участке спектра яркости изучаемого объекта с яркостью фотометрической лампы (образцового излучателя). Фотометрическую лампу встраивают в телескоп, который имеет окуляр и объектив.

Яркостными пирометрами обеспечивается наиболее высокая точность измерений температуры, чем радиационными.

Их основная погрешность обусловливается поглощением излучения промежуточной средой, через которую производят наблюдение, и неполнотой излучения реальных физических тел [18].

Цветовые пирометры основываются на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, которые выбираются чаще всего в синей или красной части спектра; они применяются для того, чтобы измерять температуры в диапазоне от 800 ⁰С. Чаще всего в цветовом пирометре содержится один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами.

Для того, чтобы измерить температуру от -80 до 250 ⁰С часто используют так именуемые кварцевые термопреобразователи, которые используют зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа этих датчиков основывается на том, что зависимость частоты преобразователя от линейности функции преобразования и температуры меняются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца.

У кварцевых термопреобразователей высокая чувствительность (до 103Гц/К), высокая временная стабильность и разрешающая способность, что и устанавливает перспективность. Эти датчики широко применяют в цифровых термометрах.

Действие шумовых термометров основывается на зависимости от температуры шумового напряжения на резисторе.

Практическое осуществление метода измерения температуры на основании шумовых резисторов состоит в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из них располагается при известной температуре, а иной - при измеряемой. Шумовые датчики применяются, обычно, для того, чтобы измерять температуру в диапазоне -270 - 1100 ⁰С.

Термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР-термометры) основываются на взаимодействии квадрупольного электрического момента ядра, который вызван отклонением от сферической симметрии распределения заряда ядра, и градиента электрического поля кристаллической решетки.

Данное взаимодействие будет обусловливать прецессию ядер, ее частота зависит от градиента электрического поля решетки и для разнообразных веществ имеет размер от сотен килогерц до тысяч мегагерц [9].

Зависит от температуры градиент электрического поля решетки, и с увеличение температуры частота ЯКР уменьшается.

Датчик ЯКР-термометра выступает в роли ампулы с веществом, которая заключена внутрь катушки индуктивности, которая включена в контур генератора. Во время совпадения частоты генератора с частотой ЯКР будет происходить поглощение энергии от генератора. В свою очередь погрешность измерения температуры -263 ⁰С будет составлять ± 0.02 ⁰С, а температуры 27 ⁰С - ± 0.002 ⁰С.

Достоинством ЯКР-термометров оказывается его стабильность, неограниченная во времени, а недостатком - значительная нелинейность функции преобразования.

Объемные (дилатометрические) датчики измерения температуры основываются на явлении сжатия (расширения) твердых тел, газов или жидкостей во время увеличения (уменьшения) температуры.

Акустические термометры основываются на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры, их используют в основном диапазоне высоких и средних температур.

В акустическом термометре содержится пространственно разнесенный излучатель акустических волн и их приемник, чаще всего включаемый в цепь автогенератора, его частота колебаний изменяется с изменением температуры; чаще всего данный датчик применяет и разнообразного типа резонаторы [15].

1.3 Постановка задачи исследования

В основу дипломной работы положена следующая рабочая гипотеза: выбор рационального регулятора температуры для интеллектуального датчика температуры может быть произведен в результате сравнительного анализа различных регуляторов температуры.

В связи с изложенным предложением, определена цель исследований: научное обоснование эффективного выбора регулятора температуры в интеллектуальных датчиках.

Исходя из цели исследований, анализа литературных данных были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть понятие об интеллектуальных датчиках температуры;

- изучить принцип работы интеллектуальных датчиков температуры;

- провести сравнение различных регуляторов температуры;

- рассмотреть общий вид установки и блок программируемого контроллера;

- изучить параметры, влияющие на работу регуляторов температуры;

- проанализировать работу ПИД-регулятора и ШИМ-регулятора;

- провести оценку эффективности и надежности работы рассматриваемых регуляторов.



2. Сравнение различных регуляторов температуры

2.1 Общий вид установки и блок программируемого контроллера

Siemens Logo (торговая марка LOGO!) является логическим контроллером концерна Siemens AG или программируемым реле. Программируется, используя языки LAD (Ladder Diagram) или FBD (Function Block Diagram), напрямую клавишами на лицевой панели ПЛК или используя для ПК программный пакет LOGO! Soft Comfort. В зависимости от модели имеет несколько релейных выходов и каналов дискретного и аналогового ввода-вывода. Может использоваться для того, чтобы управлять электроприводами мощностью до 4 кВт. Поддерживается модульная архитектура, начиная с версии -0BA3 (до 7 модулей расширения). Версией -0BA6 поддерживается модуль аналогового ввода, модуль аналогового вывода, модуль для термометров сопротивления с градуировкой pt100 и ПИ-регулирование. Проведем анализ различных версий контроллера LOGO!.

Версией контроллера LOGO! 0BA6 поддерживается «Текстовый дисплей» --LOGO!TD, существенно расширяющий возможности построения диалога с оператором, или выносной терминал оператора. Для того, чтобы разработать коммуникационную программу под обновленную аппаратную версию ?0BA6 -- выпустили обновленный пакет LOGO! Soft Comfort V6.0. Помимо расширений для работы с текстовым дисплеем (отображение аналоговых значений, гистограммы, бегущая строка и пр.) появились блоки ШИМ-регулирования, арифметических функций, модемная связь между ПК и LOGO! (удаленные выгрузка, загрузка, онлайн-тестирование программы) и пр.

К базовым параметрам контроллера относим:

- 38 встроенных функций;

- возможность применения до 200 функциональных блоков во время написания программы;

- значительно повышен объём памяти (по сравнению с моделями прошлых серий на 50 %);

- в базовых модулях повышено число аналоговых входов до четырех;

- в базовых модулях четыре скоростных счётчика (до 5 кГц);

- на панели текстового дисплея поддержка десяти языков

- функцией Teleservice упрощается управление модулем, и могут быть использованы для диагностики неисправностей и удаленного устранения;

- для расширения и обновления функций функционирующих систем необходима замена лишь базовых модулей.

У версии контроллера LOGO! 0BA7 имеется встроенный интерфейс Ethernet, который предназначен для программирования, для соединения с иными компонентами автоматизации семейства SIMATIC или LOGO! 0BA7 (до 8). Еще имеется слот для карт памяти SD. К базовым параметрам контроллера можно отнести:

- 43 встроенных функции

- возможность применения до 400 функциональных блоков во время написания программы;

- на базе Logo Siemens была разработана версия Siplus для расширенного диапазона рабочих температур. Siplus поддерживает рабочие температуры.

Программирование с экрана модуля: осуществляется на языке FBD. Процесс программирования заключается в выборе необходимой функции из библиотеки, определении привязок к входам выходам или другим функциям, а также установки параметров функции при необходимости. Данный вид программирования очень сложен и требует большого внимания. Его использование целесообразно скорее для корректировки существующей программы чем для набора программы с нуля (за исключением только очень простых программ).

Программирование модулей LOGO!Basic можно выполнить с клавиатуры, используя встроенный дисплей. Процесс программирования будет сводиться к заданию параметров настройки (значений счетчиков, задержек выключения / включения и т.д.) и последовательному соединению функциональных встроенных блоков. Для того, чтобы выполнить данные операции применяют систему встроенных меню. Готовую программу можно скопировать в модуль памяти.

Все встроенные функции будут храниться в виде двух библиотек в памяти логического модуля. В библиотеке GF содержится набор функций, который выполняет все основные логические операции. В нее были собраны специальные функции: счетчики, триггеры, импульсные реле, таймеры, генераторы импульсов, компараторы и т.д.

Программное обеспечение LOGO!Soft Comfort может позволить производить отладку и разработку программ для LOGO! на компьютере, эмулировать работу алгоритма и документировать программы. Имеется функция программирования в виде релейно-контактных схем и функциональных блоков. Пакет LSC V8.0 может позволить выполнять разработку программ логических модулей любого поколения и способен работать на программаторах / компьютерах с операционной системой:

- 32-разрядная версия Windows XP Professional;

- Windows 7;

- Windows 8;

- Kernel 3.0.76, SUSE Linux 11.3 SP2 для всех дистрибутивов, которые работают с Java 2;

- MAC OS X Lion; MAC OS X 10.6 Snow Leopard; MAC OS X Maveriks; MAC OS X Mountain LION.

В данный момент времени доступны LOGO! шестого поколения на рынке.

Отличиями от старшего семейства являются:

- на борту логистических модулей отсутствие Ethenet -интерфейса;

- отсутствие возможности сетевых подключений;

- программные блоки на программу не должны превышать 200 функциональных блоков;

- имеются коммуникационные модули, позволяющие производить подключение логических модулей к сетям EIB/KNX, LON и AS-Interface. В такой сети, как AS-Interface, модули LOGO! будут выполнять функции ведомых устройств, а в сетях LON и EIB/KNX - ведущих и ведомых устройств. Коммуникационные модули рекомендуют установить в линейке расширения последними. Для того, чтобы параметрировать модули LON и EIB/KNX нужно специальное программное обеспечение ETS3;

- необходима специализированная ката памяти LOGO!;

- у модулей LOGO! 0BA8 имеется собственный набор модулей расширения, и они не могут работать с модулями расширения прошлых версий;

- отсутствует функция архивирования.

На рисунке 4-6 приведен общий вид установки, блок программируемого контроллера, который необходим для обмена данными с программным обеспечением, и модель отапливаемого помещения, когда процесс запущен - внутри загорается лампочка, когда нагрев отключен- лампочка не горит.

Рис. 4 Общий вид установки



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Блок программируемого контроллера

Рис. 6 Модель отапливаемого помещения

Описание схемы в среде LOGO!Soft Comfort (рис. 7-11).



Рис. 7 Схема для релейной термостабилизации

Рис. 8 Параметры для задающего воздействия

Для входов и выходов мы можем задать только номер входа, на который будут подаваться воздействия либо приходить выходной согнал.



Рис. 9 Параметры усилителя

Для усилителя мы можем задать 2 параметра усиление и смещение.

Рис. 10 Параметры аналогового компаратора

Усиление и смещение задаются, как и для усилителя. Также есть возможность задавать порог, при котором установка будет отключаться.

Рис. 11 Параметры задержки включения и выключения

Задаем задержку включения и отключения, т.е. через какое время будет срабатывать установка после получения сигнала.

С помощью этой схемы система обеспечивает заданную пользователем температуру в помещении (помещение имитирует стенд «Модель отапливаемого помещения»). Нагреватель работает в релейном режиме (т.е. выключается при достижении заданного параметра и включается, когда начинается остывание).

2.2 Параметры, влияющие на работу регуляторов температуры

Поддерживать нужную температуру можно различными способами, но все же, самым распространенным оказывается способ, который основан на использовании специальных устройств, которые называются регуляторами температуры.

Регулятор температуры или терморегулятор является прибором, предназначенный для поддержания и регулирования температуры среды в статике (аквариум, бак, и др.) и движении (трубопровод) [4].

На современной стадии развития техники, в системах вентиляции, водоснабжения, отопления и др., применяются терморегуляторы двух принципиально различных типов:

- непрямого действия,

- прямого действия.

И если к регуляторам температуры непрямого действия можно отнести в основном электронные приборы, в них для активации механизма, регулирующего температуру, применяется энергия от какого-нибудь внешнего источника, разобраться в их строении довольно сложно; то к регуляторам прямого действия можно отнести механические устройства.

1) Устройство регуляторов температуры непрямого действия в общем виде можно описать следующей схемой: датчик температуры - электронный блок регулировки и обработки - регулирующий механизм охлаждения/подогрева.

Терморегуляторы непрямого действия бывают плавного и скачкообразного действия.

- К регуляторам температуры непрямого скачкообразного действия относим регуляторы типа «on/off». В данных терморегуляторах применяется или запорный клапан, или нагревательный элемент, отключающийся, как только температура на датчике достигнет определенного, заранее заложенного значения, и включится во время снижения температуры на определенное число градусов (запорный клапан также или открыт, или закрыт - холодная или горячая среда не поступает/ поступает в емкость). Данные терморегуляторы называются релейными, а к их основным недостаткам относим повышенное потребление энергии, температурную амплитуда и невысокую точность.

- Регуляторы температуры плавного непрямого действия подразделяют на PID- и пропорциональные регуляторы. Использование пропорциональных регуляторов температуры непрямого действия может позволить избежать циклических колебаний температуры во время снижения средней потребляемой мощности терморегулятора. В свою очередь PID-регулятор выступает в роли настраиваемого пропорционального регулятора с двумя дополнительными настройками, что может позволить ему автоматически оперативно компенсировать малейшую смену температуры в разнообразных системах небольшого объема и массы с малой инерционностью [19].

2) Регуляторы температуры прямого действия для того, чтобы активировать регулирующий механизм получают энергию, напрямую, от чувствительного элемента, при этом, не требуется для регуляции присутствие дополнительных источников энергии, что является в особенности важным в сферах коммунального хозяйства, в промышленности и на производствах.

Регулятор температуры прямого действия выступает в роли запорного клапана изменяемого проходного сечения, управление им реализуется с помощью термостатического чувствительного элемента.

Принцип работы регулятора температуры прямого действия заключается в том, что жидкость или газ в замкнутой емкости установленного объема под влиянием температуры или сужается, или расширяется, создав при этом, давление, которого достаточно для влияния на регулирующий механизм.

В роли замкнутой емкости будет выступать внутренняя полость температурного датчика, заполняющаяся рабочей средой. Температурный датчик, в данном случае, будет соединяться с сильфоном регулятора с помощью капиллярной трубки. При уменьшении или увеличении температуры окружающей среды уменьшается или увеличивается, соответственно, и объем рабочего газа или жидкости внутри температурного датчика, что, бесспорно, приводит к изменению давления внутри термодатчика, передающееся на сильфон с помощью капиллярной трубки. Сильфон, который способен под действием давления, менять свои геометрические размеры: или вытягивается при повышении давления, или втягивается при его снижении. К верхней части сильфона прикрепляется шток, который, влияя на заслонку регулирующего клапана, закрывает или открывает её. Следовательно, будет происходить регулирование интенсивности потока теплоносителя, что приведет к понижению или повышению температуры после регулятора.

В свою очередь клапан регулятора температуры этого типа - по сути, является обычным линейным односедельный клапан, который разгружен по давлению. Данный клапан абсолютно идентичен иным клапанам данного типа, который используется также в гидравлике и пневматике, пусть даже и имеет иной тип привода. В зависимости от среды теплоносителя и сферы применения и среды теплоносителя клапан можно выполнить в корпусе из стали, чугуна, бронзы, латуни. Корпус имеет резьбовой или фланцевый тип присоединения к трубопроводу. В некоторых случаях, проблему присоединения решают с помощью сварки.

Стоит заметить, что регуляторы температуры, зависимо от реакции на смену температуры, подразделяют на нормально закрытые (открываются - с увеличением температуры) и нормально открытые (закрываются - с увеличением температуры) [28].

В роли рабочих сред, заполняющие сильфон и датчик температуры, используются разные газы, жидкости, газоконденсатную смесь и даже парафин. При этом, выбор среды, обычно, характеризуется температурным диапазоном.

Регулятор предназначен для вычисления управляющего воздействия, которое система управления посредством исполнительного устройства оказывает на объект для достижения поставленной цели управления.

Целью любого автоматического регулирования является поддержание постоянства или же изменение по требуемому закону некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс. Способ вычисления управляющего воздействия называют законом регулирования. Наиболее распространенными законами регулирования являются:

- пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование (ПИД-регулирование);

- широтно-импульсное моделирование (ШИМ);

- релейное регулирование.

К основным техническим характеристикам, по которым можно говорить о работе регуляторов температуры прямого действия относим:

- время срабатывания, зависящее от конструкции терморегулирующего механизма (капиллярной трубки и сильфона) и способа установки датчика температуры, который определяет инерционность;

- диапазон регулируемой температуры, являющийся температурой, в пределах которой выполняется регулирование;

- зона пропорциональности, являющаяся отклонением значения реальной температуры от заданного значения, при нем клапан полностью закрыт или полностью открыт;

- гистерезис, являющийся минимальным значением изменения температуры, на которое способен отреагировать регулятор;

- PN регулятора температуры, являющийся допустимым для безаварийной эксплуатации регулятора номинальным максимально допустимым избыточным давление (при t=20^oC);

- KN регулятора температуры, являющийся коэффициентом пропускной способности регулятора температуры, используемый в гидравлических расчетах при вычислении потерь напора в системах отопления [12].

Перед тем, как рассчитать параметры регулятора, нужно сформулировать критерии и цель качества регулирования, а еще ограничения на скорости и величины изменения переменных в системе. Главные качественные показатели будут формулироваться на основании требований к виду реакции замкнутой системы на ступенчатое изменение уставки. Но все же данный критерий весьма ограничен. В том числе, он ничего не говорит о значении ослабления шумов измерений или воздействия внешних возмущений, он может давать ошибочное представление о робастности системы.

В свою очередь выбор критерия качества регулирования будет зависеть от цели, для которой применяется регулятор. Данной целью может стать:

- поддержание постоянного значения параметра (к примеру, температуры);

- программное управление или слежение за изменением уставки;

- управление демпфером в резервуаре с жидкостью и т.д.

Для той или другой задачи более важными могут стать такие факторы, как:

- форма отклика на внешнее возмущение (коэффициент затухания, перерегулирование, время установления и др.);

- форма отклика на сигнал уставки и шумы измерений;

- робастность в отношении разброса параметров объекта управления;

- минимум шумов измерений;

- требования, связанные с экономией энергии в управляемой системе и др. [8].

2.3 Работа регуляторов датчиков

Проведем моделирование регуляторов температуре в Matlab.

Релейными (позиционными) называются такие регуляторы, у них регулирующий орган может занимать три или два определенных положения. В электронагревательных установках применяют трех- и двухпозиционные регуляторы. Они надежны и просты в эксплуатации.

В объекте регулирования для контроля температуры служит термосопротивление ТС, которое включено в одно из плеч измерительного моста. Значение сопротивлений моста подбирают так, чтобы во время заданной температуры мост был уравновешен, то есть в диагонали моста напряжение было равно нулю. Во время повышения температуры поляризованное реле, которое включено в диагональ измерительного моста, будет включать одну из обмоток электродвигателя постоянного тока, который, используя редуктор, закрывает перед калорифером воздушный клапан. Во время понижения температуры воздушный клапан будет полностью открыт [29].

Во время двухпозиционного регулирования температуры число подаваемого тепла может определяться только на двух уровнях - минимальном и максимальном. Максимальное количество тепла обязано быть больше нужного для того, чтобы поддерживать заданную регулируемую температуру, а минимальное - меньше. В данном случае температура воздуха будет колебаться около заданного значения, то есть определяется так именуемый автоколебательный режим.

Температуры ф_н и ф_в определяют верхнюю и нижнюю границы зоны нечувствительности. Если температура регулируемого объекта, снижаясь, достигает значения ф_н, то количество подаваемого тепла сразу же повышается и температура объекта начинает увеличиваться. Достигая значения ф_в, регулятор снижает подачу тепла, и температура снижается.