Дипломная (вкр): Исследование датчиков и регуляторов температуры

Относительная погрешность изменения температуры, обусловленная инерцией термометра сопротивления, равна:

(5)

Зная , можно вычислить относительную погрешность измерения температуры для любого момента времени .

В государственных стандартах на технические термометры сопротивления оценка тепловой инерции осуществляется по времени, в течение которого термометр нагреется или охладится на 63С, при начальном температурном перепаде в 100С. Это время и считается постоянной времени  термометра.

Температуру термометра можно определить с учётом формул 1 и 4 как:

(6)

где: t_c - температура среды после мгновенного скачка температуры .

Из приведённой зависимости видно, что теоретически температура термометра достигнет температуры среды через бесконечно большой промежуток времени . Практически считают, что температура термометра t_п равна температуре среды t_с, когда разность температур становится меньше допустимой погрешности измерения температуры . Принимая  и обозначая  через  из формулы 4 получаем:

(7)

Величина  называется временем установления показаний прибора с данным термометром. Как видно,  существенно зависит от , поэтому для контроля быстроменяющихся тепловых процессов необходимо иметь термометры малоинерционные, т.е. с малым численным значением постоянной времени .

2. ВИДЫ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

В зависимости от материалов, используемых для производства терморезистивных датчиков различают:

) Резистивные детекторы температуры (РДТ). Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой мета изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину, так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600°С может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.

) Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков - хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.

) Термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.

2.1 Полупроводниковые

В качестве примера на рисунке 1 изображен полупроводниковый датчик температуры LM75A <#"779945.files/image018.jpg"> 

Рисунок 1. Полупродниковый датчик температуры

2.2 Термоэлектрические (термопары)

Рисунок 2. Термоэлектрический датчик температуры

Термоэлектрические преобразователи - иначе, термопары (рисунок 2). Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре. Так, один конец термопары (рабочий) погружен в среду, а другой (свободный) - нет. Таким образом, получается, что термопары это относительные датчики и выходное напряжение будет зависеть от разности температур двух частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений.

Выглядеть термопара может так, как показано на рисунке. Это термопара ДТПКХХ4 <#"779945.files/image020.jpg">

Рисунок 3. Пьезоэлектрический датчик температуры

В датчиках этого типа главным элементов является кварцевый пьезорезонатор.

Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока (прямой пьезоэффект). На этот пьезоматериал попеременно передается напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры.

. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Для данной работы выбираем 3 типа датчиков температуры:

.     Капиллярный термостат (терморегулятор серии WYF85Z для нагревательного оборудования);

2.      Жидкостный термометр (пределы от 0 до +50);

.        Термопара (в данном случае мультиметр).

3.1 Термостат

Термостат - прибор для поддержания постоянной температуры. Поддержание температуры обеспечивается либо за счёт использования терморегуляторов, либо осуществлением фазового перехода (например, таяние льда). Для уменьшения потерь тепла или холода термостаты, как правило, теплоизолируют. Но не всегда. Широко известны автомобильные моторы, где летом нет никакой теплоизоляции и за счёт действия восковых термостатов поддерживается постоянная температура. Другим примером термостата является холодильник.

В термодинамике термостатом часто называют систему, обладающую столь большой теплоёмкостью, что подводимое к ней тепло не меняет её температуру. Можно выделить два основных способа работы термостатов:

1)   В термостате поддерживается постоянной температура теплоносителя, заполняющего термостат. Исследуемое тело при этом находится в контакте с теплоносителем и имеет его температуру. В качестве теплоносителя обычно используют воздух, спирт (от −110 до 60°C), воду (10-95°C), масло (−10 - +300°C) и др.

)     Исследуемое тело поддерживается при постоянной температуре в адиабатических условиях (теплоноситель отсутствует). Подвод или отвод теплоты осуществляется специальным тепловым ключом (в термостатах низких температур) или же используются электропечи с терморегулятором и массивным металлическим блоком, в который помещается исследуемое тело (в термостатах высоких температур).

В нашем случае мы используем капиллярный термостат серии WYF (рисунок 4)

Основные технические параметры термостата:

·    Напряжение не более 250 В;

·        Диапазон регулирования +35°C - +320°C.;

·        Сопротивление изоляции < 10 Мом;

·        Скорость изменения температуры < 1 °C /мин;

·        Длина капилляра 1000 мм

Рисунок 4. Капилярный термостат

3.2 Жидкостный термометр

Жидкостный термометр, прибор для измерения температуры, основанный на тепловом расширении жидкости. Применяется в диапазоне температур от -200 до 750°С. Жидкостный термометр представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала). Шкала в °С наносится либо на толстостенный капилляр (т. н. палочный Жидкостный термометр), либо на пластинку, жёстко соединённую с ним (Жидкостный термометр с наружной шкалой). Жидкостный термометр с вложенной шкалой (напр., медицинский) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Шкалы имеют цену деления от 10 до 0,01°С. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений жидкостный термометр заполняют пентаном (для измерения температур от -200 до 35°С), этиловым спиртом (от -80 до 70°С), керосином (от -20 до 300°С), ртутью (от -35 до 750°С) и др. Наиболее распространены ртутные жидкостные термометры, т. к. ртуть остаётся жидкой в диапазоне температур от -38 до 356°С при нормальном давлении и до 750°С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняют азотом). Галлиевый жидкостный термометр позволяет измерять температуру в диапазоне от 30 до 1200°С. Жидкостные термометры изготавливают из определенных сортов стекла и подвергают специальной термической обработке (старению), устраняющей смещение нулевой точки шкалы, связанное с многократным повторением нагрева и охлаждения термометра (поправку на смещение нуля шкалы необходимо вводить при точных измерениях). Точность жидкостного термометра определяется ценой делений его шкалы. Для обеспечения требуемой точности и удобства применения пользуются жидкостными термометрами с укороченной шкалой; наиболее точные из них имеют на шкале точку 0°С независимо от нанесённого на ней температурного интервала. Точность измерений зависит от глубины погружения жидкостного термометра в измеряемую среду. Погружать жидкостный термометр следует до отсчитываемого деления шкалы или до специально нанесённой на шкале черты (хвостовые жидкостные термометры). Если это невозможно, следует вводить температурную поправку на выступающий столбик.

.3 Термопара в мультиметре

Термопара - устройство состоящее из двух пар соединённых между собой разнородных проводников. Если один из спаев поместить при 0˚, а другой в среду с измеряемой температурой, то в цепи возникает ЭДС=разности контактных разностей потенциалов горячего и холодного спаев.

ε=U₁+U₂ =α·(Т₁-Т₂),

где α-чувствительность термопары.

Термопарой можно измерять только разности температур. Если температура одного из спаев Т₂= const (0 или комнатная), то термоЭДС будет зависеть только от температуры другого спая Т₁ (измерительный спай).

Для измерения температур, термопару предварительно градуируют - строят график зависимости термоЭДС от температуры ε (Т).

Градуировка термопары и термистора:

4. ВЫБОР АВТОМАТИЧЕСКОГО МОДУЛЬНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

При выборе автоматического модульного выключателя нужно учитывать напряжение сети и ток. В нашем случае это лабораторная установка, которая питается от напряжения 220 В, и для этого мы выбираем маломощный выключатель.

Автоматический выключатель ВА 47-63- современное поколение коммутационных аппаратов, предназначены для оперативного управления участками электрических цепей, а так же защиты от токов перегрузки и короткого замыкания в административных, промышленных и жилых зданиях. Выключатели производятся в одно-, двух-, трех- и четырехполюсном исполнениях.

Преимущества

Наличие пломбируемых панелей для защиты от несанкционированного доступа к проводникам.

) наличие монолитной лицевой панели.

) повышенная жесткость корпуса - шесть заклепок.

) корпус имеет профильные углубления, что способствует естественной вентиляции для обеспечения охлаждения.

) скругленные клеммы с насечками для надежного соединения с проводниками.

) наличие индикаторного окошка состояния контактов.

) автоматическая доводка рукоятки управления (эффект подпружинивания).

) гарантийные обязательства составляют 5 лет.

Таблица 1

Параметры выключателя

Рисунок 5. Габаритные и установочные размеры

Рисунок 6. Типовые схемы подключения

Рисунок 7. Особенности эксплуатации и монтажа

5. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЕ ИЗМЕРЯЕМЫХ ДАТЧИКОВ

.1 Жидкостный термометр

Жидкостный термометр - это, как правило, термометр из стекла (стеклянный термометр), увидеть который можно практически везде. Жидкостные термометры бывают как бытовыми, так и техническими (термометр ТТЖ - термометр технический жидкостный).

Жидкостный термометр работает по простой схеме - объем жидкости внутри термометра изменяется при изменении температуры вокруг нее. Жидкость, находящаяся в термометре, занимает меньший объем капилляра при низкой температуре, а при высокой температуре жидкость в столбике термометра начинает увеличиваться в объеме, тем самым будет расширяться, и подниматься вверх. Обычно в жидкостных термометрах применяется либо спирт, либо ртуть. Температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости, шкала наносится прямо на поверхность капилляра или прикрепляется к нему снаружи. Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С). Технические жидкостные стеклянные термометры применяют для измерения температур от -30 до 600°С.

При монтаже стеклянного технического жидкостного термометра его часто помещают в защитную металлическую оправу для изоляции прибора от измеряемой среды. Для уменьшения инерционности измерения в кольцевой зазор между термометром и стенкой оправы при измерении температуры до 150°С заливают машинное масло; при измерении более высоких температур в зазор насыпают медные опилки. Как любые другие точные приборы, промышленные технические термометры требуют проведения регулярной поверки.

5.2 Термопара

Если два провода из разнородных металлов соединены друг с другом на одном конце, на другом конце данной конструкции, за счет контактной разницы потенциалов, появляется напряжение (ЭДС), которое зависит от температуры. Иными словами, соединение двух разных металлов ведет себя как гальванический элемент, чувствительный к изменению температуры. Такой вид температурного сенсора называется термопарой. Данное явление предоставляет нам простой путь для нахождения электрического эквивалента температуры: необходимо просто измерить напряжение и Вы можете определить температуру этого места соединения двух металлов. И это было бы просто, если бы не следующее условие: когда Вы присоедините любой вид измерительного прибора к проводам термопары, то неизбежно сделаете второе место соединения разнородных металлов. Следующая схема показывает, что железо - медное соединение J1 обязательно дополняется вторым железо - медным соединением J2 противоположной полярности: