Інформаційно-вимірювальна система температури

Інформаційно-вимірювальна система температури

Вступ

Високопродуктивна, економічна і безпечна робота технологічних агрегатів промисловості вимагає застосування сучасних методів і засобів вимірювання величин. Автоматичний контроль є логічно першим ступенем автоматизації, без успішного функціонування якого неможливе створення ефективних АСУ.

В сучасній техніці для вирішення завдань автоматичного контролю все ширше застосовують ЕОМ або мікроконтролери. Всі основні промислові агрегати оснащені різними системами автоматичного контролю і управління за допомогою ЕОМ.. Основними параметрами, які необхідно контролювати є температура різних середовищ; витрати, тиск, склад газів і рідин; склад металів; геометричні розміри прокату. І саме комп`ютерний контроль надзвичайно сильно впливає на ефективність функціонування всіх основних механізмів, оскільки ту велику кількість інформації, що поступає від вимірювальних систем не можливо опрацювати оператору.

Також значно збільшилася кількість вимірювальних систем в побуті. Наприклад, в системах контролю опалення приміщень основну роль відіграють ІВС контролю температури, що значно збільшує енергозбереження. Саме через доцільність таких розробок я вибрав дану тему курсового проекту.

1 Огляд літературних джерел

1.1 Поняття про температуру і про температурні шкали

Температурою називають величину, що характеризує тепловий стан тіла. Згідно кінетичної теорії температуру визначають як міру кінетичної енергії поступального руху молекул. Звідси температура є умовна статистична величина, прямо пропорційна середній кінетичній енергії молекул тіла.

На початку XX століття широко застосовувалися шкали Цельсія і Реомюра, а в наукових роботах - також шкали Кельвіна і водневу. Перерахунки з однієї шкали на іншу створювали великі труднощі і приводили до ряду непорозумінь. Тому в 1933 році було ухвалене рішення про введення Міжнародної температурної шкали (МТШ).

Досвід застосування МТШ показав необхідність внесення в неї ряду уточнень і доповнень, щоб по можливості максимально наблизити її до термодинамічної шкали. Тому МТШ була переглянута і приведена у відповідність із станом знань того часу. У 1960 році було затверджене нове "Положення про міжнародну практичну температурну шкалу 1948 року. Редакція 1960 р.".

1.2 Пристрої для вимірювання температур

Температуру вимірюють за допомогою пристроїв, що використовують різні термометричні властивості рідин, газів і твердих тіл. Існують десятки різних пристроїв, що використовуються в промисловості, при наукових дослідженнях, для спеціальних цілей.

У таблиці 1 приведені найбільш поширені пристрої для вимірювання температури і практичні межі їх застосування.

Таблица 1 - Найбільш поширені пристрої для вимірювання температури

1.3 Рідинний та манометричний термометри

Найстаріші пристрої для вимірювання температури - рідинні скляні термометри - використовують термометричну властивість теплового розширення тіл. Дія термометрів заснована на відмінності коефіцієнтів теплового розширення термометричної речовини і оболонки, в якій вона знаходиться (термометричного скла або рідше кварцу).

Рисунок 1 - Рідинний скляний термометр

Рідинний термометр складається з скляних балона 1, капілярної трубки 3 і запасного резервуару 4 (рисунок 1). Термометрична речовина 2 заповнює

балон і частково капілярну трубку. Вільний простір в капілярній трубці і в запасному резервуарі заповнюється інертним газом або може знаходитися під вакуумом. Запасний резервуар служить для оберігання термометра від псування при надмірному перегріві.

Як термометрична речовина найчастіше застосовують хімічно чисту ртуть. Вона не змочує стекла і залишається рідкою в широкому інтервалі зміни температур. Окрім ртуті як термометрична речовина в скляних термометрах застосовуються і інші рідини, переважно органічного походження. Наприклад: метиловий і етиловий спирт, гас, пентан, толуол, галій, амальгама талія.

Основні переваги скляних рідинних термометрів - простота використання і достатньо висока точність вимірювання навіть для термометрів серійного виготовлення. До недоліків скляних термометрів можна віднести: погану видимість шкали (якщо не застосовувати спеціальної збільшувальної оптики) і неможливість автоматичного запису свідчень, передачі свідчень на відстань і ремонту.

Рисунок 2 - Манометричний термометр

Дія манометричних термометрів заснована на використанні залежності тиску речовини при постійному об'ємі від температури. Замкнута вимірювальна система манометричного термометра складається з (рисунок 2) чутливого елементу, що сприймає температуру вимірюваного середовища, - металевого термобаллона 1, робочого елементу манометра 2, що вимірює тиск в системі, довгого з`єднувального металевого капіляра 3. При зміні температури вимірюваного середовища тиск в системі змінюється, внаслідок чого чутливий елемент переміщує стрілку або перо за шкалою манометра, отградуйованого в градусах температури. Манометричні термометри часто використовують в системах автоматичного регулювання температури, як бесшкальні пристрої інформації (датчики).

Манометричні термометри підрозділяють на три основні різновиди:

- рідинні, в яких вся вимірювальна система (термобаллон, манометр і сполучний капіляр) заповнені рідиною;

- конденсаційні, в яких термобаллон заповнений частково рідиною з низькою температурою кипіння і частково - її насиченими парами, а з`єднувальний капіляр і манометр - насиченими парами рідини або, частіше, спеціальною передавальною рідиною;

- газові, в яких вся вимірювальна система заповнена інертним газом.

Перевагами манометричних термометрів є порівняльна простота конструкції і застосування, можливість дистанційного вимірювання температури і можливість автоматичного запису показів. До недоліків манометричних термометрів відносяться: відносно невисоку точність вимірювання (клас точності 1,6; 2,5; 4,0 і рідше 1,0); невелику відстань дистанційної передачі показів (не більше 60 метрів) і складність ремонту при розгерметизації вимірювальної системи.

Перевірка показів манометричних термометрів проводиться тими ж методами і засобами, що і скляних рідинних.

1.4 Термоелектричні термометри

Для вимірювання температури в металургії найбільш широкого поширення набули термоелектричні термометри, що працюють в діапазоні температур від -200 до +2500 0C і вище. Даний тип пристроїв характеризує висока точність і надійність, можливість використання в системах автоматичного контролю і регулювання параметра, що значною мірою визначає хід технологічного процесу в металургійних агрегатах.

Суть термоелектричного методу полягає у виникненні ЕРС в провіднику, кінці якого мають різну температуру. Для того, щоб зміряти дану ЕРС, її порівнюють з ЕРС іншого провідника, що створює з першим термоелектричну пару AB (рисунок 3), в ланцюзі якої потече струм.

Рисунок 3 - Термоелектричний термометр

Результуюча термо-ЕРС ланцюга, що складається з двох різних провідників A і B (однорідних по довжині), рівна

(1.1)

або

(1.2)

де і - різниці потенціалів провідників A і B відповідно при температурах t2 і t1, мВ.

Термо-ЕРС даної пари залежить тільки від температури t1 и t2 і не залежить від розмірів термоелектродов (довжини, діаметру), величин теплопровідності і питомого електроопору.

Для збільшення чутливості термоелектричного методу вимірювання температури у ряді випадків застосовують термобатарею: декілька послідовно включених термопар, робочі кінці яких знаходяться при температурі t2, вільні при відомій і постійній температурі t1.

Термоелектричний термометр (ТТ) - це вимірювальний перетворювач, чутливий елемент якого (термопара) розташований в спеціальній захисній арматурі, що забезпечує захист термоелектродов від механічних пошкоджень і дії вимірюваного середовища.

Термоелектричні термометри випускаються двох типів: занурювані, поверхневі. В промисловостіь виготовляються пристрої різних модифікацій, що відрізняються за призначенням і умовам експлуатації, за матеріалом захисного чохла, за способом установки термометра в точці вимірювання, по герметичності і захищеності від дії вимірюваного середовища, по стійкості до механічних дій, по ступеню теплової інерційності і т.п.

В умовах тривалої експлуатації при високих температурах і агресивній дії середовищ з'являється нестабільність градуювальної характеристики, яка є наслідком ряду причин: забруднення матеріалів термоелектродів домішками із захисних чохлів, керамічних ізоляторів і атмосфери печі; випаровування одного з компонентів сплаву; взаємної дифузії через спай. Величина відхилення може бути значною і різко збільшується із зростанням температури і тривалістю експлуатації. Вказані обставини необхідно враховувати при оцінці точності вимірювання температури у виробничих умовах.

Перевірка ТТ зводиться до визначення температурної залежності термо-ЕРС і порівнянні одержаного градуювання із стандартними значеннями.

1.5 Електричні термометри опору

У металургійній практиці для вимірювання температур до 6500С застосовуються термометри опору (ТО), принцип дії яких заснований на використанні залежності електричного опору речовини від температури. Знаючи дану залежність, по зміні величини опору термометра судять про температуру середовища, в яке він занурений. Вихідним параметром пристрою є електрична величина, яка може бути виміряна з досить високою точністю (до 0,020С), передана на великі відстані і безпосередньо використана в системах автоматичного контролю і регулювання.

Як матеріали для виготовлення чутливих елементів ТО використовуються чисті метали: платина, мідь, нікель, залізо і напівпровідники.

Зміна електроопору даного матеріалу при зміні температури характеризується температурним коефіцієнтом опору , який обчислюється за формулою

, (1.3)

де t - температура матеріалу, 0С; R0 і Rt - електроопір відповідно при 0 0С і температурі t, Ом.

Опір напівпровідників із збільшенням температури різко зменшується, тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт опору практично на порядок більше, ніж у металів. Напівпровідникові термометри опору (ТОНП) в основному застосовуються для вимірювання низьких температур (1,5 - 400 К).

Перевагами ТОНП є невеликі габарити, мала інерційність, високий коефіцієнт . Проте вони мають істотні недоліки:

- нелінійний характер залежності опору від температури;

- відсутність відтворюваності складу і градуювальної характеристики, що виключає взаємозамінюваність окремих ТО даного типу. Це приводить до випуску ТОНП з індивідуальним градуюванням.

Значно рідше в металургійній практиці зустрічаються напівпровідникові термометри опору (ТОНП) для вимірювання температури (-90)…(+180)0С. Їх застосовують в термореле, низькотемпературних регуляторах, що забезпечують високоточну стабілізацію сенсорних елементів газоаналізаторів, хроматографов, корпусів пірометрів, електродів термоелектричних установок для експрес-аналізу складу металу і т.п.

1.6 Безконтактне вимірювання температури

Про температуру нагрітого тіла можна говорити на підставі вимірювання параметрів його теплового випромінювання, що являють собою електромагнітні хвилі різної довжини. Чим вища температура тіла, тим більше енергії воно випромінює.

Термометри, дія яких заснована на вимірюванні теплового випромінювання, називають пірометрами. Вони дозволяють контролювати температуру від 100 до 6000 0С і вище. Однією з головних переваг даних пристроїв є відсутність впливу вимірювача на температурне поле нагрітого тіла, оскільки в процесі вимірювання вони не вступають в безпосередній контакт один з одним. Тому дані методи одержали назву безконтактних.

На підставі законів випромінювання розроблені пірометри наступних типів:

- пірометр сумарного випромінювання (ПСВп) - вимірюється повна енергія випромінювання;

- пірометр часткового випромінювання (ПЧВ) - вимірюється енергія в обмеженій фільтром (або приймачем) ділянці спектру;

- пірометри спектрального відношення (ПСВ) - вимірюється відношення енергії фіксованих ділянок спектру.

Залежно від типу пірометра розрізняються радіаційна, колірна температури та температура яскравості.

Радіаційною температурою реального тіла Тр називають температуру, при якій повна потужність АЧТ рівна повній енергії випромінювання даного тіла при дійсній температурі Тд.

Температурою яскравості реального тіла Тя, називають температуру, при якій щільність потоку спектрального випромінювання АЧТ рівна щільності потоку спектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі (або вузького інтервалу спектру) при дійсній температурі Тд.

Колірною температурою реального тіла Тц називають температуру, при якій відношення щільності потоків випромінювання АЧТ для двох довжин хвиль і рівні відношенню щільності потоків випромінювань реального тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Тд. Принцип дії оптичних пірометрів заснований на використанні залежності щільності потоку монохроматичного випромінювання від температури.

У фотоелектричних пірометрах з межами вимірювання від 500 до
1100 0С застосовують киснево-цезієвий фотоелемент, а в приладах з шкалою 800 - 4000 0С вакуумний сурм'яно-цезієвий. Поєднання останнього з червоним світлофільтром забезпечує отримання ефективної довжини хвилі пірометра 0,650,01 мкм, що приводить до збігу показів фотоелектричного пірометра з показами візуального оптичного пірометра.

Страницы: 1, 2