Проектування вимірювальної системи температури

Проектування вимірювальної системи температури

Проектування вимірювальної системи температури

ІНДИВІДУАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

на курсовий проект з дисципліни "Інформаційно-вимірювальні системи"

Розробити систему інформаціно-вимірювальну систему температури

Анотація

В даному курсовому проекті розроблена інформаційно вимірювальна система для визначення температури.

Проведено аналіз технічних параметрів системи, що проектується, здійснено огляд можливих варіантів вирішення задачі та вибрано принцип роботи автоматизованої системи на базі мікроконтролера фірми Texas Instruments, MSP430F149. В даному курсовому проекті розроблена електрична і структурна схема ВС, проведено розрахунок основних елементів схеми, розраховані похибки.

В додатках наведена електрична принципова схема і перелік елементів.

Вступ

Температура належить до одного з найважливіших технологічних параметрів, від точності вимірювання яких залежить ефективність багатьох технологічних процесів. Температурні вимірювання проводяться в багатьох галузях промисловості, зокрема, в металургійній, приладобудівній, хімічній тощо. Інтенсивність перебігу хімічних реакцій, умови сушіння й формування виробів, розплавлення й зварювання матеріалів та інше визначає температу-ра.

Слово „температура” походить від латинського temperatura - нор-мальний стан. Це фізична величина, яка характеризує стан термодинамічної рівноваги системи. Температура всіх частин ізольованої системи, яка знахо-диться в рівновазі, однакова. Якщо система не знаходиться в рівновазі, то між її частинами, які мають різну температуру, проходить теплообмін. Тем-пература, яка знаходиться в тепловій рівновазі, прийнятого за нульовий.

Вимірюють температуру термометрами на основі залежності яких-небудь властивостей тіла (об'єму, електричного опору і т.п.) від температури.

Її вимірюють рідинними або газовими термометрами, які відповідно градуюють. Висока температура вимірюється оптичними термометрами (за спектром випромінювання) або електричними термометрами (напівпровідникові термістори, термопари).

У міжнародній шкалі температур за нуль прийнята температура танення льоду при нормальному атмосферному тиску, за 100о - температура парів кипіння води при нормальному атмосферному тиску.

Позначається t oC (Цельсія).

Цельсій А. (1701-1744) - шведський астроном і фізик, який запропонував температурну шкалу, в якій 1 градус (1 оС) дорівнює 1/100 різниці температур кипіння води і танення льоду при атмосферному тиску. Позначається t oC.

Але, за Міжнародною системою одиниць СІ, яка є міжнародно прийнятою і використовується в усьому світі, яку позначають символом Т і виражають в кельвінах (позначення К). Найменування дано по імені англійського вченого В. Кельвіна (1824-1907).

Температурні шкали Кельвіна і Цельсія пов'язані формулою

Т = (273,15 + t)K.

Абсолютний нуль за міжнародною шкалою дорівнює -273,15 оС (Цельсія).

В рішенні Міжнародного комітету мір і ваги шкала Кельвіна признана основною. Також, розрізняють ще шкали за початковими точками відліку і розміром одиниці температури, яку використовують:

оR - шкала Реомюра, 1 оR = 1,25 оС;

оF - шкала Фаренгейта, 1 оF = 5/9 оС.

1. Технічне обґрунтування варіанту реалізації системи вимірювання температури

Інформаційно-вимірювальною системою називається сукупність апаратних та програмних засобів призначений для представлення необхідної вимірювальної інформації.

Вимірювання температури може здійснюватися різними методами. Кожний метод має свої особливості, які визначаються як принципом, так і засобами вимірювання та схемами їх підключення. Крім того, при вимірюванні температури, необхідно враховувати взаємодію між термоперетворювачем і середовищем.

1.1 Термоелектричні перетворювачі

Термопара - термочутливий елемент в пристроях для вимірювання температури, системах управління і контролю. Складається з двох послідовно з'єднаних (спаяних) між собою різнорідних провідників або напівпровідників.

Для вимірювання термо-е.р.с., яку розвиває термопара, в її коло вмикають вимірювальний прилад (мілівольтметр, компенсатор)

Вимірювання температури за допомогою термопар грунтується на наявності певної залежності між термоелектрорушійною силою (термо-е.р.с), яка виникає в колі, складеному з різнорідних провідників, і температурою місць з'єднання цих провідників. Термо-е.р.с виникає завдяки наявності в металах вільних електронів, концентрація яких у різних металах неоднакова. У місцях спаювання двох термоелектродів електрони з одного металу дифундують у другий.

Для вимірювання термо-е.р.с, яку розвиває термопара, в її коло вмикають вимірювальний прилад. На рисунку 1 зображено основні схеми увімкнення термопар. Найчастіше застосовують схему, зображену на рисунку 1.1,а. Диференціальну термопару (рисунок 1.1,б) використовують для вимірювання різниці температур.

Діапазон температур, які можна вимірювати термопарами, дуже великий: від температури, що лежить в колі абсолютного нуля, до температур, за яких тільки небагато з речовин лишаються твердими.

а) б)

Рисунок 1.1 - Основні схеми увімкнення термопар:

а- увімкнення вимірювального приладу в холодний спай;

б - диференційна термопара

Нині стандартизовано п'ять типів термопар, градуйовані таблиці яких наведено в міждержавному стандарті ГОСТ 3044-84. Основні дані цих термопар зведені в таблиці 1.

Для вимірювання високих температур використовують термопари типів ТПП, ТПР і ТВР. Термопари із благородних металів (ТПП і ТПР) використовують при вимірюваннях з підвищеною точністю. В інших випадках використовують термопари із неблагородних металів (ТХА, ТХК).

Таблиця 1 - Типи термопар та їх характеристики

1.2 Термометри опору

Термометри опору - прилади для вимірювання температури, дія яких основана на зміні електричного опору металів і напівпровідників від зміни температури. Вони широко застосовуються для вимірювання температури в діапазоні від -260 0 до 750 0С. В деяких випадках вони можуть бути застосовані для вимірювання температури до 1000 оС.

Дія термометрів опору основана на властивості речовини змінювати свій електричний опір при зміні температури. При вимірюванні температури термометр опору занурюють в середовище, температуру якого потрібно визначити. Знаючи залежність опору термометра від температури можна за зміною опору термометра робити висновок про температуру середовища, в якому він знаходиться. При цьому необхідно мати на увазі, що довжина чутливого елемента у більшості термометрів складає декілька сантиметрів, і тому при наявності температурних градієнтів в середовищі термометр опору вимірює деяку середню температуру тих шарів середовища, в яких знаходиться його чутливого елементу. Термометр опору з чистих металів, який одержав найбільше розповсюдження, виготовляють звичайно у вигляді обмотки з тонкої проволоки на спеціальному каркасі з ізоляційного матеріала. Для того, щоб запобігти від можливих механічних ушкоджень та дії середовища, температура якого вимірюється термометром, чутливий елемент його вміщують в спеціальну захисну гільзу.

До числа якостей металічного термометра опору слід віднести:

- високу степінь точності виміряної температури;

- можливість випуску вимірювальних приладів до них зі стандартною градуйованою шкалою практично на будь-який температурний інтервал в діапазоні допустимого температурного застосування термометрів опору;

- можливість централізованого контролю температури шляхом приєднання декількох взаємодіючих термометрів опору через перемикач до одного вимірювального приладу;

- можливість використовування їх з інформаційно-розрахунковими машинами.

Напівпровідникові термометри опору, як показує практика їх застосування, можуть бути використані для вимірювання температури від 1,3 до 400 К. В практиці технологічного контролю вони в порівнянні з металевими знаходять менше застосування, так як вимагають індивідуального градуювання.

Опір термометрів в промислових умовах вимірюється мостами або логометрами. Незрівноважені мости використовують рідко із-за таких недоліків, як нелінійної градуювальної характеристики, залежності їх показань від значення напруги живлення. Найбільше поширення одержали зрівноважені мости, в плечі яких вмикають термометри опору (рисунок 1.2).

Умовою рівноваги мостової схеми є рівність добутків опорів протилежних плеч

R1 · R3 = R2 · Rt . (2)

Недоліком одинарної мостової схеми є додаткова похибка, яка вноситься опорами провідників, якими термометр опору підключається до мостової схеми.

При зміні температури навколишнього середовища змінюється і опір цих провідників, що не дає можливості компенсувати вказану похибку. Для зниження цієї похибки використовують трипровідну схему підключення термометрів опору. В цьому випадку опори проводів виявляються не в одному, а в різних плечах моста і тому їх вплив суттєво зменшується. При симетрії моста їх опори віднімаються.

Е ВП

Рисунок 1.2 - Мостова схема включення термометра опору

Величина порушення цієї умови рівноваги фіксується вимірювальним приладом ВП.

1.3 Манометричні термометри

Манометричні термометри використовують для вимірювання температур рідких і газових середовищ у діапазоні від 0 до +600оС.

Принцип дії приладів заснований на використанні залежності зміни тиску робочої рідини, насиченого пару або газу при постійному обсязі від температури об'єкта.

В залежності від наповнювача, що заповнює всю термосистему (термобалон, капіляр і дошкульний елемент), манометричні термометри діляться на газові, парорідинні і рідинні.

Газові прилади заповнюють інертним газом - азотом або аргоном, парорідинні - рідинами, що низько киплять, (ацетон, фреон), пари яких при що вимірюється температурі частково заповнюють термобалон, рідинні - кремній органічної рідиною. Шкала манометричних газових і рідинних термометрів рівномірна; в парорідинних термометрів шкала нерівномірна в першій третині шкали.

До переваг манометричних термометрів відносяться мала інерційність вимірювань і вибухонебезпечність, до недоліків - низька ремонтоздатність в умовах заводу, особливо при виході з ладу чутливого елемента або капіляра, відповідно низький клас точності.

2. Розробка структурної схеми системи вимірювання температури

2.1 Вибір оптимального варіанту структурної схеми

В даному пункті курсової роботи розробляється структурна схема інформаційно-вимірювальної системи вимірювання температури. Буде розглянуто три варіанта структурних схем, порівняно їх між собою за шістьма критеріями, коротко охарактеризовано кожну та обрано оптимальну структурну схему, на основі якої буде розроблена інформаційно-вимірювальна система. При виборі оптимальної структурної схеми слід враховувати кількісні та якісні характеристики кожної з них, а саме швидкодію, надійність, простоту реалізації, низьку собівартість, точність. Розглянемо першу структурну схему, яка приведена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 - Перший варіант реалізації структурної схеми системи для визначення температури

Позначення на схемі:

T/U - первинний вимірювальний перетворювач температури в напругу;

U/U - вторинний вимірювальний перетворювач підсилювач напруги;

МХ - мультиплексор;

- аналого-цифровий перетворювач - це функціональний пристрій, призначений для перетворення аналогової величини, а в даному випадку постійної напруги в цифровий код;

MCU - мікроконтролер;

USART/RS485 - прилад який призначений для перетворення інтерфейсу з USART в RS485;

РС - персональний комп'ютер, або інша обчислювальна машина.

Принцип роботи вимірювальної системи полягає в наступному: по шести каналам проводяться вимірювання шести різних рівнів температури. На вхід первинного перетворювача поступає температура, яка перетворюється в напругу, після чого вторинний перетворювач підсилює дану напругу, яка подається на мультиплексор. З мультиплексора інформація потрапляє на АЦП, де перетворюється з аналогового сигналу в цифровий код. Інформація з АЦП знімається мікроконтролером і за допомогою інтерфейсу обміну даних передається на ПК.

Дана схема забезпечує високу точність вимірювання, але має невисоку швидкодію та великі габарити, а також має достатньо високу собівартість.

Реалізацію другої структурної схеми представлена на рисунку 2.2

Рисунок 2.2 - Другий варіант реалізації структурної схеми системи для вимірювання температури

Позначення на схемі:

T/U - первинний вимірювальний перетворювач температури в напругу;

U/U - вторинний вимірювальний перетворювач підсилювач напруги;

-аналого-цифровий перетворювач - це функціональний пристрій, призначений для перетворення аналогової величини, в даному випадку постійної напруги в цифровий код;

MCU - мікроконтролер;

USART/RS485 - прилад який призначений для перетворення інтерфейсу з USART в RS485;

РС - персональний комп'ютер, або інша обчислювальна машина.

Принцип вимірювального перетворення в наведеній схемі такий же як і в попередній з тією лише різницею що перетворений сигнал з кожного вимірювального каналу відразу подається на окремий АЦП. З АЦП вимірювальна інформація знімається мікроконтролером і за допомогою інтерфейсу передачі даних передається на ПК.

Наведена система має високу швидкодію, але в той же час підвищується її собівартість через те що в даній схемі використовується велика кількість АЦП з однаковими параметрами. Виготовлення АЦП з однаковими параметрами є досить складним і дорогим процесом.

Третя структурна схема приведена на рисунку 2.3.

Рисунок 2.3 - Третій варіант реалізації структурної схеми системи для вимірювання температури

Позначення на схемі:

V/^ - датчик, призначений для вимірювання температури;

МХ - мультиплексор;

- аналого-цифровий перетворювач - це функціональний пристрій, призначений для перетворення аналогової величини, в даному випадку постійної напруги в цифровий код;

MCU - мікроконтролер;

USART/RS485 - прилад який призначений для перетворення інтерфейсу з USART в RS485;

РС - персональний комп'ютер, або інша обчислювальна машина.

Страницы: 1, 2, 3