168638 (Вимірювальні канали контрольно-вимірювальних систем в екології)

Міністерство освіти та науки України

Вінницький національний технічний університет

Кафедра теоретичної електроніки та промислової електроніки

Курсова робота

з дисципліни “ Контрольно – вимірювальні системи в екології”

Вимірювальний канал температури з елементами термопари

Виконав: студент групи АЕ-01

Баковська Т. О

Перевірив: д.т.н., професор

Кухарчук В. В

Вінниця – 2005

ЗМІСТ

Вступ

1. Огляд первинних вимірювальних перетворювачів

1.1 Термоелектричі перетворювальні елементи

1.2 Терморезистивний перетворювальний елемент

1.3 Термомагнітний перетворювальний елемент

1.4 Термочастотний перетворювальний елемент

1.5 Пірометричний перетворювальний елемент

2. Розробка структурної схеми аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрівноваження

3. Розробка функціональної схеми вимірювального каналу температури з елементами термопари

4. Статистичні характеристики

Висновок

Список використаної літератури

ВСТУП

Температура, як параметр теплового процесу, не піддається безпосередньому вимірюванню. Одночасно вона є функцією стану речовини i зв'язана з внутрішньою енергією тіл, а через енергію зв'язана i з іншими властивостями. Отже, зі зміною температури змінюється багато інших фізичних властивостей тіл, які i використовуються при побудові перетворювачів температури [1].

При взаємодії двох рівноважних систем, які мають різні температури, відбувається перехід енергії від системи з більшим енерговмістом в систему з меншим енерговмістом, доки обидві не приймуть новий стан рівноваги. Загальним для всіх видів часток розділених систем є температура.

Тепловими називаються перетворювачі, принцип дії, яких оснований на використанні теплових процесів (нагрівання, охолодження, теплообміну) i вхідною величиною яких є температура [2].

Теплоелектричні перетворювачі використовують для вимірювання температури і таких неелектричних величин, як переміщення, швидкість і витрати рідких і газоподібних речовин, їх якісний та кількісний склад, тиск, вологість тощо. При цьому використовується залежність проходження теплових процесів від теплопровідності і швидкості руху досліджуваного середовища (рідин, газів) [2].

1. ОГЛЯД ПЕРВИННИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Температурою називається фізична величина, яка характеризує стан тіла, що визначається середньою кінетичною енергією руху.

Одиницею вимірювання температури є градус. Градусом називають 1/100 діапазону зміни температур від точки танення льоду (0⁰С) до точки кипіння води (100⁰С).

Для вимірювання температури застосовують такі методи:

1. заснований на розширенні рідких, газоподібних і твердих тіл;

2. заснований на зміні тиску в середині замкненого об’єму від зміни температури;

3. метод, в основу якого покладена зміна опору провідників від зміни температури;

4. метод, який базується на термоелектричних ефектах;

5. метод, в основу якого покладено явище електромагнітного випромінювання.

Прилади для вимірювання температури називаються термометрами. У відповідності до перерахованих методів вимірювання температури в термометрії використовують такі засоби:

1. термометри розширення;

2. танометричні термометри;

3. термометри опору;

4. термопара (явище Томпсона та явище Зеєбека);

5. пірометри;

Тепловими називаються перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні теплових процесів (нагрівання, охолодження, теплообміну) і вхідною величиною є температура. Теплові перетворювачі широко застосовуються як перетворювачі не тільки температури, а й таких величин, як тепловий потік, швидкість потоку газу чи рідини, витрати, хімічний склад і тиск газів, вологість тощо[2].

1.1 Термоелектричі перетворювальні елементи

Принцип дії термоелектричного перетворювача (термопари) базується на використанні термоелектричного ефекту, суть якого полягає у виникненні термо-ЕРС в колі, що складається з двох різнорідних провідників чи напівпровідників, які називають термоелектронами, якщо температури Т₁ i Т₂ відповідних частин перетворювача piзні.

Виникнення термо-ЕРС пояснюється сумарною дією двох термоелектричних ефектів: явища Томпсона i явища Зеєбека. Явище Томпсона полягає у появі на кінцях однорідного провідника, який має температурний градіент, деякої різниці потенціалів внаслідок того, що електрони дифундують з гарячого кінця провідника до холодного. ЕРС, що виникає при цьому i називається термо-ЕРС Томпсона, визначається виразом

(1.1.1)

де σ- коефіцієнт Томпсона для даного провідника.

Якщо скласти коло з двох різних провідників а i b, то сумарна термо- ЕРС Томпсона дорівнює різниці термо-ЕРС Томпсона кожного провідника i визначається виразом

(1.1.2)

де σ_а i σ_b, - коефіцієнти Томпсона для провідника а i b відповідно.

Суть явища Зеєбека така. При стиканні двох різнорідних провідників у місці їх контакту виникає контактна різниця потенціалів, зумовлена різною концентрацією носіїв заряду. Зеєбеком було встановлено, що в замкненому колі двох різнорідних провідників, cпaї яких мають piзнi температури, електрорушійна сила Eab(T1), яка виникає при переході від провідника а до провідника b в точці з температурою T1 i електрорушійна сила Еьа(Т2), яка виникає при переході від провідника b до провідника а, мають протилежні знаки i не дорівнюють одна одній.

Сумарна термо-ЕРС, яка виникає у колі, що складається з двох різних провідників а i b є сумою контактних ЕРС i ЕРС Томпсона:

(1.1.3)

Ця сумарна термо-ЕРС для даної пари провідників залежить тільки від значень температур Т₁ i Т₂ i може бути подана різницею відповідних функцій:

(1.1.4)

Якщо різниці температур малі, можна припустити, що термо-ЕРС яка розвивається термопарою, пропорційна різниці температур спаїв:

(1.1.5)

де k -коефіцієнт пропорційності, різний для різних матеріалів термоелектродів.

Якщо один спай помістити в середовище з постійною температурою, наприклад Т₂, то термо-ЕРС, що виникне в загальному випадку, є нелінійною функцією температури Т_{1 :}

(1.1.6)

Спай термопари, який поміщають в досліджуване середовище, називають робочим або гарячим, а кінці, температура яких підтримується переважно постійною, вільними або холодними.

Рисунок 1.1 – Найпростіші термоелектричні кола

Оскільки в коло термопари під'єднується вимірювальний прилад чи інший перетворювач, то в місці під'єднання утворюються інші cпaї i коло термопари в простішому випадку треба розглядати як коло, що складається з трьох провідників a, b і с (рис 1.1 б).

Сумарна термо-ЕРС такого кола:

) (1.1.7)

Оскільки згідно з закономірністю Вольта:

(1.1.8)

то даний вираз можна записати в такому вигляді:

(1.1.9)

Враховуючи, що:

отримаємо

.

3 цього виразу випливає, що якщо температури Т₂ і Т₃ на границях третього провідника не е однаковими, то термо-ЕРС термопари аb спотворюється ЕРC e _bc(Т₂,Т₃) паразитної термопари bс. Якщо Т₂=Т₃=Т₀ , то e_bc(T₂,T₃)=0 і e = e_ab(T₁,T₀), тобто наявність в колі третього провідника, на границях якого температури є однакові, не зумовлює спотворень термо-ЕРС основної термопари.

Рисунок 1.2 – Перетворювач розміщений в середовищі досліджуваного об’єкта

Вираз е_са(Т)=е_св(Т)-е_ав(Т) дає змогу визначити термо-ЕРС будь-якої термопари при відомих термо-ЕРС інших термопар утворених кожним з термоелектродів з базовим. Для порівняння термоелектричних характеристик матеріалів створена єдина платинова нормаль, щодо якої визначаються термо-ЕРС інших матеріалів[3].

1.2 Терморезистивний перетворювальний елемент

Принцип дії терморезистивних перетворювачів базується на властивості провідників чи напівпровідників змінювати електричний опір при зміні температури. Для перетворень температури використовують матеріали, які мають високу стабільність ТКО, високу відтворюваність електричного опору для даної температури, значний питомий електричний опір і високий ТКО, стабільність хімічних і фізичних властивостей під час нагрівання, інертність до дії досліджуваного середовища.

Зміна опору ∆ R як міра температури реєструється за допомогою мостових схем або схем постійного струму зі стрілковими пристроями при дозволі до 0,001 К, а також за допомогою схем порівняння струмів і логометричних пристроїв або за допомогою числових способів вимірювань. Пристрій з одним датчиком, мостом та двома з’єднувальними проводами зображено на рис. 1.3 (Додаток А). [10]

З провідникових матеріалів широко застосовується платина. Цей благородний метал навіть при високих температурах і окисному середовищі не змінює своїх фізичних і хімічних властивостей. Температурний коефіцієнт опору в діапазоні 0... 100 ⁰С становить приблизно 1/273 град ^-1, питомий опір при при 20 ⁰С дорівнює 0,105 Ом/мм²/ м, діапазон перетворювальних температур – –260…+ 1300 ⁰С. Температурна залежність опору платини в діапазоні 0... 650⁰ С описується рівнянням Календарі:

R_T = R₀ (1+ AT+ BT²), (1.2.1)

де R_T , R₀ – опори перетворювача при температурі Т і 0⁰С; А і В сталі коефіцієнти (для платинового дроту, який застосовується в промислових термоперетворювачах температур А = 3,9702* 10^-3 1/К, В = – 5,8893*10^-7 1/ К² ). До недоліків платинових перетворювачів температури належать досить висока забруднюваність платини при високих температурах парами металів (особливо заліза), порівняно невисока хімічна стійкість у відновному середовищі, внаслідок чого вона стає крихкою, втрачає стабільність характеристик.

Мідь, внаслідок низької вартості і досить високої стійкості до корозії, широко застосовують в перетворювачах температури в діапазоні -50...+180⁰С. Температурний коефіцієнт опору міді:

R_T = R₀ (1 + _TT).(1.2.2)

До недоліків мідних перетворювачів температури належать висока окислюваність під час нагрівання, внаслідок чого вони застосовуються у вказаному, порівняно вузькому діапазоні температур у середовищах з низькою вологістю і при відсутності агресивних газів[4].

Тугоплавкі метали – вольфрам, молібден, тантал і ніобій – застосовуються обмежено. Вплив рекристалізації та росту зерен в результаті дії температури робить чутливий елемент з цих матеріалів крихким і тому дуже чутливим до механічних вібрацій.

Терморезистивні перетворювачі температури, що називають стандартом термоперетворювачами опору (ТО), бувають трьох основних різновидів: з платиновим (ТОП), мідними (ТОМ) та нікелевим (ТОН) чутливим елементами і призначені для перетворення температури в діапазоні -260 ...1100 ⁰С.

Основними причинами похибок терморезистивних перетворювачів температури є неточність підганяння і відхилення від номінального, а також нестабільність цих параметрів у часі. Перевагами напівпровідникових термоперетворювачів є малі габарити, мала інерційність. Про те вони поступаються провідниковим в точності[5].

1.3 Термомагнітний перетворювальний елемент