Дипломная работа - Программно-аппаратный комплекс для измерения температуры

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности

Кафедра АПП и АСУ

Дипломная работа

Программно-аппаратный комплекс для измерения температуры

Выполнили:

Мистрюков С.М.,

Семенков Е.С.

Руководитель:

Епанчинцева О.М.

Г.Кемерово, 2009 г.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Е:

Введение 4

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Термоэлектрические термопары 7

1.1.1 Конструкции и типы термопар 7

1.1.2 Принцип работы термопар 11

1.1.3

Преимущества, недостатки и рекомендации по

выбору термопар

1.2 Термопреобразователи сопротивления 42

1.2.1 Принцип работы термосопротивлений 42

1.2.2

Конструкции чувствительных элементов и

термосопротивлений

1.2.3 Основные характеристики термосопротивлений 51

1.2.4 Схемы подключения 56

1.2.5 Уравнения для расчета температуры 57

1.3 Сравнение характеристик РДТ и термопар 60

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

2.1

Стенд для поверки, градуировки

измерительного канала

2.1.1 Правила работы на стенде 71

2.1.2 Калибровка ИПМ-0399Ех/М3 для работы с ТП 74

2.2 Устройство преобразователя ИПМ0399/М3 75

2.3

Работа с программой: «Настройка приборов

серии ИПМ0399/М3»

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1

Измерительные каналы с термосопротивлением

ТСМ

3.2

Измерительные каналы с термосопротивлением

ТСП

3.3

Измерительные каналы с термоэлектрическим

преобразователем ТХК(L)

102

3.4 Современная терминология 105

4 ВЫВОДЫ 109

Приложение А Термины и определения 113

Приложение Б ГОСТ Р.8.585-2001 для ТП 115

Приложение В ГОСТ 6651-94 для ТС 119

Литература 123

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Различные физические величины имеют разную физическую

природу, поэтому отличаются их методы и средства

измерений.

В настоящее время существует примерно следующее

распределение доли измерений различных физических величин

в промышленности: температура 50%, расход (массовый и

объемный) 15%, давление 10%, уровень 5%, количество

(масса, объем) 5%, время 4%, данные материалов

(аналитические измерения) 4%, электрические и магнитные

величины менее 5%. Отсюда видно, что подавляющее число

измерений представляет собой измерения неэлектрических

величин. При этом представляет интерес также абсолютный

объем выполняемых измерений. В настоящее время выросли

скорости протекания технологических процессов.

Количество измеряемых параметров на одном агрегате в

настоящее время исчисляется тысячами. Так, на атомной

электростанции среднего размера имеется около 3000

точек измерений различных физических величин. На

крупном предприятии химической промышленности только для

измерения температур имеется около 20000 точек измерений.

Таким образом, уже в настоящее время измерения

физических величин - это массовый процесс, причем

основную его долю составляют измерения неэлектрических

величин. С большим основанием можно утверждать, что эта

тенденция сохранится, и будет развиваться в будущем.

Последнее десятилетие характеризуется стремительным

внедрением микропроцессорной техники не только во

вторичные измерительные приборы, но и в первичные

преобразователи, размещаемые непосредственно на

технологических объектах. В микропроцессорных

(интеллектуальных) средствах измерения коренным образом

меняются функциональные возможности по обработке,

преобразованию и методам представления результатов

измерений. Эти приборы служат основой для построения

промышленных управляющих микропроцессорных систем и

информационно-управляющих систем научных исследований.

На базе микроэлектронной технологии разработан ряд

миниатюрных чувствительных элементов (сенсоров),

позволивших обеспечить контроль в промышленных условиях

микроконцентраций веществ, присутствующих в растворах и

газах. С их использованием созданы разнообразные

приборы для экспрессного анализа и диагностики

состояния технологических объектов.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

За последние годы существенно расширилась

номенклатура используемых в промышленности средств

измерений, поскольку многие приборостроительные фирмы

мира имеют представительства в России и продают свою

продукцию.

Резистивные датчики температуры (РДТ) и термопары

имеют собственное место в измерениях температур в

промышленности. Знание их достоинств и недостатков

поможет правильно выбрать датчик для конкретного

применения.

Приблизительно 50–60% всех измерений температуры в

промышленности выполняются термопарами, 30-40% -РДТ, а

остальные измерения - другими датчиками, например,

термисторами или оптическими пирометрами. В большинстве

приложений лучшим выбором оказывается РДТ, поэтому их

доля на рынке постоянно увеличивается.

В последние годы появилось множество других

температурных датчиков, включая интеллектуальные

датчики, например, волоконно-оптические.

Интеллектуальные датчики, несомненно, займут свое место

на рынке, но термопары и РДТ, как ожидается, не сдадут

своих лидирующих позиций в промышленных процессах и

останутся таковыми в обозримом в будущем.

Эти датчики используются более столетия, но за

это время практически не изменились и все еще остаются

лучшим инструментальным средствам для проведения

температурных измерений в промышленности.

Приблизительно 50-60% всех измерений температуры в

промышленности выполняются термопарами, 30-40% - РДТ, а

остальные измерения – другими датчиками, например,

термисторами или оптическими пирометрами. В большинстве

приложений лучшим выбором оказывается РДТ, поэтому их

доля на рынке постоянно увеличивается.

За последние три десятилетия произошел большой

прогресс в разработке и оснащении новой аппаратурой

технологических процессов. Это касается появления

интеллектуальных температурных датчиков, цифровой

обработки аналоговых сигналов датчиков, обеспечения

цифрового отображения показаний и компьютерного

управления. Несмотря на все это, первичными элементами

для измерения температур, как в самых обычных, так и в

интеллектуальных температурных датчиках, по большей

части, все еще остаются термопары или РДТ. Эти датчики

используются более столетия, но за это время

практически не изменились и все еще остаются лучшими

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

инструментальными средствами для проведения

температурных измерений в промышленности.

При метрологической проверке каналов измерения

температуры термопара ХК(L) – контроллером АДАМ 5510

была обнаружена ошибка, в измерении достигающая 8°C в

диапазоне до 600°C. [1]

Целью данной работы было создание стенда для

измерения температуры с использованием устройства ИПМ

0399/M3 , и широко используемых датчиков – температуры

ТХК и термосопротивлений, а также проверка погрешностей

измерительных каналов.

Для достижения цели решались следующие задачи:

• Монтаж системы с ИПМ0399/М3 и датчиками.

• Проведение измерений температуры кипящей воды как

фиксированной точки устройством ИПМ0399/М3 и

образцовым прибором Р4833 с датчиками ТСМ, ТСП и

ТХК.

а б в

• Расчет погрешностей каналов и сравнение

рассчитанных погрешностей с погрешностями каналов

полученными экспериментально.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Конструкции и материалы для изготовления термопар

весьма разнообразны (рис.1.1.1.1) и определяются

физическими и химическими свойствами веществ,

температуру которых необходимо измерять.

Рисунок 1.1.1.1 - Конструкции термопар.

Чувствительный элемент промышленной термопары

расположен в специальной защитной арматуре,

обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических

повреждений и воздействия измеряемой среды. На рисунке

1.1.1.2 показана конструкция технологического ТТ.

Рисунок 1.1.1.2 - Конструкция термоэлектрической термопары.

Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или

неподвижный штуцером 2, и головку 3, внутри которой

расположено контактное устройство 4 с зажимами для

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

соединения термоэлектродов 5 с проводами, ищущими от

измерительного прибора к термометру.

Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от

друга и от защитной арматуры керамическими трубками

(бусами) 6.

Защитные чехлы выполняются из газонепроницаемых

материалов, выдерживающих высокие температуры и

агрессивное воздействие среды. При температурах до

1000˚С применяют механические чехлы из углеродистой и

нержавеющей стали, при более высоких температурах –

керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из

диборида циркония и т.п.

В качестве термоэлектродов используется проволока

диаметром 0,5мм (благородные металлы) и до 3мм

(неблагородные металлы).Спай на рабочем конце 7

термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием.

Последний способ используется для вольфрам–рениевых и

вольфрам–молибденовых термопар.

Рабочий конец термопреобразователя изолируют от

защитной арматуры керамическим наконечником, который в

некоторых конструкциях для уменьшения тепловой

инерционности, может отсутствовать.

Термопреобразователи могут иметь штуцер 2 для

крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных

проводов измерительных приборов.

Сварка проводов, изготовленных из разных металлов,

выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое

по размеру соединение - спай. Провода можно просто

скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет

большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют

пайкой, однако верхний температурный диапазон такой

термопары ограничен температурой плавления припоя. При

температурах, близких к температуре плавления припоя,

контакт разнородных металлов в термопаре может

нарушаться. Термопары, изготовленные сваркой,

выдерживают более высокие температуры, однако

химический состав термопары и структура металла в месте

сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу

температурных коэффициентов термопар. Под действием

высоких температур может произойти раскалибровка

термопары вследствие изменения диффузии компонентов

металла в месте сварки. В таких случаях термопару

следует откалибровать заново или заменить.

Различают три основных типа термопар (рис. 1.1.1.3).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

а) б) с)

Рисунок 1.1.1.3 - Типы термопар.

а)с открытым контактом

б)с изолированным незаземленным контактом

с)с заземленным контактом

Термопары с открытым контактом имеют малую

коррозионную стойкость и малую постоянную времени и

пригодны для измерения температуры жидкости и газа в

потоке, а также твердых тел. Два других типа термопар

пригодны. Для измерений в агрессивных средах.

Особенностью термопар по сравнению с другими типами

термодатчиков является то, что температурный

коэффициент зависит только от материала, из которого

изготовлена термопара и не зависит от ее конструкции

(термопары выполняются в форме щупа, прокладки,

бронированного зонда, и т.п.). Это делает термопары

взаимозаменимыми без дополнительной подстройки.

Таблица 1.1.1.1 - Основные типы термопар и их параметры в

соответствии с международной спецификацией.

* Приведены типы, совпадающие с международными стандартами

При высоких температурах сопротивление материала

изоляции термопары уменьшается и токи утечки через

изоляцию могут вносить погрешность в результат

измерения. Погрешность термопары возрастает также при

Экран

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего

возникает гальванический эффект.

Таблица 1.1.1.2 – Основные варианты конструктивного исполнения

термопар.

В таблице 1.1.1.3 Представлен перечень основных

типов ТП с их химическим составом и пределами

измеряемых температур.

Таблица 1.1.1.3 Химический состав основных типов ТП и пределы

измеряемых температур

Примечания:

1. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики

(НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584-1, кроме

термопары хромель-копель (L), не нормируемой данным стандартом.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Термоэлектродные материалы обычно поставляются в соответствии с пределами

допускаемых отклонений, нормированных для температур выше –40°С. Для

измерения низких температур при заказе термоэлектродных материалов должны

быть оговорены требования на допускаемые отклонения, соответствующие, как

правило, 3 классу.

3. По стандарту ФРГ DIN 43710 тип L соответствует термопаре Fe-CuNi (железо-

медь-никель), отрицательный термоэлектрод которой ближе по составу к копелю.

Её значение термоэдс (Е) немного больше, чем у термопары железо-константан

(J).

В таблице 1.1.1.4 перечислены рекомендуемые рабочие

атмосферы для разных типов ТП.

Таблица 1.1.1.4 Рекомендуемые рабочие атмосферы

Примечания.

«++»—рекомендуемая атмосфера; «+»—эксплуатация в данной атмосфере возможна;

«–»—нерекомендуемая атмосфера.

Действие термоэлектрических термометров основано на

явлении возникновения электродвижущих сил в цепи,

составленной из разнородных проводников. Для построения

термоэлектрических термометров используется замкнутая

электрическая цель (рис.1.1.2.1), состоящая из

разнородных проводников А и В при различном нагревании

мест спаев.

Рисунок 1.1.2.1 – Схема термоэлектрической цепи состоящей из

двух проводников.

При размыкании цепи (рис.1.1.2.1.1а) между ее

разъединенными концами возникает термоэлектродвижущая

сила.

Соответственно классической электронной, а также

квантовой теории в любом металле электроны проводимости

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com