Дипломная работа - Программно-аппаратный комплекс для измерения температуры

Подождите немного. Документ загружается.

образуют “электронный газ”, подобный идеальному газу. В

связи с неодинаковой плотностью “электронного газа” в

разных металлах его давление будет различным. Поэтому

при соприкосновении металлов, электроны из металла с

большим давлением “электронного газа” будут стремиться

в металл с меньшим давлением, что приводит к избытку

положительного электричества в одном металле и

отрицательного - в другом. В результате возникает

контактная разность потенциалов между электродами,

которая для разомкнутой цепи определяется выражением:

(1.1.2.1)

где AA и AB - работы выходов электронов из металла А и

металла В, в дж;

e-абсолютная величина заряда электрона в Кл;

k-постоянная Больцмана в дж/град.;

-температура спая в °К;

, -концентрации свободных электронов в металлах А и В.

Для замкнутой цепи, состоящей из двух проводников А

и В (рис.1.1.2.1б) электродвижущая сила, приложенная в

этой цепи, равна алгебраической сумме разностей

потенциалов всех спаев:

(1.1.2.2)

Если температуры обоих спаев одинаковы, то общая

термоэлектро-движущая сила замкнутой цепи будет

(1.1.2.3)

если же спаи имеют разные температуры и ,

причем , то

(1.1.2.4)

(1.1.2.5)

где n, - постоянный коэффициент, зависящий от свойств

металлов А и В.

Выражение (1.1.2.4) является основным уравнением

метода. Оно определяет развиваемую спаем металлов

электродвижущую силу как линейную функцию разности

температур нагрева спаев. Сохраняя неизменной

температуру одного из спаев, зависимость (1.1.2.4)

можно записать в виде:

(1.1.2.5)

где - постоянный коэффициент данной пары металлов А и

В при =0° С = const

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

Зависимость (1.1.2.5) является уравнением прямой

проходящей из начала координат. В действительности из-

за того, что коэффициент α0 при значительном изменении

температуры, вызывающем изменение отношения плотностей

nA/nB, не остается постоянным, зависимость будет

нелинейной и выражаться уравнением:

(1.1.2.6)

где, и - постоянные, зависящие от химического

состава электродов А и В данной термопары, -

измеряемая температура.

В большинстве случаев коэффициент - является весьма

малой величиной, поэтому статическая характеристика

термопары может быть с незначительной погрешностью

принята линейной, соответственно ее уравнением будет

выражение (1.1.2.6)

Таким образом, алгоритм измерения температуры

должен состоять из следующих шагов:

а) измерение температуры холодного спая;

б) преобразование этой температуры в эквивалентное

напряжение на выводах холодного спая термопары,

используя градуировочную таблицу термопары или

линеаризующее уравнение;

в)добавление этого напряжения к измеренному напряжению

на выводах термопары;

г) преобразование полученного напряжения, в температуру

используя градуировочную таблицу термопары или

линеаризующее уравнение.

Линеаризация температурной зависимости.

Температурная зависимость напряжения на выходе

термопары является сильно нелинейной. Поэтому для

нахождения температуры по измеренному значению

напряжения необходимо использовать таблицу или

нелинейную функцию, аппроксимирующую табличные данные.

Для аналитической аппроксимации табличных значений

обычно используют полином вида:

EаЕаЕааТ ⋅+⋅+⋅+=

...

210

(1.1.2.7)

где V-измеренное напряжение в микровольтах;

Т-температура ˚С;

,... ,-коэффициенты полинома, которые индивидуальны

для каждого типа термопары.

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

К сожалению, у большинства термопар зависимость

термо-ЭДС от температуры в некоторых диапазонах имеет

нелинейный характер (рис.1.1.2.1).

Рисунок 1.1.2.1 – Зависимость ЭДС от температуры.

Основная причина этого – зависимость коэффициента

Зеебека от температуры, примерный вид который показан

на рисунке 1.1.2.2.

Рисунок 1.1.2.2 – Зависимость коэффициента Зеебека от

температуры.

Для достижения высокой точности измерений

термопарного термометра во всем диапазоне рабочих

температур необходима его калибровка. Простейший (и,

кстати, наиболее точный) метод калибровки заключается в

составлении и размещении в памяти ЭВМ таблицы

соответствия значений термоЭДС и температуры,

измеренной с помощью образцового термометра.

Единственным серьезным недостатком табличного метода

является его высокая ресурсоемкость (при широком

температурном диапазоне требуется очень большой объем

таблицы). Наряду с табличной используется также полино-

миальная аппроксимация

(1.1.2.8)

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

где Т-температура, Х—выходное напряжение термопары.

Коэффициенты и порядок полинома n определяются по

градуировочным таблицам для каждого типа термопары.

Для ряда стандартных термопар эти коэффициенты

установлены стандартом NIST (National Institute of

Standards and Technology) [13] и приведены в таблице

2,3 приложения [Б]. Эта таблица получена при условии,

что холодный спай термопары находится при температуре

0 ˚С.

Схемы включения термопар.

Рабочий конец термоэлектрического преобразователя

погружается в среду, температуру которой требуется

измерить. Свободные концы подключаются к вторичному

прибору. Если температура свободных концов постоянна и

известна, то подключение может быть сделано медным

проводом, а если не постоянна и неизвестна, то оно

выполняется специальными удлинительными

(компенсационными) проводами. В качестве последних

используются два провода из различных материалов.

Провода подбираются так, чтобы в паре между собой они

имели такие же термоэлектрические свойства, как и

рабочая термопара.

Пояснения к различным схемам подключения термопар:

а: схема, требующая минимальных затрат;

б: обычное подключение;

в: подключение для измерения разности температур;

г: последовательное включение нескольких термопар

(термобатарея);

д: параллельное подключение;

е: схема с переключением точек измерения (логометром);

ж: автоматическая компенсация температуры свободных

концов термопары;

1-собственно термопара;

2-место подключения термоэлектродов к термоэлектродным

проводам;

3-термоэлектродные провода;

4-место свободных концов термопары (холодный спай; все

клеммы должны находиться при одной и той же

температуре);

5-медные провода.

При подсоединении к термопаре компенсационные

провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный

спай до измерительного прибора.

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

Рисунок 1.1.2.3-Схемы подключения термоэлектрических термометров

(термопар).

Удлинительные провода

Стандартные удлинительные провода маркируются. При

включении этих проводов в цепь ТП необходимо соблюдать

полярность, иначе при измерениях возникает погрешность,

равная удвоенной погрешности, которую старались

устранить с помощью удлинительных проводов.

Промышленность выпускает удлинительные провода в виде

скомплектованного (двухжильного) кабеля с жилами

различных цветов.

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

Таблица 1.1.2.2

Тип ТС

Услов-

ное

Обоз-

начение

НСХ

Материал

термоэлектрода

Материал

удлинительного

привода, марка и

цвет оплетки

Термо

ЭДС,мВ

при

t=100

˚C,

Сопротивлен

ие 1м, Ом

для

сечения,

мм

Положи-

тельного

Отрица-

тельного

Положи-

тельного

Отрица-

тельного

1 2,51

Платино-

родий-

платина

ПП

(R,S)

Платино-

родий

(90%Pt+10

%Rh)

Платина

Медь П,

красный

или

розовый

Меднони-

келевый

(99.4%

CU)

зеленый

0.64±

0.03

0.05 2.5

Платино-

родий-

платино-

родий

ПР(В)

Платино-

родий

(70%Pt+30

%Rh)

Платино-

родий

(94%Pt+6%R

_ _ _ 0.05 0.02

Хромель

алюмель

ХА(К)

Хромель

(89%Ni+9.

9%Cr+1%Fe

+0.2%Mn)

Алюмель

(94%Ni+2%

Al+2.5%Mn

+1%Si+0.5

%Fe)

Медь M,

красный

или

розовый

Констант

ан

(42%Ni+5

8%Cu),ко

ричневый

4.10±

0.16

0.52 0.02

Хромель-

копель

ХК(L)

Хромель

(89%Ni+9.

9%Cr+1%Fe

+0.2%Mn)

Копель

(55%Cu+45

%Ni+Co)

Хромель

фиолетовы

й или

черный

Копель,

желтый,

ораньже-

вый

6.95±

0.20

1.15 0.21

Железо-

копель

ЖК Железо

Копель

(55%Cu+45

%Ni+Co)

Железо

ЖК. белый

Копель,

желтый,

ораньже-

вый

5.57 0.60 0.46

Медь-

копель

МК(М) Медь

Копель

(55%Cu+45

%Ni+Co

Медь MК,

красный

или

розовый

Копель,

желтый,

ораньже-

вый

4.76 0.50 0.24

Медь-

констант

ан

МКн(Т) Медь

Константа

(42%Ni+58

%Cu)

Медь MК,

красный

или

розовый

Констан-

тан

коричне-

вый или

черный

4.10±

0.16

0.52 0.20

Вольфрам

– рений

Вольфрам

– рений

ВР

(А1,А2,

А3)

Вольфрам

– рений

Вольфрам

– рений

Медь MК,

красный

или

розовый

Медно-

никелевы

й синий

или

голубой

1.33±

0.03

0.20 0.21

Вольфрам

молибден

ВМ Вольфрам молибден

Медь MК,

красный

или

розовый

Медно-

никелевы

(99.7%Cu

+0.3%Ni)

0.40±

0.03

0.05 0.04

В связи с высокой стоимостью термопарных кабелей по

сравнению, например, с медными при значительной

удаленности прибора от датчика более целесообразно в

ряде случаев присоединение датчика к прибору

осуществлять четырехжильным медным кабелем. При этом

две жилы кабеля подключаются к термоэлектродам

термопары, а две к термосопротивлению, контролирующему

температуру свободных концов термопары. Как в этом

случае, так и при подключении термопары непосредственно

к зажимам прибора, необходимо обеспечить хороший

тепловой контакт термосопротивления с выводами

термопары.

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

При измерении температуры до +600°С более

предпочтительным является использование термопары

ХК(L), имеющей в 1,5…2 раза большую термо-ЭДС, чем

ХА(K). С другой стороны, для ТП ХК(L) не существует

недорогого термокомпенсационного провода. Поэтому при

большой удаленности датчика от прибора лучше применять

ТП ХА(K) и удлинительный провод МК.

Существует несколько программных и аппаратных

способов обеспечения точности измерений с помощью

термопар, из которых наибольшее распространение получил

метод схемы компенсации холодного спая (в англоязычной

литературе — CJC). Суть его заключается во введении в

измерительную цепь источника напряжения с ЭДС равной по

величине и противоположной по знаку термоЭДС контакта J

(рис.1.1.2.4).

Рисунок 1.1.2.4 – Схема компенсации холодного спая.

Разумеется, эта ЭДС должна также зависеть от

температуры окружающего воздуха, поэтому, как правило,

частью такого источника является интегральный

полупроводниковый датчик температуры. В приведенной

схеме использован полупроводниковый датчик AD590 и

источник опорного напряжения AD580. Существуют также

специальные микросхемы для подключения термопар, со-

держащие устройства компенсации холодного спая, усили-

тели и схемы контроля исправности термопар. Примером,

правда, несколько устаревшим, может служить микросхема

АD595, типовая схема включения которой приведена на

рисунке 1.1.2.5.

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

Рисунок 1.1.2.5–Подключение термопары с помощью микросхемы

AD595.

Обычно такие устройства уже входят в состав готовых

измерительных модулей и контроллеров для подключения

термопар, и у пользователя не возникает необходимости

создавать и настраивать их самому.

Главные преимущества термопар:

• широкий диапазон рабочих температур, это самый

высокотемпературный из контактных датчиков.

• спай термопары может быть непосредственно заземлен

или приведен в прямой контакт с измеряемым

объектом.

• простота изготовления, надежность и прочность

конструкции.

Недостатки термопар:

• Необходимость контроля температуры холодных спаев.

В современных конструкциях измерителей на основе

термопар используется измерение температуры блока

холодных спаев с помощью встроенного термистора или

полупроводникового сенсора и автоматическое

введение поправки в измеренную ТЭДС.

• Возникновение термоэлектрической неоднородности в

проводниках и. как следствие, изменение

градуировочной характеристики из-за изменения

состава сплава в результате коррозии и других

химических процессов.

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

• Материал электродов не является химически инертным

и при недостаточной герметичности корпуса

термопары, может подвергаться влиянию агрессивных

сред атмосферы и т. д.

• На большой длине термопарных и удлинительных

проводов может возникать эффект «антенны» для

существующих электромагнитных полей.

• Зависимость ТЭДС от температуры существенно не

линейна. Это создает трудности при разработке

вторичных преобразователей сигнала.

• Когда жесткие требования выдвигаются к времени

термической инерции термопары, и необходимо

заземлять рабочий спай, следует обеспечить

электрическую изоляцию преобразователя сигнала для

устранения опасности возникновения утечек через

землю.

Рекомендации по выбору термопары.

Термопары из неблагородных металлов:

Тип J (железо-константановая)

• Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т к.

конденсация влаги на железном выводе приводит к

образованию ржавчины;

• Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы;

• Максимальная температура применения -500°С, т.к

выше этой температуры происходит быстрое окисление

выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере

серы.

• Показания повышаются после термического старения

• Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая)

• Преимуществом является высокая чувствительность.

• Термоэлектрическая однородность материалов

электродов.

• Подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая)

• Может использоваться ниже 0°С;

• Может использоваться в атмосфере с небольшим

избытком или недостатком кислорода;

• Не рекомендуется использование при температурах

выше 400°С;

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

• Не чувствительна к повышенной влажности;

• Оба вывода могут быть отожжены для удаления

материалов, вызывающих термоэлекрическую

неоднородность.

Тип К(хромель-алюмелевая)

• Широко используются в различных областях от -100°С

до+1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от

диаметра термоэлектрода);

• В диапазоне от 200 до 500°С возникает эффект

гистерезиса, те показания при нагреве и охлаждении

могут различаться. Иногда разница достигает 5°С;

• Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере

с избытком кислорода;

• После термического старения показания снижаются,

• Не рекомендуется использовать в разряженной

атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr

вывода (так называемая миграция), термопара при

этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную

температуру;

• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к.

воздействует на оба электрода.

Тип N(нихросил-нисиловая)

• Это относительно новый тип термопары, разработанный

на основе термопары типа К. Термопара типа К может

легко загрязняться примесями при высоких

температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием,

можно тем самым загрязнить термопару заранее, и

таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения

во время работы.

• Рекомендуемая рабочая температура до 1200°С

(зависит от диаметра проволоки)

• Кратковременная работа возможна при 1250°С;

• Высокая стабильность при температурах от 200 до

500°С (значительно меньший гистерезис, чем для

термопары типа К).

Термопары из благородных металлов.

Тип S (платнородий-платиновая)

• Рекомендуемая максимальная рабочая температура

1350°С;

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