Дипломная работа - Программно-аппаратный комплекс для измерения температуры

Подождите немного. Документ загружается.

Стандарт МЭК и российский стандарт допускает задание

производителем специальных допусков для платиновых ТС,

на основе допуска класса В. Эти допуски гарантируются

заводом и составляют обычно 1/3 В или 1/6 В. Однако,

как отмечает, например, фирма АМЕТЕК в своем

руководстве, эти допуски могут реально означать только

приближение термометра к номинальному сопротивлению при

0°С, при этом зависящая от температуры часть

погрешности обычно не изменяется.

Стабильность

Стабильность определяется как изменение

сопротивления в какой-либо постоянной температурной

точке (чаще всего 0°С) за определенный период времени.

Данные по стабильности не всегда приводятся в каталогах

зарубежных фирм. В большинстве случаев они приводятся

для проволочных платиновых ЧЭ при нормальных условиях

применения, в пределах номинальных рабочих температур и

уровня вибрации. Некоторые фирмы считают, что хорошим

показателем является стабильность сопротивления

0,05°С/год. Большинство фирм дает другую оценку -

стабильность ТС по их мнению составляет не более 0,1°С.

Однако стабильность может сильно снизится при

отклонении от нормальных условий, использовании ТС в

среде, подверженной резким колебаниям температуры.

Стандартные требования к стабильности ТС и ЧЭ меняются

с совершенствованием конструкций и технологии

изготовления термометров. После обсуждения в рабочей

группе экспертов по температуре, в новый стандарт ГОСТ

Р 8.625 (п.6.5) были включены следующие требования:

• 6.5 Стабильность чувствительных элементов и

термометров сопротивления

• 6.5.1 После выдержки ЧЭ при температуре верхнего

предела рабочего диапазона температур в течение

1000ч сопротивление ЧЭ при 0°С должно оставаться в

пределах допуска соответствующего класса.

• 6.5.2 После выдержки ТС при температуре верхнего

предела рабочего диапазона температур в течение

250ч сопротивление ТС при 0°С должно оставаться в

пределах допуска соответствующего класса.

Сопротивление изоляции ТС должно соответствовать

требованиям 6.3.

Примечания

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

1) Время проверки стабильности 250ч устанавливают

только для ТС, ЧЭ которых предварительно были испытаны

на стабильность в течение 1000ч.

2) Для ТС, предназначенных для длительного

использования без поверки и для ТС, устанавливаемых на

особо важных объектах требования к стабильности должны

быть повышены, время температурной выдержки при верхнем

пределе рабочего диапазона температур увеличено. Данные

требования должны быть установлены техническими

документами на ТС конкретных типов.

Важнейшим показателем надежности конструкции

является стабильность сопротивления в процессе

термоциклирования. К сожалению, конкретные данные по

термоциклированию не приводятся в описании типа и

каталогах на импортные ЧЭ и ТС. Чаще всего технические

характеристики декларируются соответствующими стандарту

МЭК. В ГОСТ Р 8.625 (п.6.6) установлены следующие

требования к стабильности ТС при циклическом изменении

температуры:

6.6 Устойчивость термометров сопротивления к

циклическому изменению температуры.

После 10 циклов изменения температуры ТС от верхнего

до нижнего предела рабочего диапазона сопротивление при

0°С должно оставаться в пределах допуска

соответствующего класса.

Примечание - Для ТС, предназначенных для работы в

условиях быстроменяющейся температуры и для ТС,

устанавливаемых на особо важных объектах, требования к

устойчивости к температурным циклам должны быть

повышены, число циклов увеличено. Данные требования

должны быть установлены техническими документами на ТС

конкретных типов.

Сопротивление изоляции

Корпус термометра сопротивления обычно заполняется

неорганической изоляцией из оксида алюминия или магния.

Эти материалы в большой степени гигроскопичны, и как

только небольшое количество влаги проникает в

термометр, происходит эффект шунтирования

чувствительного элемента термометра. Проверка

сопротивления изоляции ТС – одно из важнейших испытаний

при выпуске из производства. Проверка происходит путем

измерения сопротивления между корпусом ТС и выводами

при испытательном напряжении от 10 до 50 В. При

комнатной температуре сопротивление изоляции должно

быть более 100 Ом.

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

Падение сопротивления изоляции – основная причина

снижения точности термометра или даже выхода его из

строя. Большое значение для предотвращения этого

эффекта имеет надежная герметизация ЧЭ, особенно при

работе термометра в условиях повышенной влажности.

Тепловая инерционность датчика

Скорость реакции ЧЭ на изменение температуры

процесса зависит от конструкции ЧЭ, материала корпуса

термометра, изоляции между ЧЭ и корпусом (таблица

1.2.3.2). Для снижения инерции используются специальные

способы точной подгонки размеров корпуса и ЧЭ,

специальные изолирующие теплопроводящие материалы.

Таблица 1.2.3.2 - Примерное время термической реакции для

платиновых ТС различного диаметра.

Описание ТС

Время термической реакции

(63% от полного изменения)

ЧЭ 0,3-3 с

Диаметр 3,5 мм 2-3 с

Диаметр 5,0 мм 4-5 с

Диаметр 6,0 мм 5-7 с

Диаметр 6,0 мм,

вмонтированный в гильзу

15-20 с

Длина ТС.

Длина ТС должна выбираться исходя из необходимой

глубины погружения ТС. Глубина погружения термометра в

объект измерения является важным фактором, влияющим на

погрешность измерения температуры объекта, возникающую

из-за тепловых потерь от ЧЭ в окружающую среду. В

стандарте МЭК определен критерий достаточной глубины

погружения: при погружении ниже этой глубины ТС должен

менять показания не более допуска. Минимальная глубина

погружения в высокой степени зависит от условий

теплообмена, состава среды (жидкость, газ), скорости

потока. Для предварительного выбора необходимой длины

ТС предлагается следующая таблица, задающая

коэффициент, на который необходимо умножить диаметр

корпуса ТС, чтобы получить минимальную глубину

погружения (таблица 1.2.3.3).

К полученной глубине следует прибавить длину ЧЭ

термометра, которая может составлять от 5 до 60мм. Если

диаметр трубы с теплоносителем, в которую должен быть

вставлен ТС, меньше рассчитанной минимальной глубины

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

погружения применяют установку ТС под углом к

поверхности трубы, или в месте изгиба трубы.

Таблица 1.2.3.3 – Предварительный выбор длины погружения ТС.

Среда

Динамический

поток

Статические

условия

жидкая 5-10

10-20

воздушная

10-20 20-40

В новом стандарте ГОСТ Р 8.625-2006 приведены

правила отбраковки ТС потребителем. В них установлено,

что забраковать ТС можно только, если отклонение

сопротивления термометра от НСХ лежит полностью вне

диапазона, обусловленного расширенной неопределенностью

измерения температуры в рабочих условиях. Поэтому

становится очень актуальной проблема оценки

неопределенности, возникающей при измерении температуры

на объекте. Источники неопределенности измерения

температуры промышленным термометром сопротивления

можно разделить на источники, связанные с физическими

условиями работы ТС и электрическим преобразованием

сигнала.

• теплопроводящие свойства данной конструкции

термометра и монтажных элементов;

• перенос тепла излучением в окружающую среду;

• теплоемкость датчика температуры;

• скорость изменения измеряемой температуры;

• утечки тока (качество заземления);

• электрические шумы;

• точность измерителя или преобразователя сигнала.

Необходимо всегда учитывать, что термометр

фактически регистрирует температуру его собственного

чувствительного элемента, а не температуру среды или

объекта в которую он погружен. То, на сколько

температура ЧЭ близка к измеряемой температуре объекта

зависит от суммарного теплового сопротивления между ЧЭ

и объектом. Монтаж термометра в измерительный канал

осуществляется, как правило, с помощью прижимающей

пружины, канал иногда заполняется теплопроводящим

материалом. Если контакт с объектом нарушен, то это

может привести к ложным значениям регистрируемой

температуры. Для проверки теплового контакта

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

разработаны специальные методики, наиболее

распространенная из которых исследование времени

реагирования ТС на импульсный нагрев током.

Существует большое количество измерительных мостов и

потенциометров, работающих в комплекте с термометрами

сопротивления. Причем отечественные приборы не

уступают, а иногда превосходят по качеству импортные

установки. Термометры сопротивления могут

подключаться к измерительной установке по двух-, трех-,

и четырехпроводной схемам. Причем для ТС классов АА и

А двухпроводная схема не допустима, т. к. в данном

случае, сопротивление подводящих проводов включается в

полное измеренное сопротивление термометра и приводит к

значительному снижению точности измерения даже если

номинальное сопротивление вводов приведено в

документации и учитывается в расчетах.

Выбор измерительного тока также влияет на точность

измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень

тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может

вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание

значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ

измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется

использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае

погрешность не превысит 0,1°С. Для снижения эффекта

нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный

ток.

Используются двух-, трех- или четырехпроводные схемы

подключения датчика к измерительному устройству. Они

хорошо известны и поэтому не будут детально

описываться. Но все же коротко рассмотрим основные

аспекты их применения. Двухпроводная схема подключения

используется там, где подводящие провода являются очень

короткими, и может быть допущена некоторая ошибка

измерения. При трех проводном подключении имеются три

подводящих проводника вместо двух, что позволяет в

некоторой степени уменьшить ошибки измерения, вносимые

протеканием тока через подводящие провода. Четырех

проводная конфигурация может быть рекомендована для

получения наилучших результатов измерения.

Ток возбуждения датчика проходит через одну пару

проводов, а измерение сопротивления осуществляется

через другую пару. Это исключает ошибку, вызванную

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

разным сопротивлением подводящих проводов. Этот способ

более дорог, чем двух - или трех проводные конфигурации

(особенно при длинных линиях связи), но это лучший

способ обеспечения высокой точности измерения.

Рисунок 1.2.4.1 – Схема соединения внутренних проводок ТС с ЧЭ.

Параметры датчиков

При выборе конкретного датчика должны

анализироваться следующие его характеристики:

схема подключения (двух-, трех- или

четырехпроводная);

саморазогрев;

точность;

стабильность;

повторяемость;

время выхода на режим.

Для R

<1 (t<0°C) приближенная обратная функция

для НСХ, позволяющая проводить расчет температуры по

сопротивлению ТС с точностью 0,002°С, следующая:

(1.2.5.1)

Для R

<1 (t<0°C), обратная функция для НСХ следующая:

(1.2.5.2)

где t–температура по МТШ-90, °С;

–сопротивление при температуре t, Ом;

–номинальное сопротивление при температуре 0°С, Ом;

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

Значения постоянных для ТС с различным a следующие:

Постоянная

α =0,00385°С

α =0,00391°С

А 3,9083·10

°С

3,9690·10

°С

В -5,775·10

°С

-5,841·10

°С

255,819°C 251,903°С

9,14550°C 8,80035°С

-2,92363°C -2,91506°С

1,79090°C 1,67611°С

Медные термометры сопротивления

Для медных ТС в диапазоне температур от 0°С до

200°С обратная функция для НСХ следующая:

(1.2.5.3)

где t – температура по МТШ-90, °С;

–сопротивление при температуре t, Ом;

–номинальное сопротивление при температуре 0°С, Ом;

A=4,28*10

-3

°C

-1

В диапазоне от минус 180°С до 0°С приближенная

обратная функция, позволяющая производить расчет

температуры по сопротивлению ТС с точностью ± 0,002 °С,

(1.2.5.4)

где t – температура (МТШ-90), °С;

–сопротивление при температуре t, Ом;

–номинальное сопротивление при температуре 0°С, Ом;

Значения постоянных следующие:

= 233,87°С;

= -2,0062°С;

= 7,9370°С;

= -0,3953°С.

Никелевые термометры сопротивления:

В диапазоне от минус 60°С до плюс 100 °С обратная

функция для НСХ следующая:

(1.2.5.5)

В диапазоне от 100°С до 180°С приближенная обратная

функция для НСХ, позволяющая производить расчет

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

температуры по сопротивлению ТС с точностью ± 0,002 °С,

(1.2.5.6)

где t – температура по МТШ-90, °С;

–сопротивление при температуре t, Ом;

– номинальное сопротивление при температуре 0°С, Ом;

Значения постоянных следующие:

5,4963*10

°С

;

6,7556*10

°С

;

144,096 °C;

-25,502°C;

4,4876°C.

Интерполяционные зависимости для рабочих

термометров сопротивления

1. Платиновые ТС и ЧЭ, α=0,00385°С

-1

Для диапазона измерений от минус 200°C до 0°C :

[1+At+Bt

+С(t–100°C)t

]. (1.2.5.7)

Для диапазона измерений от 0°C до 850°C:

(1+At+Bt

) (1.2.5.8)

где R

–сопротивление ТС, Ом, при температуре t°С,

–номинальное сопротивление ТС, Ом, при температуре

0°С.

Значения постоянных следующие:

A=3,9083*10

-3

°C

-1

;

B=-5,775*10

-7

°C

-2

;

C=-4,183*10

-12

°C

-4

2. Платиновые ТС и ЧЭ, α=0,00391°С

-1

Для диапазона измерений от минус 200°C до 0°C:

[1+At+Bt

+С(t–100°C)t

]. (1.2.5.9)

Для диапазона измерений от 0°C до 850°C:

(1+At+Bt

) (1.2.5.10)

где R

–сопротивление ТС, Ом, при температуре t, °С,

–номинальное сопротивление ТС Ом, при температуре 0°С.

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

Значения постоянных следующие:

A=3,9690*10

-3

°C

-1

;

B =-5,841*10

-7

°C

-2

;

C=-4,330*10

-12

°C

-4

3. Медные ТС и ЧЭ, α=0,00428°С

-1

Для диапазона измерений от минус 180 °C до 0 °C:

[1+At+Bt(t+6,7°С)+Сt

] (1.2.5.11)

Для диапазона от 0°C до 200°C:

[1+At] (1.2.5.12)

где R

– сопротивление ТС, Ом, при температуре t°С;

R0 – номинальное сопротивление ТС Ом, при температуре

0°С.

Значения постоянных следующие:

A=4,28*10

-3

°C

-1

;

B=-6,2032*10

-7

°C

-2

;

C=8,5154*10

-10

°C

-3

4. Никелевые ТС и ЧЭ, α=0,00617°С

-1

Для диапазона измерений от минус 60°C до плюс 100°C:

(1+At+Bt

) (1.2.5.13)

Для диапазона измерений от 100°C до 180°C :

[1+At+Bt

+С(t-100°C)t

] (1.2.5.14)

где R

– сопротивление ТС Ом, при температуре t°С;

– номинальное сопротивление ТС Ом, при температуре

0°С.

Значения постоянных следующие:

A=5,4963*10

-3

°C

-1

;

B=6,7556*10

-6

°C

-2

;

C=9,2004*10

-9

°C

-3

РДТ используются для измерений высоких температур

(примерно до 1000°C), но практически, оказывается,

трудно обеспечить точность измерения, если температура

превышает 400°C. Точно так же термопары могут

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

использоваться для измерения температур вплоть до

3000°C, но получить достоверные данные при температурах

выше 1000°C крайне трудно. К счастью, в наиболее

распространенных промышленных процессах температура

редко превышает 200 или 400°C, а здесь РДТ и термопары

работают достаточно хорошо. Проблема измерения высоких

температур заключается в ограниченных свойствах

материалов, использующихся при производстве датчиков.

Большинство материалов ухудшает свои свойства или даже

изменяет их при воздействии высокой температуры.

Например, изоляция датчиков обычно не может выдерживать

температуры близкие к 1000°C в течение любого

существенного промежутка времени.

Рис 1.3.1 Ключевые отличия РТД от термопары в зависимости от

температурного диапазона, линейности и относительного уровня

выходного сигнала.

На рис.1.3.1 приведены уровни выходных сигналов

типичного РДТ и термопары в зависимости от температуры.

Как видно, термопары работают в большем температурном

диапазоне, чем РДТ, а РДТ имеют больший относительный

уровень выходного сигнала по сравнению с термопарами.

Кроме того, РДТ более линеен, чем термопара.

RTD

100 200

300 4000

Температура (

С)

100

200

150

250

Прямая линия

Рис 1.3.2 Зависимость сопротивления РДТ от температуры

определяется полиномом второго порядка, известным как уравнение

Каллендар-Ван Дусена.

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