Дипломная работа - Программно-аппаратный комплекс для измерения температуры

Подождите немного. Документ загружается.

Сравнение выходного сигнала РДТ с прямой линией в

температурном диапазоне 0–400°C показано на рис.1.3.2.

Этот график дополняется рис.1.3.3, на котором

отображена разность между прямой линией и

характеристической кривой РДТ.

Температура(

С)

100 200 300 400

Рис. 1.3.3 Разность между характеристической кривой РДТ и прямой

линией в диапазоне 0-400

С составляет 6

Наблюдается разница почти в 6°C в центре

температурного диапазона. Для сравнения на рис.1.3.4

показано типовое различие между характеристическими

кривыми трех типов термопар и прямой в температурном

диапазоне 0–1000 °C.

(

С)

Рис 1.3.4 Разность между характеристическими кривыми наиболее

широко используемых в промышленных процесса термопар К-,J-, и Е-

типов в диапазоне температур 0-1000

С.

Как видно, термопары K-типа наиболее линейны из

всех трех типов в данном температурном диапазоне. Это

обстоятельство является одной из причин, по которой они

используются в промышленности более широко, чем

термопары типов J и E. На рис.1.3.5 показан уровень

выходного сигнала термопар K-, J-и E-типов как функция

температуры.

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

РДТ может быть выполнен из платины, меди, никеля

или из других металлов, которые имеют большой

температурный коэффициент сопротивления. Никель имеет

лучшую чувствительность, но он менее линеен. Медь имеет

хорошую линейность, но работает в ограниченном

температурном диапазоне. Сегодня почти все промышленные

РДТ изготавливаются из платинового провода, но сорок

лет назад из-за высокой стоимости платины предпочтение

отдавалось меди и никелю.

Рис 1.3.5 термопары видов E и J имеют лучший относительный

уровень выходного сигнала, чем термопары К-типа.

Дело в том, что стоимость самого датчика составляет

малую часть от полной стоимости канала измерения

температуры в промышленной системе, поэтому стоимость

провода больше не является определяющим фактором при

производстве промышленных РДТ. По этой причине в

прошлом термопары использовались гораздо чаще, но

сегодня различие в стоимости датчиков не существенно

при построении системы управления промышленным

объектом.

Саморазогрев РДТ

Как известно, РДТ — активный датчик. Чтобы измерить

его сопротивление, необходимо пропустить через него

маленький электрический ток (обычно не более 1 мА). Ток

заставляет платиновый элемент РДТ нагреваться выше

температуры среды, в которую он помещен. Величина

нагрева пропорциональна квадрату протекающего тока

(P=I

R) и коэффициенту теплопередачи между

чувствительным элементом РДТ и средой. Если РДТ

находится в среде с плохой теплопередачей, например, в

воздухе, он нагреется больше, чем, если бы он находился

в жидкости.

Выделение тепла на чувствительном элементе — одна

из основных причин возникновения погрешности при

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

проведении измерения температуры с помощью РДТ. Эти

ошибки, называемые ошибками саморазогрева, свойственны

абсолютно всем РДТ. Из-за саморазогрева РДТ не всегда

будет лучшим датчиком при проведении измерений в средах

с плохой теплопередачей типа газообразных носителей. В

этих случаях лучше использовать термопары, при условии,

что другие параметры процесса позволяют использовать

их. Обычно ошибка саморазогрева РДТ составляет менее

одной десятой градуса в жидкости, но она может

превышать градус или даже больше в воздухе или газовых

средах.

Неоднородность термопар

Во время эксплуатации у термопары могут появиться

посторонние соединения по длине проводов в результате

феномена холодного соединения металлов или

температурной разницы между температурой самой

термопары, непосредственно использующейся для

измерения, и температурой подводящих проводов.

Неоднородность проявляется как появление

дополнительного температурного градиента, что приводит

к возникновению ошибочного напряжения, положительного

или отрицательного по отношению к действительному

уровню, в зависимости от градиента температуры и

местоположения неоднородности. В результате термопара

может показать температуру, не соответствующую

реальности, иногда даже противоположного знака, чем

действительная.

Вибрации

Промышленный РДТ обычно сделан из тонкого

платинового провода, намотанного вокруг оправки.

Типичные габариты этой оправки: длина — 2–4см, диаметр

— несколько миллиметров. Провода удлинения приварены

непосредственно к платиновому проводу.

Вибрация, механический или тепловой удар могут

повредить сварной шов, что иногда приводит к отказу

РДТ. Поврежденное сварное соединение может также

вызвать непериодические сбои в показаниях РДТ. То есть

некоторое время датчик показывает положенные значения,

затем его показания вдруг сдвигаются в одно или другое

направление, а позже становятся снова нормальными. Это

происходит в том случае, когда в сваренном шве

образуются трещины и возникает спорадический контакт с

чувствительным элементом.

К выходу из стоя могут также привести механические

напряжения, которые платиновый провод испытывает при

его намотке на оправку. На практике, после намотки РДТ

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

для уменьшения механических напряжений его полезно

отжечь, а уже потом откалибровать. Из-за плохой

виброустойчивости РДТ, в тех случаях, когда по условиям

техпроцесса датчик должен подвергаться вибрациям,

механическим или тепловым ударам, лучше использовать

термопары.

Помехоустойчивость

РДТ имеют лучшую помехоустойчивость по сравнению с

термопарами, так как они имеют больший относительный

уровень выходного сигнала, чем термопары, и их выходной

сигнал может быть легче усилен. В шумовой обстановке

термопары могут работать подобно антенне, и их выходной

сигнал может потонуть в наведенных шумах. Фильтрация

помогает до тех пор, пока требования к времени отклика

не превысят критические.

Время отклика

О термопарах часто думают, что у них время отклика

лучше, чем у РДТ, но это не всегда так. Вообще,

термопара в свободном пространстве может иметь более

быстрое время отклика, чем РДТ. Но когда датчики

используются в изолирующем термокорпусе, время отклика

в большой степени зависит от воздушного промежутка

между чувствительным элементом датчика и стенкой

корпуса. В этом случае нет никаких причин полагать, что

термопары быстрее, чем РДТ. Практический опыт показал,

что корпусированные термопары зачастую медленнее, чем

такие же РДТ.

Точность

Как известно, РДТ более точны, чем термопары. Но

точно откалиброванная термопара может быть столь же

точна, как и РДТ. Однако РДТ держит свою калибровку

лучше и дольше, чем термопара. Кроме того, РДТ может

быть удален из технологического процесса и повторно

откалиброван, в то время как калибровка термопары

обычно не может быть произведена после ее

использования. Это происходит из-за того, что в

процессе эксплуатации у термопары могут появиться

неоднородности в проводах. Кроме того, если термопара

была удалена из технологического процесса и повторно

откалибрована, то любая неоднородность в проводах

термопары может оказать существенное влияние на

точность термопары.

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

Сравнение важных рабочих характеристик РДТ и

термопары приведены в таблице 1.3.1. Каждая галочка

показывает, какой датчик имеет лучшие характеристики в

обозначенном параметре.

Таблица 1.3.1

Характеристика РДТ Термопара

Точность V

Высокие температуры V

Линейность V

Измерение в воздухе

(газе)

Устойчивость к шумам V

Устойчивость к

вибрациям и ударам

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

В ходе осуществления практической части

данной дипломной работы был разработан и

смонтирован стенд для измерения температуры и

поверки, градуировки измерительного канала.

Основу данного комплекса составляют приборы

ИПМ0399/М3 (преобразователи измерительные

модульные) выпущенные на научно-производственном

предприятии «Элемер».

Рис 2.1.1 Внешний вид ИПМ-0399Ех/М3

К данному преобразователю возможно подключение

одного любого из нижеперечисленных первичных

преобразователей: 50М, 53М, 100М, 50П, 100П, Pt100,

ТХК(L), ТЖК(J), ТХА(K), ТПП(S), ТПП(R), ТПР(В), ТВР(А-

1), U 0..75mV, U 0..100mV, I 0..5mA, I 4..20mA, I

0..20mA, R 0..320Om.

Для реализации нашей работы были использованы два

преобразователя ИПМ-0399Ех/М3, термопара ТХК(L), ТСМ и

ТСП.

Работа на данном комплексе осуществима при наличии

навыков работы на компьютере. В которые входит знание

программы: «Настройка приборов серии ИПМ0399М3».

Подробная инструкция по работе с данной программой

изложена в следующем пункте.

Стенд для экспериментального определения

характеристик измерительного канала представлен на

рис.2.1.2.

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

220V

ИПМ 0399Ех/М3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15 16

171819202122

220V

ИПМ 0399Ех/М3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15 16

171819202122

220V

3 4 5

Рисунок.2.1.2 общая схема программно-аппаратного комплекса, 1-

термостат; 2-термометр ртутный; 3-термометр медный ТСМ-100М; 4-

термометр платиновый ТСП-100П; 5-термопара ТХК(L); 6,7-

преобразователь ИПМ-0399Ех/М3 и IBM-совместимый компьютер.

В ходе работы над проектом возникла необходимость

разработать принципиальные схемы подключения для

программно-аппаратного комплекса. Схема подключения

интерфейсного кабеля была разработана на основе

руководства по эксплуатации НКГЖ.411531.001-05.01РЭ.

Данная схема позволяет подключить одновременно два

преобразователя ИПМ к компьютеру. Для поочерёдного их

опроса и программирования.

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

Рис 2.1.3 Схема подключения интерфейсного кабеля.

Данное подключение позволяет оператору ЭВМ:

опрашивать преобразователи; программировать их;

выводить на экран график изменения измеряемого

параметра в реальном времени. Для вывода на экран

одновременно двух графиков с обоих преобразователей

существует программа OPCDataStore_v2.41, однако в ходе

проведения эксперимента выяснилось, что установленный

компьютер не поддерживает эту программу по аппаратным

условиям. Поэтому в настоящее время возможен просмотр

только одного графика в режиме реального времени.

Также была разработана схема эл.питания со своими

особенностями. В этой схеме реализован принцип

позиционного регулятора для питания термостата.

На рис.2.1.4 изображена принципиальная схема

питания, где обозначены следующие элементы: L-фазовый

провод; N-нулевой провод (нейтраль); SA1,SA2-

автоматические выключатели ВА47-29; HL1-лампа наличия

напряжения; РС-системный блок персонального компьютера;

Монитор-монитор компьютера; ИПМ1,ИПМ2-преобразователи

ИПМ0399Ех/М3; К1,К2-электромагнитные реле; VD1,VD2-

полупроводниковые диоды; Rн-термостат.

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

Рис 2.1.4 Принципиальная схема питания.

Принцип работы схемы.

При включении автоматического выключателя SA1

напряжение 220V подаётся на ИПМ1 и ИПМ2. Приборы

включаются и на дисплеях должна появиться надпись

«brdr». После подключения датчиков надпись исчезает и

на дисплее появляется численное значение параметра.

После включения автоматического выключателя SA2

напряжение подаётся на системный блок и монитор.

Происходит загрузка операционной системы «Windows-98».

Далее в программе «Настройка приборов серии

ИПМ0399/М3» в ходе настройки устанавливаем значения

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

уставок 1 и 2. После этого замыкаются контакты

внутренних реле ИПМ – ИПМ1.1(6-7) и ИПМ1.2(9-10). Через

эти контакты напряжение 220V подаётся на катушки

электромагнитных реле К1 и К2. Реле срабатывают и

замыкают свои контакты К1.1(31-34) и К2.1(11-14). Через

эти контакты напряжение 220V подаётся на термостат и

происходит нагрев.

При достижении температуры ниже на 5

С от заданной

срабатывает первая уставка. Размыкается контакт

ИПМ1.1(6-7), который в свою очередь обесточивает

катушку реле К1. Реле К1 размыкает свои контакты

К1.1(31-34) и ток идёт только через контакт К2.1(11-

14). Поскольку в этой цепочке установлены

полупроводниковые диоды VD1 и VD2, то с их помощью

происходит понижения напряжения согласно закону

однополупериодного выпрямления. И поэтому нагрев до

необходимой температуры происходит плавно.

После достижения необходимой температуры

срабатывает уставка2 и отключается контакт ИПМ1.2(9-

10), который в свою очередь обесточивает катушку реле

К2. После этого отключается контакт К2.1(11-14),

который отключает напряжение на термостате.

Перед началом работы необходимо проверить, что в

розетку на лицевой стороне стенде ничего не подключено.

Далее нужно подключить клавиатуру и «мышь» в

соответствующие разъёмы на лицевой панели стенда.

После этого включить автоматы SA1 и SA2. Напряжение

питания будет подано на компьютер и преобразователи

ИПМ. После того, как в компьютере закончится загрузка

операционной системы необходимо подключить первичные

преобразователи. Для этого на лицевой стороне стенда

имеются штепсельные разъёмы. Разъём 2-pin для

подключения термопары, разъём 4-pin для подключения

термометра сопротивления. После подключения первичных

преобразователей необходимо проверить показания на

дисплеях ИПМ1 и ИПМ2. Дисплеи ИПМ должны показывать

цифровое значение температуры окружающей среды. (При

условии, что датчики хранились в лаборатории).

Следующим шагом в работе будет подготовка

термостата. Для этого необходимо заполнить его водой на

¾ от общего объёма и установить на термостойкую

поверхность не далее 0,6м от стенда.

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