Разработка и расчет принципиальной схемы

Содержание

 

Введение                                                                                                                5

1 Обзор литературы                                                                                               6

1.1 Жидкостные стеклянные термометры                                                           7

1.2 Манометрические термометры                                                                   8

1.3 Термопреобразователи сопротивления                                                        9

1.4 Термоэлектрические преобразователи (термопары)                                   10

1.5 Пирометры и пирометрические  преобразователи                                      11

2 Анализ технического задания                                                                           13

3 Описание структурной и функциональной схемы                                         14

4 Разработка и расчет принципиальной схемы                                                  15

4.1 Блок измерений                                                                                              15

4.1.1 Датчик температуры                                                                                    15

4.1.2 Дифференциальный усилитель                                                                16

4.2 Блок коррекции                                                                                               18

4.2.1 Компаратор                                                                                                  18

4.2.2 Источник опорного напряжения                                                               19

4.2.3 Логический элемент                                                                                     21

4.2.4 Ключ                                                                                                              22

4.2.5 Вычитающее устройство                                                                            22

4.3 Блок индикации                                                                                              23

4.3.1 Аналого-цифровой преобразователь                                                          23

4.3.2 Сигнализация верхнего и нижнего пределов                                           24

4.4 Блок питания                                                                                                   25

4.5 Расчет погрешности                                                                                      27

4.6 Моделирование                                                                                               27

Заключение                                                                                                            29

Список литературы                                                                                               30

Приложения                                                                                                         31

 

Введение

 

Для современных  автоматизированных систем управления технологическими процессами требуется  значительное количество разнообразных  средств измерения. Данные средства должны обеспечивать выработку сигналов в форме, удобной для передачи на расстояния, сбора, преобразования и обработки.

В настоящее  время невозможно представить энергетическое, химическое, металлургическое производство, а так же многие другие отрасли промышленности без применения современных средств измерений.

Измерения обеспечивают контроль состояния оборудования, технологических процессов, экономичности производства.

Измерение и контроль температуры в технологических процессах является одним из важнейших факторов, определяющих их надежность, который осуществляется при помощи датчиков температуры.

 

1 Обзор литературы

Для измерения температур применяются  контактные и бесконтактные методы. Для реализации контактных методов  измерения применяются термометры расширения (стеклянные жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые) и термоэлектрические преобразователи. Бесконтактные измерения температуры  осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения) /1/.

Контактные методы измерения более  просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры  необходим непосредственный контакт  с измеряемой средой и телом. И  в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры  среды в месте измерения и  с другой - несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды. Это несоответствие температур или погрешность восприятия чувствительным элементом термометра измеряемого параметра в стационарном режиме имеет место. Если происходит теплообмен между термоприемником и измеряемой средой или частями технологического оборудования.

Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру  среды или тело. Но зато они сложнее  и их методические погрешности существенно  больше, чем у контактных методов.

Для оценки погрешности бесконтактных  методов измерения, как правило, необходимо знать спектральные характеристики коэффициентов излучения (поглощения) чувствительных элементов пирометров, промежуточных линз, стекол, других материалов или сред, через которые  проходит излучение от измеряемой среды  к чувствительному элементу. 

Серийно выпускаемые термометры и  термопреобразователи охватывают диапазон температур от минус 260 до плюс 2200°С.

1.1 Термометры стеклянные

 

Принцип действия основан на зависимости  объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой  устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодны, не могут передавать показания на расстояние.

Основными элементами конструкции  являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала (рисунок 1.1). Конструктивно различают палочные термометры и термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки.   

    

Рисунок 1.1 – Термометры стеклянные: а) прямой, б) угловой

 

В качестве термометрической жидкости обычно применяются следующие вещества: ртуть, спирт метиловый, спирт этиловый, керосин, пентан.

   

Заводами выпускаются следующие разновидности термометров:      

– технические ртутные со вложенной шкалой, прямые и угловые (90˚ и 135˚);

– технические не ртутные термометры, выпускаются в различном конструктивном исполнении, в том числе и с  прикладной шкалой; 

– электроконтактные ртутные с  вложенной шкалой, с впаянными  в капиллярную трубку контактами для замыкания столбиком ртути  электрической цепи, или с подвижным  сигнальным контактом с верхним  пределом до 300 ˚С;

– специальные термометры (медицинские, метеорологические и т.п.); 

– лабораторные ртутные палочные и с вложенной шкалой, погружаемые  в измеряемую среду до отсчитываемой  отметки, с  ценой деления 0,1˚С;

– термометры повышенной точности и  эталонные ртутные термометры с  верхним пределом измерения до 600 ˚С и ценой деления 0,01˚С.

Диапазон измерений от минус 100 до плюс 600°С.

 

1.2 Манометрические термометры

 

Принцип действия основан изменении  давления (объема) рабочего вещества в  замкнутом объеме в зависимости  от температуры чувствительного  элемента (рисунок 1.2).

 
Рисунок 1.2. Манометрический термометр: 1 – термобаллон, 2 – манометрическая часть, 3 – капиллярная трубка

В зависимости от термометрического  вещества термосистемы манометрические  термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).

Диапазон измерений от минус 200 до плюс 600°С.

 

1.3 Термопреобразователи сопротивления

 

Принцип действия основан на свойстве проводника (или полупроводника) изменять свое сопротивление с температурой.

Основными частями термопреобразователя сопротивления являются чувствительный элемент 1, защитная арматура 2 и головка преобразователя 3 с зажимами для подключения чувствительного элемента и соединительных проводов (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. Термометр сопротивления: 1-платиновая спираль, 2-защитная арматура, 3-головка

 

Чувствительный элемент термометра помещается в защитную арматуру.

Диапазон измерений от минус 260 до плюс 1100°С.

 

1.4 Термоэлектрические преобразователи (термопары)

    

Термоэлектрический преобразователь (ТЭП) – это  первичный измерительный  преобразователь температуры, в  котором выходная величина формируется  под воздействием  термоэлектрического  эффекта.

Чувствительным элементом ТЭП  является термопара, которая представляет собой термоэлектрическую цепь,  состоящую из двух спаянных между  собой разнородных проводника (рисунок 1.6).  

Рисунок 1.4 – Термоэлектрическая цепь

Конец термопары с температурой t называется горячим или рабочим, а конец с температурой t₀ – холодным или свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами.

Принцип действия основан на зависимости  термо – ЭДС от значений температур мест соединения двух разнородных проводников. Термоэлектрические преобразователи могут измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, имеют малые габаритные размеры — от 0.5 мм, отличаются достаточно высокой точностью и стабильностью характеристик преобразования, хотя они и уступают немного по этим показателем термопреобразователям сопротивления.

Термоэлектрические преобразователи выпускаются следующих исполнений: погружаемые и поверхностные (рисунок 1.5); стационарные, переносные, разового  применения,  многократного  применения,  кратковременного применения; обыкновенные, водозащищенные, взрывобезопасные,

защищенные  от агрессивных сред и других внешних  воздействий;  негерметичные и  герметичные; малой  (МИ), средней (СИ) и большой (БИ) инерционности; обыкновенные и виброустойчивые; одинарные, двойные  и тройные – три спая   в одном корпусе (чехле); однозонные и многозонные; с открытым спаем, с закрытым спаем. Возможно различное сочетание этих  исполнений.

    

Рисунок 1.5 – Поверхностный преобразователь термоэлектрический ТХК 9908-21     

Для термоэлектрических преобразователей, используемых в агрессивных средах, для изготовления защитных чехлов применяется металлокерамика или стальные трубки, покрытые слоем тугоплавкой эмали.

Диапазон измерений от -200 до 2200°С.

    

1.5 Пирометры и пирометрические преобразователи

    

По принципу действия пирометры и пирометрические преобразователи подразделяются на квазимонохроматические (яркостные), спектрального отношения (цветовые), полного излучения (радиационные) и частичного излучения.  

Принцип действия квазимонохроматических пирометров основан сравнении яркости  монохроматического излучения двух тел эталонного тела и тела, температуру  которого измеряют. В качестве эталонного тела можно использовать нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируется.

Радиационные пирометры (пирометры  полного излучения) определяют температуру  тела по плотности интегрального  излучения лучей всех длин волн, теоретически 0 < λ < ∞.

     Чувствительный элемент  радиационного пирометра представляет  собой термобатарею, состоящую из  ряда последовательно соединенных миниатюрных термопар (рисунок 1.6), спаи которых расплющены до тонкой металлической пластинки и покрыты сажей.

Рисунок 1.6 – Чувствительный элемент радиационного пирометра: 1 – горячий спай термопары, 2 – термоэлектроды, 3 – тонкие металлические соединительные пластинки, 4 – слюдяная пластина

 

Пирометры и пирометрические преобразователи позволяют проводить измерение температуры бесконтактным методом, когда пирометр или пирометрический преобразователь расположен на расстоянии от объекта измерения и не искажает его температурное поле.

     Диапазон измерений от 400 до 4000°С.

 

2 Анализ технического задания

В соответствии с заданием необходимо спроектировать измеритель температуры с диапазоном измерения в пределах от 0 до 2000°С. Данному критерию отвечают термоэлектрические и пирометрические преобразователи.