Автоматическая компенсация температуры свободных концов термопары

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 
Федеральное Государственное бюджетное  образовательное учреждение  
высшего профессионального образования

 

КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

 

Механический Факультет

Кафедра автоматизации производственных процессов и  АСУ

Дисциплина Б3.В.ОД.2"Технические измерения и приборы"

Направление 220700 – Автоматизация технологических процессов и производств (бакалавр)

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Технологические измерения  и приборы» на тему

«Автоматическая компенсация температуры свободных концов термопары»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кемерово 2013.

 

Оглавление

ЗАДАНИЕ 3

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Основные схемы термокомпенсации 8

1.1. Термокомпенсация с помощью ИДТ 8

1.2 Мостовая схема термокомпенсации 13

2. Расчетная часть 15

2.1  Расчет параметров схемы термокомпенсации с помощью ИДТ 15

2.2. Расчет мостовой схемы термокомпенсации 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 20

СТАНДАРТЫ 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по дисциплине «Технические измерения и приборы»

cтуденту группы АМб-111 Скибину В.Г.

 

Рассчитать схему автоматической температурной компенсации свободных концов термопары в указанном температурном диапазоне.

 

Дано:

 

Тип термопары	ТХК
Номинальная температура свободных  концов термопары	T0= 250С
Температурный диапазон свободных концов термопары	T1 = 150С; T2 = 350С
Погрешность измерения температуры, обусловленная температурным ходом  свободных концов термопары, при максимальной температуре горячего конца, равной 600 0С.	Погрешность не должна превышать   3 0С во всем температурном диапазоне измерений и температурном диапазоне свободных концов термопары.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Термоэлектрический эффект Зеебека. Термоэлектрический эффект известен уже давно. В 1820 году появилось сообщение Г.Эрстеда о том, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током. В 1821 году Т.Зеебек отметил, что стрелка отклоняется также, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре. Зеебек сначала полагал, что это чисто магнитный эффект. Но впоследствии стало ясно, что появление электрического тока в цепи связано с разностью температур. Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи. Это напряжение разомкнутой цепи  называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС).

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: «Термопара –  это пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры». Принцип действия термопар  (термоэлектрических преобразователей) основан на свойстве двух разнородных проводников создавать термоэлектродвижущую силу при нагревании места их соединения – спая. Проводники в этом случае называются термоэлектродами, а все устройство – термопарой. Термопара – пример датчика генераторного типа, так как она генерирует термоэлектродвижущую силу без применения дополнительных источников питания. На Рисунке 1 схематично показана структура термопары.

 

 

Рисунок 1. Горячий и холодный концы термопарыИсточник: http://kochetkov.wenzi.ru/lesson/urok7-8.img/074.jpg.

Электротермический  эффект Пельтье.Существует обратный эффект, обнаруженный  в 1834 году французским часовщиком Ж.Пельтье.: при протекании электрического тока по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлических проводников, спаянных на концах, один из этих спаев нагревается, а другой – охлаждается (в зависимости от направления тока). Электротермический эффект является одним из источников погрешностей измерений температуры с помощью термопары: ток, потребляемыйиз термопары при подключении кпродолжению измерительного тракта, может приводить к дополнительному нагреву (охлаждению) спаев. Для уменьшения этой погрешности необходимо, чтобы входное сопротивление продолжения измерительного тракта было достаточно большим.

Влияние температуры свободных концов термопары. При использовании термопары в качестве датчика температуры рабочий спай (горячий спай) непосредственно находится в тепловом контакте с местом, температура которого измеряется, а свободные концы (называемые также холодными концами или холодными спаями) – это точки подключения  к измерительному тракту.  Величина термоэлектродвижущей силы термопары зависит от материала термоэлектродов и разности температур горячего спая и холодныхконцов. Поэтому при измерении температуры горячего спая температуру холодных концов стабилизируют или вводят поправку на ее изменение.

Подключение термопар к продолжению измерительного тракта  должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичными характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур 0…100 °С. При соединении компенсационных проводов с термопарой и продолжением измерительного тракта  необходимо соблюдать полярность. Во избежание влияния помех линию связи датчикас продолжением измерительного тракта  рекомендуется экранировать.

На Рисунке 2 схематично показано подключение  термопары к продолжению измерительного тракта. На этом рисунке изображен также вспомогательный датчик температуры, необходимый для автоматической компенсации температурного хода на холодных концах термопары.

На Рисунке 3  [3] показана схема с  термокомпенсацией, работающей с таким вспомогательным датчиком температуры, имеющим тепловой контакт с холодными концами термопары.

 

 

Рисунок  2. Схема подключения  термопары. Источник: http://kochetkov.wenzi.ru/lesson/urok7-8.img/075.jpg.

 

 

 

Рисунок 3. Термопара с блоком температурной компенсации.

 

 

В цепи термокомпенсации могут применяться разные схемы  на основе различных датчиков температуры. Речь идет о датчиках, работающих при температурах вблизи комнатной температуры. Схемы термокомпенсации должны генерировать корректирующие напряжения порядка единиц милливольт, соответствующие изменениям сигнала термопары, обусловленным колебаниям температуры холодных концов в окрестности комнатной температуры.

Задачей настоящего Курсового Проекта является выбор и расчет схемы термокомпенсации.

 

 

 

1. Основные схемы термокомпенсации

В схемах температурной компенсации свободных концов термопары применяются вспомогательные датчики, работающих на основе различных физических принципов. В наиболее распространенных системах используются интегральные датчики температуры (ИДТ) и металлические и полупроводниковые терморезисторы.ИДТ выпускаются в виде интегральных микросхем, выполненных на основе ячеек Брока(BrokawCell)[3 - 6], с потенциальным или токовым выходом.  Терморезисторы обычно включаются как плечи неуравновешенного измерительного моста, так что напряжение термокомпенсации снимается с измерительной диагонали моста. Во всех случаях компенсирующее напряжение суммируется с выходным ЭДС термопары.

• 1.1. Термокомпенсация с помощью ИДТ

 

Одним из перспективных  методов является термокомпенсация на основе интегральных датчиков температуры (ИДТ), в которых используется температурная  зависимость вольт-амперной характеристики полупроводникового p-nперехода.

В основе работы таких температурных датчиков лежит соотношение между коллекторным током биполярного транзистора и напряжением, приложенным к переходу база – эмиттер[3]:

 

 

гдеk – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, q – заряд электрона, I_s– ток насыщения (обратный ток), зависящий от температуры перехода.

Возьмем N транзисторов, идентичных первому, с параллельно подключенными переходами эмиттер – база (Рисунок 4):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. Одиночный  транзистор и группа транзисторов с  параллельно включенными переходами эмиттер – база.

 

ПустьI_с – общий ток коллектора группы параллельно подключенных транзисторов – поровну распределен между всеми транзисторами.Тогда значение напряжения база – эмитттер для N параллельно включенных транзисторов определяется соотношением:

 

 

Ни одна из цепей, показанных на рисунке 3, не может использоваться в качестве самостоятельного датчика из-за сильной температурной зависимости тока I_s.Однако если коллекторные токи, текущие через отдельный транзистор и через общий коллекторпараллельной группыN транзистороводинаковы, то разность между этими двумя напряжениями база – эмиттер пропорциональна абсолютной температуре и не зависит от I_s:

 

 

 

В такой ситуации напряжение на переходе база – эмиттер одиночного транзистора превышает аналогичное напряжение в группеN транзисторах, включенных в параллель. Дело в том, что на каждый из параллельновключенных транзисторов приходится эмиттерный ток, в  N раз меньший, чем эмиттерный ток, текущий через отдельныйодиночный транзистор: сумма эмиттерных токов составного транзистора равна эмиттерному току одиночного транзистора. Такое соотношение токов обеспечивается схемой, показанной на Рисунке 4. Эта схема описывается приведенным выше соотношением и известна как ячейка Брока (BrokawCell).

 

 

Рисунок 5. Ячейка Брока (BrokawCell).

Напряжение ΔV_BE = V_BE – V_N приложено к резистору R2. Ток эмиттера Q₂ определяется как ΔV_BE/ R₂. Примерно этой же величине равен и коллекторный ток I₂ этого транзистора. Протекая через резистор R, он создает на нем падение напряжения, равное ΔV_BE⋅R/R₂, следовательно, напряжение на инвертирующем выводе ОУ равно V_инв = V_IN – ΔV_BE⋅R/R₂. Напряжение на неинвертирующем выводе равно той же величине с точностью до десятков микровольт, а поскольку в коллекторе Q₁ установлен резистор, имеющий все тот же номинал R, то токи I₁ и I₂ оказываются равными. Они суммируются на резисторе R₁. Падение напряжения на нем пропорционально абсолютной температуре (в западной литературе принят термин «ProportionalToAbsoluteTemperature» и соответствующая аббревиатура – РТАТ) и определяется формулой:

 

 

На Рисунке 5 показан также выход 1,205 В – опорное напряжение, практически не зависящее от температуры. Эта температурная стабильность обеспечивается тем, что суммируются две составляющих: одна – напряжение на p-nпереходе, смещенном в прямом направлении, убывающее с ростом температуры, а вторая – напряжение, пропорциональное абсолютной температуре. Действительно, опорное напряжение, вырабатываемое ячейкой V_BANDGAP, снимается с базы Q₁ и является суммой V_BE(Q1) и V_PTAT. Термин «Запрещенная зона»– BANDGAP, применяемыйв [3], означает энергетический барьер, возникающий на p-nпереходе. Как и V_PTAT, напряжение V_BE(Q1) также линейно зависит от абсолютной температуры, но с ростом ее падает (в [3] эта зависимость названа комплементарной к абсолютной температуре (ComplementaryToAbsoluteTemperature – СТАТ). Сумма V_PTAT и V_СTAT при определенных значениях отношения R₁/R₂ и N оказывается не зависящей от температуры (когда отношение R₁/R₂ и число N таковы,  что напряжение на выходе ОУ равно 1,205 В).

Описанная цепь является базовой и наиболее часто  используемой в схемотехнике полупроводниковых  термодатчиков.

На Рисунке 6 показана схема включения ИДТ  типа AD590 производства компании AnalogDevices, обеспечивающей токовый выход, пропорциональный абсолютной температуре (1 мкА/К) [4]. Эта схема предназначена для преобразования токового выхода 1 мкА/К в потенциальный выход 1мВ/К. Внешняя резисторная подстройка позволяет регулировать выходное напряжение до более точного соответствия 1мВ/К.

Рисунок 6. Подключение AD590 как высокоомного источника тока, пропорционального абсолютной температуре (1 мкА/К), для получения напряжения, пропорционального абсолютной температуре (1мВ/К). 

 

На Рисунке 7 показан внешний вид одной  из модификаций микросхемы AD590.

 

На Рисунке 8 приведена принципиальная схема включения элемента AD590 в цепь термокомпенсации термопары типа J [4, 7]. В схеме применен элемент AD580 производства той же компании в качестве термостабильного источника опорного напряжения 2,5 В. Цепочка резисторов R1 и R2 задает начальное смещение напряжения термокомпенсации, соответствующее номинальной температуре холодного спая. Эта же цепочка задает растекание тока I, генерируемого микросхемой AD590 и обеспечивающего линейное отслеживание изменений температуры холодного спая. Падение напряжения на резисторе R1является напряжением термокомпенсации, добавляемым к выходному сигналу термопары. Сумма сигналов поступает на вход регистратора и соответствует ситуации, когда температура холодного спая равна 0 ⁰C.