Методику розрахунку пірометричного давача температури

Вінницький національний технічний університет

 

Кафедра автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки

 

 

 

 

КУРСОВА РОБОТА

 

з дисципліни “Елементи  та пристрої систем управління та автоматики”

на тему: РОЗРОБКА МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ ПІРОМЕТРИЧНОГО ДАВАЧА ТЕМПЕРАТУРИ

 

 

 

Студента  4  курсу 1СІ-09б групи     

напряму підготовки 6.050201«Системна інженерія»   

спеціальності 7.05020101 «Автоматики і обчислювальної техніки»  

Шишкова С.М.        

Керівник к.т.н., доцент Бевз О.М.     

 

 

Національна шкала ___________________   

 

Кількість балів: _____ Оцінка: ECTS ____    

 

Члени комісії:        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м. Вінниця – 2013 рік

 

Індивідуальне завдання № 028

на курсову роботу

з курсу “ Елементи та пристрої систем управління та автоматики ”

 

Розробити: Методику розрахунку пірометричного давача температури.

 

Вимоги до розробки:

• Діапазон вимірюваних температур 0 ... 300 ° С.
• Роздільна здатність - 2 °С.
• Похибка вимірювання - 1%.
• Оптична роздільна здатність - 14:1.
• Час встановлення - не більше 500 мс.
• Діапазон ІЧ хвиль - 8 ... 14 нм.
• Джерело живлення - 4,5 В.
• Зарядний пристрій - 12 В, 300 мА.
• Тип індикатора - рідкокристалічний.

Примітка:

Пристрій для вимірювання температури безконтактним способом з використанням пірометричного давача повинен бути виконаний на елементній базі широкого застосування і містити мінімум спеціалізованих елементів.

 

Затверджено на засіданні кафедри 29 серпня 2012 р. Протокол № 1

 

Дата видачі  18  січня  2013 р.    Керівник проекту

 

Завдання отримав

 

АНОТАЦІЯ

 

В даній курсовій роботі розроблено методику розрахунку пірометричного давача температури, розглянуто основні схеми пірометрів, принцип їх роботи та основні характеристики. На основі розглянутих відомостей розроблено алгоритм розрахунку, згідно якого написано програму для розрахунку основних параметрів пірометричних давачів.

 

 

АННОТАЦИЯ

 

В данной курсовой работе разработана  методика расчета пирометрических  датчика, рассмотрены основные схемы  пирометров, принцип их работы и  основные характеристики. На основе рассмотренных  сведений разработан алгоритм расчета, согласно которому написано программу  для расчета основных параметров пирометрических датчиков.

 

 

ANNOTATION

 

In this course work was developed methods for calculating pyrometric temperature sensor, was considered the main circuit pyrometers, principle of their work and main characteristics. Based on the information reviewed was developed algorithm and was written program to calculate the main parameters of pyrometric sensors. 

ЗМІСТ

 

ВСТУП 5

1 ЗАГАЛЬНІ  ВІДОМОСТІ 6

1.1 Огляд основних  способів вимірювання температури 6

1.2 Безконтактне  вимірювання температури 13

1.3 Пірометричні давачі 20

2 РОЗРОБКА  МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ 24

2.1 Розробка  функціональної схеми пристрою  безконтактного вимірювання температури 24

2.2 Розрахункова  модель роботи пристрою 27

2.3 Оптимізація  розрахунків. 30

3 ПРИКЛАД  РОЗРАХУНКУ ПРИСТРОЮ ДЛЯ БЕЗКОНТАКТНОГО  ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ 33

4 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ 37

4.1 Вибір мови  програмування. 37

4.2 Розробка  схеми програми. 38

4.3 Тестовий  приклад 39

ВИСНОВКИ 42

ЛІТЕРАТУРА 44

ДОДАТКИ 46

Додаток А (обов’язковий) – Схема програми розрахунку 47

Додаток Б (обов’язковий) – Лістинг програми 49

Додаток В (обов’язковий) - Свідоцтво на авторський твір 51

 

ВСТУП

 

Температура як фізична величина є  одним з визначальних параметрів стану певного об’єкта, що дозволяють контролювати протікання різних виробничих процесів. Вимірювання температури - найважливіше джерело інформації про хід фізичних явищ і про зміну стану речовини. Оскільки з усіх термодинамічних функцій стану речовини температура найбільш вивчена в метрологічному відношенні, її корисніше вимірювати взамін прямого вимірювання ряду характеристик об'єкта, що залежать від його стану і безпосередньо цікавлять технолога. До таких характеристик відносяться енергія речовини, його хімічна активність, в'язкість, твердість, зміна його хімічної або фазової рівноваги, швидкість зміни структури, теплове розширення, зміна електричних і магнітних властивостей і т.д.

У той же час вимірюванню температури контактними методами за допомогою термометрів, що приводяться в тепловий контакт з об'єктом вимірювання, притаманні специфічні труднощі, різко зростаючі в міру підвищення температури. Ці труднощі пов'язані з вибором матеріалу для чутливого елемента, які б забезпечували стабільність показань і мінімальний вплив на об'єкт вимірів, з вибором ізоляційних матеріалів для електричних термометрів. Похибки, пов'язані при контактних вимірах з недосконалістю теплової рівноваги між термометром і об'єктом, з поганим тепловим контактом і сторонніми тепловими впливами можуть бути значними.

Вимірювання температури по тепловому випромінюванню створює можливість обійти всі ці труднощі, так як відсутній прямий вплив температури на конструкційні матеріали вимірювального приладу, а саме вимірювання здійснюється безконтактно.

 

1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Огляд основних способів вимірювання температури

 

Температурою називають величину, що характеризує тепловий стан тіла. Згідно кінетичної теорії температуру визначають як міру кінетикою енергії поступального руху молекул. Звідси температурою називають умовну статистичну величину, прямо пропорційну середній кінетичній енергії молекул тіла.

Всі пропоновані температурні шкали  будувалися (за рідкісним винятком) однаковим шляхом: двом (щонайменше) постійним точкам присвоювалися певні числові значення і передбачалося, що видима термометрична властивість використовуваної в термометрі речовини лінійно пов'язана з температурою [1].

 

       (1.1)

 

де k – коефіцієнт пропорційності;

E – термометрична властивість;

D – константа, що визначає початок шкали.

Беручи для двох постійних точок  певні значення температур, можна обчислити постійні k, D і на цій основі побудувати температурну шкалу. При зміні температури коефіцієнт k змінюється, при чому по різному для різних термометричних речовин. Тому термометри, побудовані на базі різних термометричних речовин з рівномірною градусною шкалою, давали при температурах, відмінних від температур постійних точок, різні свідчення. Останні ставали особливо помітними при високих (на багато вищих температури кипіння води) і дуже низьких температурах. [2]

Термодинамічна шкала тотожна шкалі ідеального газу, побудованої на залежності тиску ідеального газу від температури. Закони зміни тиску від температури для реальних газів відхиляються від ідеальних, але поправки на відхилення реальних газів невеликі і можуть бути встановлені з високим ступенем точності. Тому, спостерігаючи за розширенням реальних газів і вводячи поправки, можна оцінити температуру за термодинамічною шкалою.

На початку XX століття широко застосовувалися  шкали Цельсія і Реомюра, а в наукових роботах - також шкали Кельвіна та воднева. Перерахунки з однієї шкали на іншу створювали великі труднощі і приводили до ряду непорозумінь. Тому в 1933 році було прийнято рішення про введення Міжнародної температурної шкали (МТШ) [3].

Досвід застосування МТШ показав  необхідність внесення до неї низки  уточнень і доповнень, щоб по можливості максимально наблизити її до термодинамічної шкали. Тому МТШ була переглянута і приведена у відповідність зі станом знань того часу. У 1960 році було затверджено нове "Положення про міжнародну практичну температурну шкалу" 1948 року.

Температуру вимірюють за допомогою  датчиків, що використовують різні термометричні властивості рідин, газів і твердих тіл. Існують десятки різних датчиків, застосовуваних у промисловості, при наукових дослідженнях, для спеціальних цілей [4].

Перелічимо найбільш поширені термометричні властивості, на основі яких функціонують датчики температури:

– теплове розширення;

– зміна тиску;

– зміна електричного опору;

– термоелектричні ефекти;

– теплове випромінювання.

Приклади пристроїв для вимірювання  температури в залежності від використовуваної термоелектричної властивості приведені в таблиці 1.1 [5].

 

Таблиця 1.1 – Пристрої для виміру температури

Термометрична властивість	Назва пристрою
Теплове розширення	Рідинні скляні термометри
Зміна тиску	Манометричні термометри
Зміна електричного опору	Електричні термометри опору
	Напівпровідникові термометри опору.
Термоелектричні ефекти	Термоелектричні термометри (термопари) стандартизовані
	Термоелектричні термометри (термопари) спеціальні
Теплове випромінювання	Оптичні пірометри
	Радіаціонні пірометри
	Фотоелектричні пірометри
	Колірні пірометри

 

Найстаріші пристрої для вимірювання  температури - рідинні скляні термометри - використовують термометричну властивість теплового розширення тіл. Дія термометрів грунтується на відмінності коефіцієнтів теплового розширення термометричної речовини і оболонки, в якій вона знаходиться (термометричного скла або рідше кварцу) [6].

Рисунок 1.1 – Скляний термометр

 

Рідинний термометр складається з скляного балона 1, капілярної трубки 3 і запасного резервуара 4 (рисунок 1,1). Термометрична речовина 2 заповнює баллон та частково капілярну трубку. Вільний простір в капілярній трубці і в запасному резервуарі заповнюється інертним газом або може перебувати під вакуумом. Запасний резервуар або виступаюча за верхнім поділом шкали частина капілярної трубки служить для оберігання термометра від пошкодження при надмірному перегріванні [7].

В якості термометричної речовини найчастіше застосовують хімічно чисту ртуть. Вона не змочує скла і залишається рідкою в широкому інтервалі температур. Крім ртуті в якості термометричної речовини в скляних термометрах застосовуються і інші рідини, переважно органічного походження. Наприклад: метиловий і етиловий спирт, гас, пентан, толуол, галій, амальгама талія.

Основні переваги скляних рідинних термометрів - простота вживання і досить висока точність вимірювання навіть для термометрів серійного виготовлення. До недоліків скляних термометрів можна віднести: погану видимість шкали (якщо не застосовувати спеціальної збільшувальної оптики) і неможливість автоматичного запису показань, передачі свідчень на відстань і ремонту.

У лабораторних та інших термометрів, градуйованих і призначених для  вимірювання при зануренні у  вимірюване середовище до відлічуваного  ділення, можуть виникати систематичні похибки за рахунок виступаючого столика термометра. Якщо капілярна трубка буде занурена у вимірюване середовище не повністю, то температура виступаючої частини капілярної трубки буде відрізнятися від температури вимірюваного середовища, в результаті виникне похибка вимірювання. Поправку в градусах на виступаючий стовпчик у показання термометра можна внести по рівнянню:

 

,      (1.2)

 

(1.3)

 

де  – коефіцієнт видимого об’ємного теплового розширення термометричної рідини в склі,

t – дійсна температура вимірюваного середовища,

t_в.с. – температура виступаючого стовпчика, виміряна з допомогою додаткового термометра,

n – число градусів в виступаючому стовпчику.

У термометрів, призначених для  роботи з неповним зануренням, може виникнути аналогічна систематична похибка, якщо температура навколишнього  середовища, а отже, і виступаючого стовпчика будуть відрізнятися від його температури при градуюванні [8].

Похибка у цьому випадку:

 

(1.4)

 

де  – температура виступаючого стовпчика при градуюванні (в першому наближенні допустимо вважати, що ),

 – середня температура виступаючого стовпчика.

Поправки можуть мати великі значення у термометрів з органічними  термометричними рідинами, для яких коефіцієнт приблизно на порядок вище, ніж у ртутних термометрів [9].

Дія манометричних термометрів заснована на використанні залежності тиску речовини при постійному об'ємі від температури. Замкнута вимірювальна система манометричного термометра складається (рисунок 1,2) з чутливого елементу, що сприймає температуру вимірюваного середовища, - металевого термобалона 1, робочого елементу манометра 2, що вимірює тиск в системі, довгого з'єднувального металевого капіляра 3. При зміні температури вимірюваного середовища тиск в системі змінюється, в результаті чого чутливий елемент переміщує стрілку або перо за шкалою манометра [10].

Рисунок 1.2 – Манометрический термометр

 

Перевагами манометричних термометрів є простота конструкції і застосування, можливість дистанційного вимірювання температури і можливість автоматичного запису показань. До недоліків манометричних термометрів відносяться: відносно невисока точність вимірювання (клас точності 1,6; 2,5; 4,0 і рідше 1,0); невелика відстань дистанційної передачі показань і труднощі ремонту при розгерметизації вимірювальної системи.

Повірка показань манометричних термометрів  проводиться тими ж методами і  засобами, що і скляних рідинних.