Методику розрахунку пірометричного давача температури

Оскільки в якості джерела живлення використовується акумулятор з номінальним значенням напруги U_дж = 4.5 В, то коефіцієнт передачі подільника напруги R₉ - R₁₂ складає:

 

(3.5)

 

відповідно до формули 2.13 методики розрахунку розділа 2.

Прийнявши значення опору резистора R₉ рівним 10 кОм та використавши це значення коефіцієнта передачі подільника напруги R₉ - R₁₂ визначимо за формулою 2.14 номінал опору резистора R₁₂, що складе 31 кОм.

Відповідно до формули 2.15 опір резистора R₁₆ становитиме 6.25 Ом.

Коефіцієнт послаблення атенюатора розраховується по формулі 2.16, залежить від значень вхідної напруги АЦП та вихідної наруги пірометричного датчика, та становить 0,5. А тому значення опору R₁₀, що розраховується за формулою 2.17, при номіналі опору R₁₁ в 10 кОм також складатиме 10 кОм.

 

4 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

4.1 Вибір мови програмування.

 

Було проведено методику розрахунку, яка розраховує основні параметри та характеристики пристрою безконтактного вимірювання температури з використанням пірометричного датчика та реалізовано цю методику на ЕОМ.

В якості середовища програмування було обрано NetBeans IDE та мову програмування Java. Java (Джава) — об'єктно-орієнтована мова програмування, випущена компанією Sun Microsystems у 1995 році як основний компонент платформи Java. Зараз мовою займається компанія Oracle, яка придбала Sun Microsystems у 2009 році. Синтаксис мови багато в чому походить від C та C++. У офіційній реалізації, Java програми компілюються у байткод, який при виконанні інтерпретується віртуальною машиною для конкретної платформи.

Oracle надає компілятор Java та віртуальну машину Java, які задовольняють специфікації Java Community Process, під ліцезією GNU - General Public License.

NetBeans IDE — вільне інтегроване середовище розробки (IDE) для мов програмування Java, JavaFX, C/C++, PHP, JavaScript, Python, Groovy. Середовище може бути встановлене і для підтримки окремих мов, і у повній конфігурації. Середовище розробки NetBeans за умовчанням підтримує розробку для платформ J2SE і J2EE.

NetBeans IDE доступна для платформ Microsoft Windows, GNU/Linux, FreeBSD, і Solaris (як SPARC, так і x86). Для інших платформ доступна можливість зібрати NetBeans самостійно із сирцевих текстів.

 

4.2 Розробка схеми програми.

 

Для наглядного представлення роботи програми було розроблено алгоритм, що схематично відображає основні етапи проведення розрахунків (додаток А). Проаналізуємо кроки виконання обрахунків згідно представленого алгоритму. Методика розрахунку пристрою для дистанційного вимірювання температури з використанням пірометричного давача складається з таких етапів:

• введення вхідних даних: час відгуку датчика Т_відг, частота гарантованого затухання , гарантоване затухання а_s, нерівномірність АЧХ фільтра в полосі пропскання а_с, значення полюсів рівнохвильової функції та с₁, ємності конденсаторів С₁ та С₂, опорна напруга , напруга на вході стабілізатора , напруга джерела живлення , струм заряда акумулятора I, вихідна напруга мікросхеми , вхідна напруга АЦП , вихідна напруга датчика та номінали резисторів R₃, R₅, R₉, R₁₁.
• розрахунок частоти зрізу фільтра низьких частот f_с;
• розрахунок порядку фільтра n;
• розрахунок нормованих власних частот полюсів для значення нерівномірності АЧХ фільтру та їх добротності ;
• розрахунок частоти фізично реалізованого фільтру ;
• розрахунок номіналів резисторів R_1,2,4;
• розрахунок номіналів резисторів схеми управління зарядним пристроєм R_14,12,16;
• розрахунок коефіцієнта послаблення атенюатора та резистора R₁₀;
• оптимізація розрахунків.

 

Комп’ютерна програма складається з 5 модулів:

• модуль введення вхідних даних пристрою для дистанційного вимірювання температури;
• модуль реалізації формул, що призначені для обрахунку ФНЧ пристрою;
• модуль реалізації формул, що призначені для обрахунку елементів схеми управління зарядним пристроєм;
• модуль реалізації формул, що призначені для обрахунку атенюатора пристрою;
• модуль оптимізації розрахунків.

Лістинг програми наведений в додатку  Б.

 

4.3 Тестовий приклад

 

Для прикладу введені дані, які  були початковими даними для розрахунку: номінали опорів, деякі технічні характеристики пірометричного давача, який був обраний для побудови схеми пристрою, ємності конденсаторів та напруги на деяких елементах схеми. Отриманий результат співпадає з розрахунками, що означає, що програма працює коректно, а тест підтверджує її правильність. Скриншот програми з введеними початковими даними наведений на рисунку 4.1.

 

 

Рисунок 4.1 - Введення вхідних даних

 

Програма досить зрозуміла для  користувача, працює в консольному режимі, написана досить компактно, гнучка, дозволяє просту зміну вхідних даних та модифікацію. Результати роботи програми приведені на рисунку 4.2. Як видно з рисунку 4.2, результати виконання обрахунків є правильними і співпадають з обрахованими значеннями в третьому розділі.

 

 

Рисунок 4.2 - Результати виконання програми 

Оптимізація розрахунків проведена  шляхом визначення залежності напруги  на виході АЦП від температури  вимірюваного об’єкта в діапазоні  температур від 0 до 50°С, та від 50 до 300°С. Результати, обраховані програмою, приведені на рисунку 4.3, співпадають із табличними даними з підрозділу 2.3.

 

 

Рисунок 4.3 – Результати оптимізації.

 

ВИСНОВКИ

 

В курсовій роботі було розроблено методику розрахунку параметрів пристрою для безконтактного вимірювання температури з використанням пірометричного давача температури.

В першому розділі було проведено аналіз головних понять, класифікація вимірювачів температури, принципів їх роботи. Розглянуто основні способи вимірювання температури, зокрема безконтактний метод вимірювання, який відбувається на основі реєстрації параметрів теплового випромінювання об’єкта. Також наведені деякі приклади пірометричних сенсорів різних типів та сфер застосування.

В другому розділі розроблено методику розрахунку параметрів пристрою дистанційного вимірювання температури з використанням пірометричного давача, наведено функціональну схему пристрою та схему управління зарядним пристроєм, розглянуто на її прикладі принцип роботи даного пристрою безконтактного вимірювання температури. Наведено вхідні дані, побудовані основні формули та пояснення для здійснення розрахунків, проведено оптимізацію розрахунків шляхом визначення залежності зміни вихідної напруги пірометричного давача від зміни температури вимірюваного об’єкта.

В третьому розділі представлено приклад  розрахунку пристрою безконтактного вимірювання  температури. На основі вхідних даних  та формул попереднього розділу розраховано  основні конструктивні елементи схеми та визначена величина напруги, що живить схему датчика, знайдені відповідні номінали опорів, виконано розрахунок фільтра низьких частот, елементів схеми управління зарядним пристроєм та розрахунок коефіцієнта ослаблення аттенюатора.

В четвертому розділі розроблено програмне  забезпечення, алгоритм, та програму для розрахунку параметрів приладу (наведені в додатках). Обґрунтовано вибір середовища та мови програмування, пояснено алгоритм програми. Тестування програми підтверджує коректність її роботи, при цьому програма досить проста та зрозуміла для користувача.

В даній курсовій роботі були проведені  розрахунки, в результаті яких було отримано залежність зміни напруги  на виході пірометричного давача від  температури об’єкта вимірювання  в діапазонах від 0 до 50°С, та від 50 до 300°С, при цьому напруга на виході датчика змінюється лінійно від 0 до 2.65В та від 2.65 до 10В відповідно. Окрім цього розраховані структурні елементи та параметри схеми ФНЧ, зокрема частота зрізу (13.3 Гц), порядок фільтру (1.03), відповідно до якого знайшли координати полюсів для значення нерівномірності АЧХ в полосі пропускання 1дБ, їх нормовані власні частоти та добротності (1,05 та 0,956 відповідно). Виходячи з останніх розрахованих значень знайшли активну ланку фільтра з Т-мостом, та його основні конструктивні елементи. Також були розраховані коефіцієнт послаблення атенюатора (0.5), та номінали резисторів ФНЧ, схеми управління зарядним пристроєм та атенюатора.

 

ЛІТЕРАТУРА

 

1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник  для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов» / Преображенский В. П., М.: Энергия, 1978. – 704 с.
2. Чистяков С. Ф. Теплотехнические измерения и приборы / Чистяков С. Ф., Радун Д. В., М.: Высшая школа, 1972, - 392 с.
3. Гинзбург Л.Б. Проэктирование электромагнитных и магнитных механизмов / Гинзбург  Л.Б, Л.: Машиностроение, 1990.– 364 с
4. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РЭА / Казаков Л.А., М.: Радио и связь, 1991. – 352 с.
5. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления / Келим Ю.М., М.: Высшая школа,  2007. – 304 с.
6. Методичні вказівки до оформлення курсових проектів (робіт) у Вінницькому національному технічному університеті/Уклад. Г.Л. Лисенко, А.Г. Буда, Р.Р. Обертюх, – Вінниця: ВНТУ, 2006. – 60 с.
7. Васюра А. С. Елементи та пристрої систем управління і автоматики / Васюра А. С. ; Навчальний посібник. – Вінниця: ВДТУ, 1999. – 190 с. укр. мовою.
8. Агейкин Д.Г. Измерение в промышленности Измерения и апаратура / Агейкин Д.Г., Профос П., М. : Москва «Металлургия», 1990. - 384 с.
9. Виглеб Г. К. Датчики. Устройство и применение. / Виглеб Г.К., М. : Изд. Мир, 1989. - 192 с.
10. Евдокимов И.Н. Методы и средства исследований. ч.1 Температура. / Евдокимов И.Н., М.: 2004. - 106 с.
11. Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. / Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С., М.: МЭИ, 2005. - 221 с.
12. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной в технике. / Клаассен К.Б., М.: Постмаркет, 2000. - 353с.
13. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин. / Левшина Е.С., Новицкий П.В., Спб.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1993. - 320 с.
14. Олейник Б.В. Приборы и методы температурных измерений. / Олейник Б.В., М. : Изд. Стандартов, 1997. - 292 с.
15. Раннев Г.Г. Методы и средства измерения. / Раннев Г.Г., Тарасенко А.П., М.: Изд. Центр «Академия наук», 2006. - 332 с.
16. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник / Фрайден Дж., М.: Изд. Техносфера, 2005. - 592 с.
17. Самойлов І.І. Повышение точности измерений температуры “несерых тел” широкополосным пирометром спектрального отношения / Самойлов І.І., Фрунзе А.В., М.: Метрология, 2011 - 231 с.
18. Магунов А.Н., Спектральная пирометрия. / Магунов А.Н., Спб.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 2012. – 369 с.
19. Сергеев С.С., Тенденции изменения терминологии в пирометрии. / Сергеев С.С., М.: Изд. Стандартов, 2010. – 293 с.
20. Сотнікова Г.Ю., CO2-газові низьковольтові сенсори основані на III-V Mid-IR / Сотнікова Г.Ю., Гаврілов Г.A., Александров, С.A., М.: 2010. - 225-234 с.
21. Лисиенко В.Г., Температура: теория, практика, эксперимент. / Лисиенко В.Г., Шлеймович Е.М., Ладыгичев М.Г., Санников С.П., Щелоков Я.М., М.: Теплотехник, 2012. - 340 с.
22. Фрунзе А.В. Влияние методических погрешностей пирометра на выбор прибора / Фрунзе А.В., М.: Фотоника, 2012. - 46-51 с.
23. Фрунзе А.В. Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки. / Фрунзе А.В., М.: Фотоника, 2010. - 32-37 с.
24. Беленький А.М., Измерение температуры: теория, практика, эксперимент. / Беленький А.М., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М. М.: Теплотехник, 2011. - 736 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОДАТКИ

 

Додаток А (обов’язковий) – Схема програми розрахунку

Початок

, , , , , I = 0,2 А,

 

 

Розрахунок

fc = 1/Tvidg

Розрахунок

n = (0.301+0.5* Math.log10 (Math. pow (10, 0.1*as-1)/ (Math. pow( 10,0.1*ac-1)))) /(Math. log10 ((fs /fc) + Math.sqrt( ((Math.pow(fs, 2))/Math.pow(fc, 2))-1)));

 

 

Розрахунок

Ω = Math.sqrt((Math.pow(c1, 2))+(Math.pow(w1, 2)));

 

Розрахунок

Q = Ω/Math.abs(2*c1);

Розрахунок

fn12 = Ω*fc;

Розрахунок

R1_2 = 1/(2*3.14*fn12*C1_2);

Розрахунок

K = 3 - (1/Q);

R4 = R/(K-1);

 

Розрахунок

Ku1 = Uop/Uzpmin;

R14 = (R/Ku1) - R;

 

Розрахунок

Ku2 = Uop/Udg;

R12 = (R/Ku2)-R;

R16 = Uvux/I;

 

Розрахунок

Kat = Uacpvx / Udvux;

R10 = (R/Kat)-R;

 

1

 

 

1

for(int i=0; i<55;i=i+5)R10 = (R/Kat)-R;

 

Розрахунок оптимізації

 

Виведення результатів

Array [i]

 

for(int i=50; i<325;i=i+25)R10 = (R/Kat)-R;

 

Розрахунок оптимізації

 

 

Виведення результатів

Array [i]

 

 

Кінець

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток Б (обов’язковий) – Лістинг програми

 

package javaapplication1;

public class JavaApplication1 {

    public static void main(String[] args) {

        double Tvidg = 0.075;

        int fs = 1000;

        int as = 40;

        int ac = 1;

        double c1 = -0.549;

        double w1 = 0.895;

        double C1_2 = 0.0000033;

        double Uop = 1.1;

        double Uzpmin = 7.5;

        double Udg = 4.5;

        double I = 0.2;

        double Uvux = 1.25;

        double Uacpvx = 5;

        double Udvux = 10;

        double R = 10000;

    System.out.println ("Введення  вхідних даних:");

    System.out.println ("  Час відгуку Tvidg = " + Tvidg + " с");

    System.out.println ("  Частота гарантованого затухання fs = " + fs + " Гц");

    System.out.println ("  Гарантоване затухання as = " + as + " дБ");

    System.out.println ("  Нерівномірна АЧХ фільтра ac = " + ac + " дБ");

    System.out.println ("  Значення полюсiв з таблиці рівнохвилевої функції:" + "\n" + "    c1 = " + c1 + "    w1 = "+ w1);

    System.out.println ("  Ємності конденсаторів C1_2 = " + C1_2 + " ф");

    System.out.println ("  Опорна напруга Uop = " + Uop + " В");

    System.out.println ("  Напруга на вході стабілізатора Uzpmin = " + Uzpmin + " B");

    System.out.println ("  Напруга джерела живлення Udg = " + Udg + " B");

    System.out.println ("  Струм заряда акумулятора I = " + I + " A");

    System.out.println ("  Вихідна напруга мікросхеми Uvux = " + Uvux + " B");

    System.out.println ("  Вхідна напруга АЦП Uacpvx = "+ Uacpvx + " B");

    System.out.println ("  Вихідна напруга датчика Udvux = " + Udvux + " B");

    System.out.println ("  Номінали опорів R3, R5, R9, R11 = " + R + " Ом");

   

    System.out.println ("----------------------------------------------------");

   

    System.out.println ("   Розрахунок  основних параметрів приладу");

    System.out.println ("   Розрахунок  ФНЧ: ");

   

    double fc = 1/Tvidg;

    System.out.println (" Частота  зрізу fc = " + fc + " Гц");

   

    double n = (0.301+0.5*Math.log10(Math.pow(10, 0.1*as-1)/(Math.pow(10, 0.1*ac-1))))/(Math.log10((fs/fc)+Math.sqrt(((Math.pow(fs, 2))/Math.pow(fc, 2))-1)));

    System.out.println (" Порядок  фільтру n = " + n);

   

    double Ω = Math.sqrt((Math.pow(c1, 2))+(Math.pow(w1, 2)));

    System.out.println (" Нормовані  власні частоти полюсів Ω = " + Ω);

   

    double Q = Ω/Math.abs(2*c1);

    System.out.println (" Добротності  полюсів Q = " + Q);

   

    double fn12 = Ω*fc;

    System.out.println (" Частота  зрізу ФНЧ fn12 = " + fn12 + " Гц");

   

    double R1_2 = 1/(2*3.14*fn12*C1_2);

    System.out.println (" Значення  опорів R1,2 = " + R1_2 + " Ом");

   

    double K = 3 - (1/Q);

    System.out.println (" Коефіцієнт  передачі подільника напруги  К = " + K);

   

    double R4 = R/(K-1);

    System.out.println (" Значення  опору R4 = " + R4 + " Ом");

   

    System.out.println ("   Розрахунок  елементів схеми управління зарядного  пристрою");

        double Ku1 = Uop/Uzpmin;

    System.out.println (" Коефіцієнт  передачі подільника напруги  R4-R5 Ku = " + Ku1);

        double R14 = (R/Ku1) - R;

    System.out.println (" Значення  опору R14 = " + R14 + " Ом");

        double Ku2 = Uop/Udg;

    System.out.println (" Коефіцієнт  передачі подільника напруги  R9-R12 Ku2 = " + "Ku2");

        double R12 = (R/Ku2)-R;

    System.out.println (" Значення  опору R12 = " + R12 + " Ом");