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"
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 |
Погрешность не должна превышать |
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
Рисунок 1. Горячий и холодный концы термопарыИсточник: http://kochetkov.wenzi.ru/
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/
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, Is– 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
ПустьIс – 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 Is.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 Is:
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 ΔVBE = VBE – VN приложено к резистору R2. Ток эмиттера Q2 определяется как ΔVBE/ R2. Примерно этой
же величине равен и коллекторный ток I2 этого транзистора. Протекая
через резистор R, он создает на нем падение напряжения,
равное ΔVBE⋅R/R2, следовательно,
напряжение на инвертирующем выводе ОУ
равно Vинв = VIN
– ΔVBE⋅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 «ProportionalToAbsoluteTempera
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 VBANDGAP, снимается
с базы Q1 и является суммой VBE(Q1) и VPTAT. Термин «Запрещенная зона»– BANDGAP, применяемыйв [3], означает энергетический
барьер, возникающий на p-nпереходе. Как и VPTAT, напряжение VBE(Q1) также линейно зависит от абсолютной
температуры, но с ростом ее падает (в [3]
эта зависимость названа комплементарной
к абсолютной температуре (ComplementaryToAbsoluteTemper
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.
Рисунок 8. Термокомпенсация на основе ИДТ с токовым выходом серии AD590. В схеме применяется термостабильный источник опорного напряжения AD580.
Аналогичные серии ИДТ с токовым и потенциальным выходом производятся компанией NationalSemicondutor [5]. Имеются отечественные аналоги этих микросхем [6].
1.2 Мостовая схема термокомпенсации
В таких схемах в качестве датчика температуры применяют термосопротивления. Наиболее распространенный способ подключения термосопротивления как датчика температуры – включение его в одно из плеч измерительного моста. На Рисунке 9показана мостовая схема термокомпенсации.
В этой схеме мост уравновешивается при некоторой температуре свободных концов, принятой за нормальную температуру (согласно заданию – это 25 0С, т.е., середина температурного диапазона). При отклонении температуры от нормальной мост разбалансируется. Напряжение UABв диагонали AB, отличное от нуля из-за разбалансировки, подается на выход и добавляется к напряжению U(Tгор,Tхол), генерируемому термопарой.
Рисунок 9. Термосопротивление Rtвключено в плечо неуравновешенного измерительного моста.
Напряжение
в измерительной диагонали
ΔUAB = ,
где α – температурный коэффициент терморезистора
(в долях на градус),
β – температурный коэффициент термопары
по холодным концам (в Вольтах на градус), U–напряжение на диагонали
подачи питания,
ΔT– малые изменения температуры холодных
концов (градусы).
Отсюда вытекает соотношение, задающее напряжение питаниямоста:
U = 4β/α.
Для термопары типа ТХК в соответствии
с НСХ при температурах в диапазоне 15
0С – 35 0С температурный коэффициент β≈40 мкВ/град[8]. Типичный температурный коэффициент
термосопротивленияα≈0,005град-
2. Расчетная часть
2.1 Расчет параметров схемы термокомпенсации с помощью ИДТ
Параметры схемы термокомпенсации полностью задаются делителем на резисторах R1 и R2, который определяет величинутермокомпенсирующей добавкинапряжения.Резисторы R1 и R2 в схеме на Рисунке 8 должны удовлетворять двум требованиям:
- при номинальной температуре (25 0С) добавка напряжения точно компенсирует отличие сигнала термопары от того уровня, который был бы при температуре холодного спая, равной 0 0С;
- на краях температурного диапазона (15 – 35 0С) добавка напряжения должна обеспечивать компенсацию с минимальной погрешностью (очевидно, если сигнал термопары линейно зависит от температуры холодных концов, то погрешность будет нулевая; ненулевая погрешность возникает из-за нелинейности).
Рассчитаем растекание токов. Для этого запишем уравнения Кирхгофа (с учетом направления токов I1 и I2, показанных на Рисунке 8):
-I1·R1 + I2·R2 = Vout
I1 + I2 = I
Решение этой системы линейных уравнений имеет вид:
I1=(Vout +I∙R2)/(R1+R2);
I2= (Vout+I∙R1)/(R1+R2).
Падение напряжения на резисторе R1 (компенсирующая добавка)
ΔU = I1·R1=(Vout +I∙R2).
Сопротивление R2 находится из условия равенства компенсирующей добавки нулю при температуре 0 0С:
R2 = Vout / (ΔI·273),
где ΔI–шаг изменения тока на 10 К (в данном случае – 1мкА на 10 К). При Vout = 2,5ВполучаемR2 = 9,16 КОм, что в точности соответствует среднему значению R2на Рисунке 8. Таким образом,это сопротивление от типа термопары не зависит.
СопротивлениеR1находится из другого условия: в соответствии
с НСХ термопары, притемпературе середины
диапазона(25 0С) добавка напряжения
должна точно компенсировать отличие
сигнала термопары от того уровня, который
был бы при температуре холодного спая,
равной 0 0С. Для термопары типа L(хромель
/копель) эта добавка ΔU составляет
1,619 мВ[8]. Из этого получаем
R1= ΔU/(ΔI·25)= 1,619·10-3/(10-6·25) =64,76 (Ом).
Это отличается от значения, приведенного на Рисунке 8, но там речь идет о термопаре другого типа (типа К).
Найдем, каково будет изменение компенсирующего
напряжения на краях температурного
диапазона (15 – 35 0С) по отношению к температуре
середины диапазона (на ±10 0С от центра
диапазона):
ΔU≈(ΔI·10)·R1 = 0,6476(мВ).
По таблице, приведенной в [8], на нижнем пределе (15 0С) это изменение должно быть равно -0,656мВ,а на верхнем пределе (35 0С), соответственно, +0,667мВ. Максимальное различие (на верхнем пределе) составляет около 0,02мВ, что при чувствительности термопары около 0,04мВ/град соответствует ошибке в 0,5 0Сивполне укладывается в требования задания.
2.2. Расчет мостовой схемы термоком
пенсации
В мостовой схеме (Рисунок 9) все сопротивления мостаR взяты одинковымии равными100 Ом, что совпадает с номиналом медного термосопротивления при температуре 0 0С. Это обеспечивает уравновешенность моста при температуре 0 0С. Выбор суммарной величины сопротивлений r = r1+r2+r3опреляется требованием, чтобы, в соответствии с НСХ термопары, приращение напряжения в диагонали моста ABпри температуре середины диапазона (25 0С) точно компенсировало отличие сигнала термопары от того уровня, который был бы при температуре холодного спая, равной 0 0С. Для термопары типа L(хромель /копель) эта добавка ΔUABдолжна составлять 1,619 мВ[8]. С точностью до первого порядка малости изменения величины термосопротивления ΔR/Rи отношения сопротивлений R/r
ΔUAB≈ ¼E (R/r)( ΔR/R) = ¼E(ΔR/r)
Отсюда получаем
r =
Для медного термосопротивления с номиналом 100 Ом увеличение сопротивления при изменении температуры от 00Сдо25 0С составляет [9]
ΔR = 10,70 Ом,
так что
при E= 10 Всуммарная величина сопротивлений
r = r1+r2+r3= 16,52
КОм
При этом измерительный ток, потребляемый мостом, не превосходит рекомендуемого в [9] ограничения в 1мА, связанного с ограничением термосопротвления по саморазогреву.
Измеренине наприжения на измерительной диагали моста(рис.9)
Здесь E=10В; r=16.52 мОм
Для Т=250С уже расчитано, 1,619 мВ
По тоблице для
Т=150С
Т=250С
Т=350С
Соответственно;
При Т=150С
При Т=250С
При Т=350С
Разносты:
По таблице для термопары эти разности должны быть, соотвественно , для
Т=150С
Т=350С
Отклонение (на верхном пределе) не превышает 0,02мВ=20мкВ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные в расчётах результаты вполне соответствуют условиям, поставленным в задании к курсовому проекту. Расчет сделан для компенсации температуры холодного спая термопары. В ходе курсового проекта много нового узнали про термопары. Мы компенсировали температуру холодного спая термопары с помощью ИДТ и мостовой схемы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы М.: Высшая школа, 1989. — 456 с.
http://zi.zavantag.com/
2.Е.К. Шевцов, Методические указания к курсовому проекту по дисциплине:
«Технологические измерения и приборы», Мариуполь, ПГТУ, 1997 – 41 с.
3. Walt Kester, James Briant, Walt Jung.Перевод и обработка Андрея
Асташкевичаи Александра Фрунзе. Датчикитемпературы.Перевод
7 главыучебника “Practical Design Techniques For Sensor
Signal Conditioning”, фирма «Analog Devices». В журнале«Основы
схемотехники», 2000 г., №3. http://www.platan.ru/shem/pdf/
4. User’s Guide. AD590 Temperature sensors.2-Terminal IC Temperature
Transducer AD590.http://www.omega.com/
5. Евгений Иванов. Интегральные
датчики температуры
6. Температурные датчики с
7. Analog Devices. A Two-Terminal IC Temperature Transducer AD590.
http://www.jameco.com/Jameco/
8.ГОСТ Р. 8.585―2001. Государственный стандарт Российской Федерации.ТЕРМОПАРЫ Номинальные статические характеристики преобразования.
http://www.complexdoc.ru/
9. ГОСТ 6651-2009. Межгосударственный стандарт.
Термопреобразователи
СТАНДАРТЫ
1. ГОСТ 25276-82 Полимеры. Метод
определения вязкости
2. ГОСТ 2.105-95МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ
Единая система конструкторской документации
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕКСТОВЫМ ДОКУМЕНТАМ
3. Ип 02.00-06/08 Положение Работы выпускные квалификационные, проекты и работы курсовые. Правила оформления. КемТИПП, Кемерово 2008.
4. ГОСТ Р. 8.585―2001. Государственная система обеспечения единства
Измерений. ТЕРМОПАРЫ. Номинальные статические характеристики
Преобразования. База нормативной документации: www.complexdoc.ru
- Автоматическая коробка передач митсубиши лансера 10
- Автоматическая линия механической обработки заготовок вала коробки скоростей станка(662.59.05.01.00.033)
- Автоматическая линия механической обработки крестовины 469-2201030
- Автоматическая обработка экспериментальных данных
- Автоматическая переездная сигнализация и устройства УЗП
- Автоматическая пожарная сигнализация
- Автоматическая система пожарной сигнализации
- Автоматика и автоматизация на железнодорожном транспорте
- Автоматика и телемеханика на перегонах
- Автоматика құрылғылары мен элементтері
- Автоматиканың элементтері мен қондырғылары
- Автоматика технологических процессов и производств
- Автоматическая диспетчеризация автоперевозок
- Автоматическая дуговая сварка под флюсом
