МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный технический университет» Кафедра электроники Отчет по расчетно-графической работе №2 по дисциплине «Электрорадиоизмерения» на тему «Выбор прибора измерения температуры» вариант №4 Выполнили: студенты группы ИСС-181 ______________ Усаченко А.А. ______________ Мискарян Г.Р. Проверил: к.т.н., доцент ______________ Вальке А.А. Омск - 2020 ОГЛАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ .............................................................................. 3 ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 4 1 ОБЗОР ЧЕТЫРЕХ СЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫХ ТЕРМОМЕТРОВ: НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ .......................................................... 7 2 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ВЫБОРА ТЕРМОМЕТРА: ХАРАКТЕРИСТИК СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ АНАЛОГОВ, ТЕХНОЛОГИЙ И РЕШЕНИЙ................. 18 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 19 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ..................................... 20 2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Выбрать систему или устройство для измерения заданной физической величины. В таблице №1 заданы физическая величина и еѐ предельные значения, а также точность измерения. Таблица 1 – Исходные данные Физическая Минимальное Максимальное Погрешность величина значение значение измерений Температура - 100 °С + 200 °С ±1°С 3 ВВЕДЕНИЕ Все мы часто в своей жизни пользуемся таким прибором как термометр, но мало кто знает историю его изобретения и совершенствования. Принято считать, что термометр изобрел Галилео Галилей в далеком 1592 году. Конструкция термоскопа (именно так тогда назывался термометр) была примитивной (см. рис. ниже): к стеклянному шару небольшого диаметра припаивалась тонкая стеклянная трубка, которая помещалась в жидкость. Рисунок 1 – Термоскоп Галилея Воздух в стеклянном шаре посредством горелки или простым растиранием ладонями нагревался, в результате чего он начинал вытеснять жидкость в стеклянной трубке, показывая тем самым степень увеличения температуры: чем выше становилась температура воздуха в стеклянном шарике, тем ниже опускался уровень воды в трубке. Немаловажную роль при этом играло соотношение объема шара к диаметру трубки: создавая более тонкую трубку, можно было отслеживать более незначительные изменения температуры в шаре. 4 Рисунок 2 – Прибор Фернандо Медичи В дальнейшем конструкция термоскопа Галилея была доработана одним из его учеников – Фернандо Медичи. Основная идея сохранилась, однако Фернандо внес существенные изменения, которые сделали термоскоп более похожим на современный ртутный градусник. Также использовался стеклянный шар и тонкая трубка (см. рис. выше), но теперь трубка припаивалась не снизу, а сверху, и жидкость заливалась уже в стеклянный шар, при этом вверх трубки был открыт. Изменение температуры залитой жидкости (тогда в качестве нее использовался винный спирт) приводило к повышению ее уровня в трубке. Позднее на трубку были нанесены деления, т.е. была произведена первая градуировка термометра. 5 Рисунок 3 – Цифровой термометр С тех пор прошло много времени, и за этот период градусник не раз совершенствовался и модернизировался. Благодаря последним достижениям в областях физики удалось разработать новые подходы к измерению температуры. Сегодня созданы различные цифровые термометры, в основе которых лежат принцип изменения сопротивления вещества при изменении температуры (электрические термометры) или принцип изменения уровня светимости, спектра и других величин при изменении температуры (оптические термометры) [1]. 6 1 ОБЗОР ТЕРМОМЕТРОВ: ЧЕТЫРЕХ СЕРИЙНО НАЗНАЧЕНИЕ, ВЫПУСКАЕМЫХ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 1.1 Точный Pt100 цифровой термометр измеритель сопротивления температуры Диапазон измерения -200~600 градусов Sm6806a Рисунок 4 – 1.1.1 Назначение Этот термометр в основном используется для мониторинга высокоточных температур и измерений. Термометр может отображать изменения среди трех единиц: кельвин, Фаренгейт и Цельсия. 1.1.2 Принцип действия, конструкция и схемы подключения Термометры сопротивления могут использоваться для измерения температуры электрическим путем, так как существует прямо пропорциональная зависимость между изменениями сопротивления и изменением температуры. Другими словами, при повышении температуры величина сопротивления возрастает прямо пропорционально, а при понижении температуры сопротивление пропорционально уменьшается. Подобный 7 принцип используется в термометрах сопротивления, так как сопротивление термометра уменьшается или увеличивается пропорционально температуре процесса, который он измеряет. Любое изменение сопротивления может быть зарегистрировано и преобразовано в температурные показания с помощью таблицы, или отображено на шкале, которая откалибрована в единицах измерения температуры. Как и термопара или любой другой температурный датчик термометр сопротивления (RTD) функционален при измерении температуре только, если он подсоединен к электрической цепи. Обычно с термометрами сопротивления применяются мостовые схемы, так как такие схемы позволяют добиться высокой точности. Вместе с мостовой схемой используется батарея, которая служит в качестве источника питания. Цепи термометров сопротивления должны иметь внешний источник питания, так как они не способны генерировать напряжение сами. Рисунок 5 – Мостовая схема термометра сопротивления с батареей Мостовая схема, изображенная на рисунке выше состоит из пяти резисторов: Р1, R2, R3, R4, R5; и точек соединения: А, В, С, D. В данном случае давайте предположим, что каждый резистор в мостовой схеме обладает одинаковым сопротивлением. Так как ток протекает от минуса к плюсу в данном контуре, то протекание начинается с минусовой клеммы батареи и ток достигает точки А. В точке А ток расщепляется на равные части: одна половина протекает через сопротивление R1 в точку В, а другая половина протекает через R2 к точке С. Так как сопротивление всех резисторов 8 одинаковое, то между точками В и С нет разницы в величине напряжения, поэтому ток через R5 не протекает. Когда ток через средний резистор не протекает, то мост, как говорится «уравновешен». В данном примере ток протекает от точки В, через R3 в точку D. Ток также протекает от точки С через R4 в точку D. Ток от точки D возвращается на положительную клемму батареи, завершая цепь. Рисунок 6 – Протекание тока через уравновешенный мост Мостовая схема, изображенная на рисунке выше похожа на предыдущую схему за исключением того, что резистор R3 заменен термометром сопротивления. В данной конфигурации ток по-прежнему протекает от минусовой клеммы батареи на точки В и С. Однако, если сопротивление термометра сопротивления (RTD) отличается по величине от сопротивления резистора R4, то между точками В и С появится напряжение. Это означает, что мост неуравновешен и ток будет протекать через резистор R5. Рисунок 7 – Мостовая схема с термометром сопротивления 9 Ток, протекающий через мост, может быть измерен, если мы заменим R5 измерительным прибором, который и будет определять температуру, измеряя ток. Так схема обеспечивает высокую точность, то она часто используется вместе с термометрами сопротивления для измерения температуры. Рисунок 8 – Мостовая схема с термометром сопротивления и измерительным прибором Когда для измерения температуры используются термометры сопротивления, то они включаются в схему, подобно той, что показана на рисунке выше. Во многих случаях термометры сопротивления расположены на удалении от остальных элементов цепи, так как они подвержены воздействию температуры технологического процесса. По мере того, как температура вокруг термометра меняется, то пропорционально меняется величина сопротивления термометра. Когда сопротивление термометра меняется, то мост становится неуравновешенным и определенный ток протекает через измерительный прибор. Этот ток пропорционален изменениям температуры. Температура процесса затем может быть определена по показаниям шкалы прибора. В некоторых случаях шкалы откалиброваны на показания величины сопротивления, а не температуры. В таких случаях надо воспользоваться переводной таблицей для перевода ом в градусы [2]. 10 Рисунок 9 – Конструкция термометра сопротивления 1.1.3 Технические характеристики 1.1.3.1 Диапазон измерения температуры: -200…600 °С; 1.1.3.2 Погрешность: 0,3 %; 1.1.3.2 Разрешение: 0,1 °С; 1.1.3.3 Размеры дисплея: 1,9 дюйма; 1.1.3.4 Габариты: 156 x 70 x 40 мм; 1.1.3.5 Масса: 214 г; 1.1.3.6 Страна производитель: Китай. 1.2 Профессиональный термометр цифровой измеритель слишком высокой точности измеритель температуры тестер с ЖК-подсветкой GM1312 Рисунок 10 – Термометр GM1312 11 1.2.1 Назначение В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую. Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур [3]. 1.2.2 Конструкция и принцип действия Термоэлектрический (термоэлектрический (термоэлектродные термометр преобразователь провода), включает — вторичный в себя термопара), прибор канал датчик связи (милливольтметр, потенциометр или контроллер). 1.2.2.1 Термоэлектрический преобразователь Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте (эффект Т.Й. Зеебека, 1821 г.), т.е. на возникновении в замкнутой цепи из двух разнородных проводников электрического тока в том случае, если места спаев имеют разную температуру. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения t и /0, называется термоЭДС, а создающий ее преобразователь - термоэлектрическим термометром (термопарой). 12 Термопары обладают инерционностью порядка 1,5—8 мин. Достоинствами их являются простота конструкции и изготовления, отсутствие источника питания, дешевизна и возможность измерения высоких температур. Спай с температурой t называется горячим температурой t0 — холодным или или свободным, рабочим, а спай проводники А с и В — термоэлектродами (рис. 11, 12). Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. В спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В, например, в большем количестве. Рисунок 11 – Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников Рисунок 12 – Типичный внешний вид термопреобразователя температуры 1.2.2.2 Термоэлектродные провода 13 Соединительные провода в данном случае предназначены для удаления холодных спаев термопары возможно дальше от объекта измерения, т.е. от зоны с меняющейся температурой. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары; их целесообразно называть термоэлектродными проводами. Как правило, термоэлектродные провода и термоэлектроды термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из одних и тех же материалов (удлинение термопары). Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве термоэлектродных проводов часто применяют медь в паре с константаном. Для платиноро- дий-платиновых термопар в качестве термоэлектродных проводов употребляется медь в паре с медноникелевым сплавом (99,4% Си + 0,6% Ni). Эти провода в паре между собой до 100°С развивают такую же ТЭДС, что и платинородий-платиновая термопара. 1.2.2.3 Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте с термопарами для измерения температуры Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют вторичные приборы: милливольтметры и потенциометры (той же градуировки, что и термопара). Милливольтметры — это магнитоэлектрические приборы. Их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. Милливольтметры делятся на переносные и стационарные. Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Потенциометры делятся на лабораторные, переносные и автоматические [4]. 1.2.3 Технические характеристики 1.2.3.1 Диапазон измерений: -250…400 °С; 1.2.3.2 Разрешение: 0,1 °С; 1.2.3.3 Погрешность: ±0,1%+0,6 °С; 14 1.2.3.4 Габариты: 145,5 x 72 x 29 мм; 1.2.3.5 Рабочая температура: 0…50 °С; 1.2.3.6 Масса: 159 г; 1.2.3.7 Страна производитель: Китай. 1.3 Fluke 51 II, Измеритель температуры с термопарой -250+1370C° (Госреестр РФ) Рисунок 13 – Fluke 51 II 1.3.1 Описание Термометры Fluke 50 серии II - прочные портативные приборы, обеспечивающие лабораторную точность измерений (0.05%+0.3°C). Большой дисплей с подсветкой. Часы относительного времени для минимального, максимального и среднего значения обеспечивают определение времени основных событий. Функция электронной коррекции обеспечивает компенсацию погрешности термопары, что повышает общую точность измерений. Режим ожидания увеличивает срок службы батареи. Крышка отсека батарей позволяет менять батареи без нарушения гарантийной пломбы 1.3.2 Назначение, конструкция и принцип действия Назначение, конструкция и принцип действия данного прибора аналогичны термометры из подраздела 1.2. 15 1.3.3 Технические характеристики 1.3.3.1 Диапазон измерений: -200…1370 °С; 1.3.3.2 Разрешение: 0,1 °С; 1.3.3.3 Погрешность: ±0,05%+0,3 °С; 1.3.3.4 Габариты: 173 x 86 x 38 мм; 1.3.3.5 Масса: 400 г; 1.3.3.6 Страна производитель: США. 1.4 Термометр из платины технический ТПТ-13-1 Рисунок 14 – ТПТ-13-1 1.4.1 Назначение Данный термометр предназначен для измерения температуры жидких и газообразных сред в химической и газовой промышленности и криогенной технике. 1.4.2 Принцип действия Принцип работы данного устройства аналогичен прибору из подраздела 1.1. 1.4.3 Конструкция 16 Рисунок 15 – Конструкция ТПТ-13-1 1.4.4 Технические характеристики 1.4.4.1 Диапазон измерений: -100… 300 °С; 1.4.4.2 Класс допуска: A (удовлетворяет техническому заданию); 1.4.4.3 Длина монтажной части: 80, 100, 120, 160, 200, 250, 320, 400, 500 мм; 1.4.4.4 Диаметр монтажной части: 8/10 мм; 1.4.4.5 Масса: 220-760 г в зависимости от длины монтажной части; 1.4.4.6 Страна производитель: Россия. 17 2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕРМОМЕТРА: СРАВНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ АНАЛОГОВ, ТЕХНОЛОГИЙ И РЕШЕНИЙ В техническом задании даны условия, которым должны удовлетворять термометры из раздела 1, а именно минимальное (-100 °С) и максимальное (± 200 °С) значения температуры, а также погрешность (±1 °С), с которой может измерять прибор. Все устройства соответствуют техническому заданию. Для обзора мы старались подобрать модели термометров, работа которых основана на различным принципах, а также модели как отечественных, так и зарубежных производителей. Рассмотрим приборы из подразделов 1.2 и 1.3. Они оба основаны на одном и том же принципе работы (электрическом), но цена первого прибора составляет 1186 рублей, а второго 29110, очевидно, что из этих двух приборов термометр GM1312 является лучшим вариантом для этого технического задания. Теперь рассмотрим оставшиеся два прибора. Их принцип работы построен на термоэлектрическом эффекте (эффекте Зеебека). Цена отечественного аналога существенно ниже, его можно купить в России с различной длиной и диаметром монтажной части с российской гарантией, в отличие от зарубежного аналога. Благодаря этим же возможностям ТПТ-13-1 лучше термометра GM1312. Исходя из вышеописанного, был выбран ТПТ-13-1 18 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Во время выполнения РГР мы познакомились с историей развития термометра, сделали обзор четырех серийно выпускаемых приборов, указали их назначение, принцип действия, конструкции, технические характеристики, после чего обосновали выбор самого подходящего под наше техническое задание термометра, которым оказался ТПТ-13-1. 19 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 История создания термометра [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.aiportal.ru/promote/9/history-of-creation-thermometer.html, свободный – (03.05.2020). 2 Термометр сопротивления RTD [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.kipiavp.ru/pribori/termometr-soprotivleniya.html, свободный – (03.05.2020). 3 О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://asutpp- ru.turbopages.org/s/asutpp.ru/termopary.html, свободный – (03.05.2020). 4 Термоэлектрические термометры [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://studref.com/389962/tehnika/termoelektricheskie_termometry, свободный – (03.05.2020). 20
