| МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Дисциплина "Технические измерения и приборы" | |
| Автор: drug | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: | Комментирии: 0 | 02-01-2013 17:07 |
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Цель работы: ознакомиться с методами и средствами измерения температуры
Используемое оборудование: датчик температуры многоточечный ДТМ-2, блок сопряжения с датчиком БСД-1, термометры сопротивления ТМС-5071, термоэлектрические преобразователи ТХА 05-15, персональный компьютер, термогигрометр Center 311, пирометр переносной Center 352, мультиметр, печь, трубчатый водонагреватель.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Понятие температуры. Основные методы и средства измерения температуры
Температура наряду с давлением и объемом представляет собой одну из трех основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества, и непосредственно связана с его внутренней энергией.
Температура – латинское слово, обозначающее «смесь». При взаимодействии двух равновесных систем, имеющих разные температуры, происходит переход энергии от системы с большим энергосодержанием, пока обе системы не примут новое состояние равновесия. Общим для всех видов частиц первоначально разделенных систем является температура.
Диапазон существующих температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: сверхнизкие температуры (0-4.2 К), низкие (4.2 – 273 К), средние (273-1300 К), высокие (1300-5000 К) и сверхвысокие ( от 5000К и выше).
Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры.
В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные.
Более полно раскрывает особенности отдельных методов классификация по механизму передачи энергии от объекта исследования к термопреобразователю, в соответствии, с которой методы и средства измерений можно разделить на термометрические, пирометрические и спектрометрические.
Термометрические методы, как правило, являются контактными методами, при которых энергообмен между объектом исследования и термопреобразователем осуществяется главным образом путем теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции.
Неконтактные методы измерений температуры основаны на энергообмене путем излучения между объектом исследования и измерительным преобразователем. Все тела излучают в окружающее пространство электромагнитные волны различных длин.
В зависимости от вида излучения и определяемых его параметров неконтактные методы можно разделить на пирометрические, применяемые в основном для измерения температур от низких до 4000 –6000К по тепловому излучению исследуемых объектов, и спектрометрические, используемые для измерения сверх высоких температур, главным образом температуры плазмы.
Основой всех температурных измерений является термодинамическая шкала (ТТШ), не связанная с каким-либо частным термометрическим свойством вещества. Эта шкала, основанная на втором законе термодинамики, была в 1852г. разработана Кельвином.
Единице термодинамической температуры (символ Т) является кельвин (К), который определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Такое определение единицы температуры требует практически осуществления только одной реперной точки. Необходимая вторая точка – теоретическая – абсолютный нуль.
Температуру можно также выражать в градусах Цельсия (0С) Температура Цельсия (символ t или Θ) называется разность между температурой Кельвина Т и температурой Т0 = 273,15 К (точка таяния льда ), т.е. t= Т –273,15.
Шкалой, практически воспроизводящей ТТШ, является Международная практическая температурная шкала 1968г. (МПТШ- 68), принятая на основе международных соглашений. Связь между теоретической ТТШ И практической МПТШ-68 осуществляется при помощи газовых термометров.
Одним из наиболее часто измеряемых и контролируемых параметров как на производстве, так и в научных исследованиях является температура. В связи с этим интерес представляет рассмотрение методов получения, преобразования и обработки термометрической информации.
Обычно измеряемые температуры лежат в диапазоне от −273 до 3000 °С, в плазме могут быть температуры более 108 °С. Поэтому для измерения во всех возможных случаях необходимы разнообразные средства и методы измерений, к которым, в зависимости от поставленной задачи измерения, выдвигаются существенно различные требования, касающиеся точности и диапазонов измерения.
Существует обширный арсенал методов и приборов для измерения температуры, которые охватывают все разнообразие объектов, условий и режимов измерений.
Для измерения температур в промышленности нашли широкое применение электрические термопреобразователи, выходной сигнал которых в виде изменения напряжения, сопротивления или частоты поступает для обработки в подключенный к преобразователю вторичный измерительный или регулирующий прибор.
Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на явлении термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в том, что в месте соединения двух проводников из разных металлов или сплавов возникает электродвижущая сила (ЭДС). Если места соединений разнородных проводников, образующих замкнутую цепь, имеют различную температуру, то в цепи появляется электрический ток.
Сваренные (или спаянные) между собой разнородные проводники, образующие термопару, называют электродами. Спай электродов, помещенный в среду с температурой τ, которую требуется измерить, носит название рабочего (горячего) конца термопары. Свободные (холодные) концы термопары, к которым присоединяются медные провода, располагаются в местах с более низкой и постоянной температурой τ0. К материалам для изготовления термопар предъявляются жесткие требования по стабильности термоэлектрических свойств в процессе работы и по взаимозаменяемости однотипных термопар. В настоящее время утверждены и действуют общегосударственные стандарты (например, ГОСТ 10821−75, ГОСТ 1790−71) на термопары, выпускаемые отечественной промышленностью.
Величина термоЭДС зависит как от материала электродов, образующих термопару, так и от температуры ее рабочего и холодного концов. Каждая термопара имеет свою градуировку, т. е. определенную зависимость термоЭДС от температуры Е(τ) при постоянной температуре свободных концов τ0. Для однообразия и возможности сравнения отдельных измерений градуировочные таблицы составляются при τ0 = 0 °С, т. е. в них приводятся значения Е(τ,0).
Основное уравнение термоэлектрической цепи может быть записано в следующем виде:
E(τ,0) = E(τ,τ0 ) + E(τ0 ,0) , (1)
где Е(τ,0) – табличное значение ЭДС термопары, соответствующее измеряемой температуре τ, мВ;
Е(τ,τ0) – фактическое (измеренное) значение ЭДС термопары, имеющей температуру рабочего конца τ и свободных концов τ0, мВ;
Е(τ0,0) – поправка на температуру свободных концов, равная табличному значению ЭДС термопары, рабочий конец которой имеет температуру τ0, мВ.
Этим уравнением пользуются при поверке и градуировке измерительных приборов по эталонным приборам, шкалы которых отградуированы в милливольтах.
Основные типы стандартных термопар и их градуировочные характеристики (ГОСТ 3044-77), составленные в соответствии с МПТШ68, приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные типы стандартных термопар и их градуировочные характеристики
Наименование
термопары Условное обозначение типа градуировки Верхний предел измер., °С ТермоЭДС при макс. температуре, мВ
при длит.
нагреве при крат-
ковр. нагр
Платинородий-
платина ТПП ПП68 1300 1600 16,685
Хромель-алюмель ТХА ХА68 1000 1300 52,398
Хромель-копель ТХК ХК68 600 800 66,42
Другой вид преобразователей, которые получили широкое применение для измерения температуры, это терморезисторные преобразователи (термосопротивления). Терморезистором называется проводник или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления, находящийся в теплообмене с окружающей средой.
Интенсивность теплообмена термосопротивления со средой зависит от геометрических размеров проводника и состояния его поверхности; геометрических размеров и формы арматуры, к которой крепится проводник; физических свойств газовой или жидкой среды (плотность, теплопроводность, вязкость); скорости движения газовой или жидкой среды; температуры среды и арматуры и т. д.
При установившемся тепловом равновесии температура, а следовательно и со противление проводника, зависит от перечисленных факторов и от протекающего через проводник тока.
Зависимость сопротивления проводника (или полупроводника) от перечисленных факторов используют для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду: температуры, скорости движения вещества, концентрации, плотности (вакуума). При конструировании соответствующих преобразователей стремятся к тому, чтобы все факторы, за исключением измеряемой величины, возможно меньше влияли на температуру проводника при тепловом равновесии. Уменьшив, таким образом, зависимость температуры проводника от мешающих факторов, можно измерять соответствующую неэлектрическую величину, измеряя сопротивление проводника. При этом следует стремиться уменьшить потери через теплопроводность проволоки и через лучеиспускание. Часто терморезисторы изготовляют из тонкой проволоки диаметром 0,02−0,06 мм, укрепляя ее концы в массивных держателях. Теоретически и экспериментально доказано, что при отношении длины l к диаметру d проволоки порядка 500 и выше потерями через теплопроводность проводника можно пренебречь.
Терморезисторы, используемые в приборах для измерения температуры, работают при малой нагрузке током с тем, чтобы тепло, выделяемое током в терморезисторе, было минимальным по сравнению с теплом, получаемым от испытуемой среды.
Материалы, используемые для изготовления терморезисторов, должны обладать:
− однозначной зависимостью сопротивления от температуры и стойкостью против коррозии, обеспечивающими надежность измерения;
− высоким и, по возможности, постоянным температурным коэффициентом электрического сопротивления, дающим высокую чувствительность прибору и линейное изменение сопротивления проводника от температуры;
− большим удельным сопротивлением, позволяющим изготовлять преобразователи малых размеров.
Из числа чистых металлов наиболее пригодными для изготовления терморезисторных преобразователей являются платина (Pt) и медь (Cu).
На рис. 1 представлено относительное изменение сопротивлений указанных металлов в функции температуры Rt / R0 = f(t), где Rt – сопротивление при температуре t, а R0 – при 0 °С, принятое за единицу.
Рисунок 1- Зависимость относительного сопротивления платины и меди от температуры
Наилучшим материалом для терморезисторов считается платина, которая обладает большой химической инертностью и может быть легко получена в чистом виде. Она имеет достаточно большой температурный коэффициент электрического сопротивления (3,91•10-3 К-1) и высокое удельное сопротивление (0,099 Ом•мм2/м). Верхний температурный предел применения платиновых терморезисторов из соображений механической прочности ограничивается 650 °С.
Зависимость сопротивления металлов от температуры не является линейной. Для платины зависимость сопротивления R от температуры t в пределах от 0 до 660°С выражается уравнением:
Rt = R0 (1+ At + Bt 2) , (2)
где R0 – сопротивление при 0 оС.
Для меди при расчете сопротивления, соответствующего температуре t, пользуются обычно двухчленной формулой:
Rt = R0[1+ α0 (t − t0 )] , (3)
где R0 – сопротивление при температуре t0;
α0 – температурный коэффициент для интервала температур, начинающегося от t0.
1.2 Описание средств измерения, используемых в лабораторной работе
В лабораторной работе используются следующие средства измерения температуры:
- датчик температуры многоточечный ДТМ-2;
- блок сопряжения с датчиком БСД1;
- тепловлагометр Center 311;
- пирометр переносной Center 352;
- термоэлектрический преобразователь ТХА 05-15;
- термометр сопротивления ТСМ 5071.
1.2.1 Датчик температуры многоточечный ДТМ-2
Датчик температуры многоточечный ДТМ-2 (рисунок 2) предназначен для непрерывного контроля температуры жидких продуктов в нескольких точках по высоте заполнения в емкостях технологических и товарных парков, работающих без давления. Датчики осуществляют контактное автоматическое измерение температуры контролируемой среды в точках, с шагом кратным 0,25 метров по высоте резервуара.
Длина чувствительного элемента составляет 1,5 м. Количество измеряемых точек равно трём. Расстояние до точек измерения следующее: L1 = 0,75 м; L2 = 1,00 м; L3 = 1,25 м.
Измерение температуры продукта выполняется цифровыми интегральными термометрами фирмы Maxim Integrated Products, Inc.
Датчики состоят из:
- чувствительного элемента (ЧЭ), включающего в себя ИТ;
- первичного преобразователя (ПП), включающего в себя микроконтроллер (МК) и энергонезависимую память (ЭПМК).
ЧЭ датчиков выполнен в виде кабель-троса в оболочке из фторопласта, внутри которой с шагом кратным 0,25 метра располагаются ИТ. В нижней части ЧЭ крепится груз, обеспечивающий натяжение ЧЭ. В верхней части ЧЭ датчиков вне резервуара установлен ПП в литом корпусе из алюминиевого сплава.
ПП представляет собой электронный узел, выполняющий следующие функции:
- считывание информации о температуре с интегральных термометров ЧЭ;
- выдачу информации по командам вторичного прибора в линию связи.
ПП имеет литой корпус с крышкой и кабельным сальниковым вводом, снабженным хомутом для закрепления гибкой защитной оболочки кабеля (например, металлорукава).
Параметры контролируемой среды
рабочее избыточное давление не более 0,15 МПа;
температура от минус 45 до +125 С.
Вязкость не ограничивается при отсутствии застывания контролируемой среды на чувствительном элементе датчика и отсутствии отложений на датчике.
Диапазон измерений температуры от минус 45 до +125 С.
Измерение температуры продукта выполняется цифровыми интегральными термометрами фирмы Maxim Integrated Products, Inc. Первичный преобразователь осуществляет считывание информации о температуре с интегральных термометров ЧЭ и выдачу информации по командам вторичного прибора в линию связи.
По трехпроводной линии МК опрашивает все ИТ, расположенные в ЧЭ, с частотой восемь ИТ в секунду. Положение ИТ на ЧЭ определяет номер измеряемого канала. Нумерация каналов начинается со стороны корпуса датчика.
По сигналам с линии «Запрос» от вторичного прибора МК выдает асинхронно в линию «Ответ» значения температуры по запрошенному каналу измерения или диагностические сообщения.
Рисунок 2 - Датчики температуры многоточечный ДТМ-2
Структурная схема датчиков приведена на рисунке 3.
Датчик содержит следующие электронные узлы:
ячейка преобразования (ЯПР29);
чувствительный элемент (ЧЭ).
Рисунок 3 – Структурная схема датчика
Ячейка преобразования ЯПР29 обеспечивает опрос по трехпроводной линии всех ИТ, расположенных в ЧЭ, с частотой восемь ИТ в секунду.
Положение ИТ на ЧЭ определяет номер измеряемого канала. Нумерация каналов начинается со стороны корпуса датчика.
По сигналам с линии “Запрос” от вторичного прибора МК выдает асинхронно в линию “Ответ” значения температуры по запрошенному каналу измерения или диагностические сообщения.
На ПП расположены разъем для подключения ЧЭ, выключатель режимов работы S1 и разъем для подключения к вторичному прибору.
Секции с номерами четыре и пять выключателя S1 задают скорость обмена датчика с вторичным прибором, по умолчанию установлена скорость передачи 4800 бит/с.
Секция номер восемь выключателя S1 используется при регулировании. Она должна быть установлена в положение ON.
Секции с номерами два, три и шесть выключателя S1 не используются. Они должны быть установлены в положение ON.
Секция номер семь выключателя S1 определяет формат передачи данных на вторичный прибор. В положение OFF датчик ДТМ2 эмулирует работу датчика ДТМ1 с соответствующим числом точек. При этом, если число точек датчика ДТМ2 больше восьми, то на вторичный прибор передаются данные верхних восьми точек.
Секция номер один выключателя S1 определяет код типа датчика. В положении ON код типа датчика равен 0х00, а в положении OFF код типа датчика равен 0х9F.
Назначение положений секций выключателя S1 приведено в приложении C.
1.2.2 Блок сопряжения с датчиком БСД-1
Блоки сопряжения с датчиками БСД предназначены для построения систем сбора измерительной информации от датчиков производства ЗАО “Альбатрос” в системах коммерческого учёта и АСУ ТП. БСД-1 имеет исполнение, при котором возможно подключение только одного датчика.
Блок БСД-1 осуществляет выдачу информации о параметрах измерений датчика ДТМ-2 по запросам от ЭВМ по физическому протоколу(интерфейсу) RS-485 и логическому протоколу Modbus RTU.
Питание блоков осуществляется от внешнего изолированного стабилизированного источника питания постоянного тока (напряжение +24 В 10 %). Ток потребления блоков не превышает 180 мА.
Электрическое сопротивление изоляции между искробезопасными цепями и искроопасными цепями, цепями питания и выходными цепями:
- не менее 20 МОм при нормальных условиях;
- не менее 5 МОм при верхнем значении температуры рабочих условий.
Связь датчиков с блоками осуществляется с помощью экранированного четырехпроводного кабеля - двух витых пар в экране.
Внешний вид блока БСД-1 приведен на рисунке 4.
Рисунок 4 - Внешний вид блока БСД-1
1.2.3 Измеритель температуры и влажности CENTER 311
Измерители влажности и температуры (термогигрометры) серии Center-311 предназначены для измерения влажности и температуры окружающего воздуха в жилых, складских и производственных помещениях, а так же и свободной атмосфере с использованием полимерного конденсатора и полупроводниковою сенсора с отображением результата измерения на многофункциональном цифровом индикаторе, с возможностью накопления результатов измерения и передачи информации па компьютер через стык RS-232.
Рисунок 5- Термогигрометр Center 311
Технические характеристики:
- измерение температуры в диапазоне минус 200°С…1370°С (-328°F…2498°F) и относительной влажности в диапазоне 0…100%;
- высокое разрешение (0.1°С/0.1°F) и точность измерения (от 0.3%);
- дополнительный измерительный вход Т2 (CENTER 311, 314);
- цифровой ЖК-дисплей, три шкалы измерения;
- измерение min/max-значений, удержание показаний, относительные измерения;
- регистрация показаний в реальном масштабе времени через интерфейс RS-232;
- базовый универсальный датчик (несъемный) для входа Т1;
- съемный термодатчик общего назначения ТР-К01 для входа Т2 (CENTER 311, 314);
- большой выбор термодатчиков для дополнительного входа Т2 (опции);
- автоматическое выключение питания с возможностью блокировки функции;
- защита измерительного входа от перегрузки.
Таблица 2 – Технические характеристики тепловлагометра Center 311
Температура(универсальный датчик)
Диапазон измерений -20…60 °С; -4…140 °F
Погрешность ± 0,7 °С; ± 1,4 °F
Макс. разрешение 0,1 °С; 0,1 °F
Температура (К-Термопара) Диапазон измерений -200…1370 °С; -328…2498 °F
Погрешность ± (0,3 % + 1 °С);
± (0,3 % + 2 °F)
Макс. разрешение 0,1 °С; 0,1 °F
Защита входа =60 В; ~24 В
Относительная влажность Диапазон измерений 0…100 %
Погрешность ± 2,5 %
Макс. разрешение 0,1 %
Датчики этого прибора очень чувствительны к воздействию сильного света. 11с используйте лот прибор в местах, где возможно воздействие прямых или отраженных солнечных лучей. Если оператор производит измерения в этих неблагоприятных условиях, при которых измерение невозможно, на индикаторе возможно появление символа «Еrr». Пользователю необходимо надеть на датчик солнцезащитный чехол. Это не приводит к увеличению погрешности измерения, но постоянная времени измерения будет увеличена.
1 Включение питания
Нажмите кнопку включения питания для включения термогигрометра. При включении питания термогигрометра, на индикаторе будет индицироваться свободный для использования объем памяти. Пример: Если на индикаторе присутствует надпись 16000, это означает, что возможно записать в намять 16000 измерений.
2 Измерение температуры и влажности
Для измерения поместите датчик в среду, где необходимо произвести измерения.
Выбор единиц измерения температуры
На заводе установлен режим измерения температуры термогигрометра в градусах по Цельсию. По желанию пользователя, при нажатии на кнопку °С/°F, возможно результат измерения предоставить в градусах Фаренгейта. При последующем выключении питания термогигрометр будет сохранять те величины измерения, которые были установлены до выключения питания.
3 Режим удержания показаний
Пользователь может зафиксировать и сохранить на индикаторе результат измерения. Для этого необходимо нажать кнопку «HOLD». Если необходимо вернуться к измерения м снова, нажмите кнопку «НОLD» еще раз.
Перевод обозначений органов управления и индикации:
Измерение в градусах по Цельсию или Фаренгейту
Индикатор относительной влажности
Измерение максимального значения
Измерение минимального значения
Функция автоматического отключения питания включена
Удержание показаний
Месяц-день
Часы-минуты
Год
Индикатор разряда батареи
Индикатор записи в память, если индикатор мигает - память переполнена
Рисунок 6 – Органы индикаций
1. Датчики
2. Корпус пробника.
3. ЖК-индикатор
4. Кнопка вкл/выкл питания.
5 Кнопка «Относительные измерения »
6. Кнопка «Запись»
7. Кнопка выбора максимальных или минимальных знамений
8. Кнопка «Удержание»
9. Кнопка выбора единиц измерения температуры
10. Гнездо подсоединения кабеля RS-232
11. Гнездо подключения внешнего адаптера
12. Противопыльный чехол
13. Болт соединения с треногой
14. Крышка батарейного отсека
Рисунок 7 – Органы управления и индикации
1.2.4 Пирометр переносной Сenter 352
Область применения прибора в качестве радиационного пиромета (бесконтактного термометра, радиационного термометра, инфракрасного термометра) практически почти не ограничена.
Прибор отличает компактность и простота использования - Вы наводит прибор на цель, нажимаете курок и читаете на дисплее значение температуры.
Рисунок 8 - Пирометр переносной Сenter 352
Таблица 3- Технические характеристики
Характеристики
Параметры Center 352
Температура Диапазон температур минус 20 °C… 500 °C
минус 4 °F… 932 °F
Разрешение 0,1 °C; 0,2 °F
Погрешность измерения ± 2% от показания или ± 2 °C (± 4°F)
Дисплей Тип индикатора жидкокристаллический
Подсветка дисплея светодиодная
Формат индикации 4 разряда
Общие данные Оптическое разрешение
Коэффициент излучения 0,98
Время установления 500 мс
Источник питания 9 В (тип «Крона»)
Время автовыключения 10 с
Габаритные размеры 158×115×36 мм
Масса 180 гр.
Пирометр CENTER 352 предназначен для бесконтактного измерения температуры в диапазоне температур от минус 20 до 500 °С.
CENTER 352 относится к группе приборов неразрушающего контроля, что позволяет проводить измерение температуры без непосредственного контакта с измеряемой поверхностью, в отличие от обычных термометров. Это гарантирует безопасность при исследовании и контроле различных температурных процессов.
1 Принцип работы
Радиационный пирометр измеряет температуру поверхности объекта. Оптика прибора пропускает и фокусирует на детекторе инфракрасное излучение Электроника прибора преобразует оптический сигнал от детектора в электрический, обрабатывает его и выдает информацию на дисплей. Лазерная указка (лазер) служит только для нацеливания (наведения прибора) на объект измерения.
2 Порядок работы с прибором
Выбор температурной шкалы - переключение С°/ F°.
При открытой ручке прибор, переключите маленький черный переключатель (под курком) в положение С° или F°.
3 Включение лазерного указателя
При открытой ручке прибор, переключите маленький черный переключатель (под курком) в положение «ОN» (ВКЛ) или «ОFF» (ВЫКЛ). При включенной лазерной указку на индикаторе появиться соответствующий символ.
4 Использование
Для того чтобы измерить температуру объекта, направьте прибор на объект, убедитесь в том, что объект находится в поле зрения, и нажмите курок. На приборах, имеющих встроенный лазерный указатель, лазер используется только для наведения на середину измеряемой зоны. На время измерения на ЖКИ зажжется надпись «SCAN», после окончания измерения на индикаторе зажжется надпись «HOLD».
Правильное нахождение участка температурной аномалии
Для того чтобы правильно найти нагретый или охлажденный участок, просмотрите (сканируйте) прибором интересующий Вас участок по всей площади, отмечая зоны температурных отклонений.
5 Зона измерения
Убедитесь В том, что зона объекта больше, чем зона измерения. В противном случае переместите прибор ближе к измеряемой поверхности - этим вы обеспечите более точную оценку температуры за счет уменьшения контролируемой зоны, (когда точность является критичной, убедитесь в том что, объект как минимум в 2 раза больше зоны измерения).
Рисунок 9 – Индикаторы ЖК дисплея
1.2.5 Термоэлектрический преобразователь ТХА 05-15
Предназначены для измерения температуры газообразных или жидких химически неагрессивных, а также агрессивных сред не взаимодействующих с материалом термоэлектродов и не разрушающих материал защитной арматуры.. Диапазон измерения температур, °С от -40 до 600.
Рисунок 10 – Габаритные размеры термоэлектрического преобразователь ТХА 05-15
Таблица 4 - Градуировочная таблица термопары хромель-алюмель ХА68
°С -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
ЭДС (мВ) -1,527 -1,156 -0,778 -0,392 0,00 0,397 0,798 1,203 1,612 2,023 2,436 2,851 3,267
1.2.6 Термометр сопротивления ТСМ 5071
Термометр сопротивления ТСМ 5071 предназначен для измерения температуры газообразных и жидких химически неагрессивных, а также агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.
Диапазон измеряемых температур -50…+150 0С.
Рисунок 11 – Габаритные размеры термометра сопротивления ТСМ 5071
Таблица 5 - Градуировочная таблица для медных термометров сопротивления градуировка «23» (R0 = 53,00 Ом)
0C Сопротивление,
Ом 0C Сопротивление,
Ом 0C Сопротивление,
Ом
-50 41,74 15 56,38 70 68,77
-40 43,99 20 57,50 75 69,89
-30 46,24 25 58,63 80 71,02
-25 47,37 30 59,76 85 72,15
-20 48,50 35 60,88 90 73,27
-15 49,62 40 62,01 95 74,40
-10 50,75 45 63,14 100 75,52
-5 81,75 50 64,26 110 77,77
0 53,00 55 65,39 120 80,02
5 54,13 60 66,52 130 82,27
10 55,25 65 67,64 140 84,52
1.3 Описание лабораторного стенда
Схема лабораторного стенда представлена на рисунке 12.
В емкости находиться вода, которая нагревается при помощи трубчатого электронагревателя. В емкость вмонтированы датчик температуры ДТМ 2 и три термометра сопротивления ТХА 05-15. Трубчатый электронагреватель (ТЭН) включается при помощи автоматического выключателя. ТЭН имеет встроенный терморегулятор, что позволяет нагревать воду в емкости до 40, 60 и 80 0C. Для лабораторного опыта выставляем температуру нагрева 80 0C.
Печь также имеет встроенный терморегулятор. Максимальная температура нагрева составляет 150 0C. Данную температуру необходимо выставить для проведения лабораторной работы.
Рисунок 12- Схема лабораторного стенда
Лабораторный стенд состоит:
1 - емкость с водой;
2 - датчик температуры многоточечный ДТМ-2 фирмы «Альбатрос»;
3 - блок сопряжения с датчиками БСД-1 фирмы «Альбатрос»
4 - блок питания изолированный БПИ-1 фирмы «Альбатрос»;
5 - конвертер RS-485/RS-232 ADAM 4520 фирмы Advanched;
6 - блок питания изолированный Omron S82K-01524;
7 - автоматический выключатель;
8 - термоэлектрический пребразователь ТХА 05-15;
9 - трубчатый электронагреватель фирмы «Ariston»;
10 - клеммный зажим;
11 - термометры сопротивления ТСМ 5071;
12 – печь электрическая;
13 - мультиметр DT-830B DIGITAL MULTIMETER;
14 - пирометр радиационный Center 352;
15 - теплогигрометр Center 311.
2 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1 Ознакомится с методическими указаниями.
2 Включить в сеть печь (тумблером SB1) и трубчатый электронагреватель (тумблером SB2).
3 Запустить программное обеспечение на компьютере DTMT 200.exe.
4 В процессе постепенного повышения температуры внутри печи и емкости, производить съем показаний при помощи милливольтметра с термоэлектрических преобразователей ТХА 05-15 и термометров сопротивления ТСМ 5071. Результаты измерений записывать в таблицу 1. Показания милливольтметра сопоставлять с градусами температуры по градуировочной таблице, и также записывать в таблицу 1.
5 Одновременно с этим записывать значения температуры с многоточечного датчика температуры ДТМ-2 при помощи программного обеспечения DTMT 200.exe.
Для начала работы с ПО установить в меню программы «Связь» следующие параметры:
- порт СОМ1;
- скорость 9600 бит/с;
- контроль чётности – нечётный.
Запустить программу кнопкой «Пуск». Показания снимать с трех точек: Т1, Т2 и Т3.
6 При помощи радиационного пирометра Center 352 и термогигрометра Center 311 производить замер температуры в печи (во внутренней части).
Для измерения температуры при помощи радиационного пирометра Center 352 необходимо направить прибор на печь, убедиться в том, что объект находиться в поле зрения, нажать на курок. Навести лазерный указатель на середину измеряемой зоны. На время измерения на ЖКИ зажжется надпись «SCAN», после окончания измерения на индикаторе высветиться надпись «HOLD».
Для измерения температуры при помощи термогигрометра Center 311 необходимо нажать кнопку включения питания для включения термогигрометра. При включении питания термогигрометра, на индикаторе будет индицироваться свободный для использования объем памяти. Перед началом измерения необходимо также подсоединить в разъем Т2, находящийся в верхней части прибора, термопару ТРК-01(входит в комплект).
Для измерения температуры при помощи универсального датчика его необходимо поместить во внутреннюю часть печи, не касаясь нагретых элементов печи.
Для измерения температуры контактной термопарой ТРК-01, необходимо осуществлять непосредственный контакт термопары с измеряемым объектом, кратковременно касаясь нагреваемого элемента печи.
Съем показаний производить с интервалом в 5 минут.
Результаты всех измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1- Результаты измерений
Печь Емкость
Пирометр
Сenter 352, 0С Термометры сопротивления ТСМ 5071 Термогигрометр
Сеnter 311 Многоточ.датчик ДТМ 2 Термопара
ТХА 05-15
Ом 0С Универсал.
датчик, 0С Контакт.
термопара, 0С Т1, 0С Т2,
0С Т3,
0С Т1 Т2 Т3
мВ 0С мВ 0С мВ 0С
7 По результатам измерений построить кривые переходных процессов для печи и для емкости.
8 Заполнить таблицу 2, рассчитать погрешности измерений (температуру Т2 многоточечного датчика ДТМ 2 принимаем за эталонную).
9 Сделать выводы по результатам лабораторной работы.
Таблица 2 – Погрешность измерений
Многоточечный датчик ДТМ 2 Термопара
ТХА 05-15 Абсолютная погрешность
х, 0С Приведенная погрешность δ м,
δ м = х / Хn
Точка Т2, 0С Точка Т2, 0С
3 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
В процессе проведения экспериментов измерение параметров производится с помощью измерительных приборов, каждый из которых имеет определенный класс точности. Величина класса точности указана на шкале измерительного прибора или приведена в его паспортных данных. Класс точности представляет собой максимальную абсолютную погрешность, приведенную к пределу измерения прибора:
, (4)
где κх – класс точности измерительного прибора, %;
∆хmax – максимальная абсолютная погрешность измерения;
хm = хmax – xmin – пределы измерения прибора.
Из формулы (12) следует, что погрешность измерения электрических параметров будет равна:
. (5)
Фактические значения измеряемых величин будут находиться в пределах
, (6)
где хи – показание электроизмерительного прибора.
Для вычисления погрешности расчетных данных используется выражения для оценки погрешности функции приближенных аргументов [2]:
, (7)
где df(x)/dxi – частные производные от расчетной формулы u = f(x) по измеряемым параметрам xi;
n – количество измеряемых величин, входящих в расчетную формулу u = f(x).
Фактические значения расчетных величин будут находиться в пределах
. (8)
4 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
В лаборатории потребителей электрической энергии, электрооборудования промышленности и автоматизации технологических процессов и производств размещаются следующее оборудование и приборы:
а) физические модели тепловых объектов регулирования;
б) лабораторные стенды, на которых установлены электрические и вторичные измерительные приборы;
в) автоматические выключатели;
г) персональный компьютер.
Электропитание лабораторных установок осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 и 380 В.
4.1 Правила электробезопасности
1 К работе в лаборатории допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие вводный инструктаж по технике безопасности и электробезопасности на рабочем месте с оформлением в специальном журнале по технике безопасности.
2 С момента вступления в лабораторию каждый студент должен проявлять максимальную осторожность, постоянно следить за работой лабораторных установок, не оставлять их под напряжением без надзора.
3 Включать общее электропитание в лаборатории и электропитание лабораторных установок разрешается только руководителю лабораторных работ и его помощникам из числа лаборантов.
4 Разрешение на проведение экспериментов дает руководитель лабораторных работ после проверки знаний по технике безопасности, готовности группы к работе и проверки рабочей схемы.
5 В случае возникновения неисправностей выполнение лабораторной работы следует прекратить работу, сообщить руководителю и продолжить только после устранения неисправностей.
6 Не допускается разборка, сборка и монтаж электрооборудования и приборов, находящихся под напряжением.
7 Проверка наличия напряжения допускается только специальными электроизмерительными приборами.
8 Не разрешается работать неисправными электроприборами, применять соединительные провода с поврежденной изоляцией.
9 В лаборатории запрещается самостоятельно вскрывать приборы и другое оборудование, включать и выключать выключатели, рубильники и автоматические выключатели, пользоваться открытым огнем и курить.
10 По окончании лабораторной работы необходимо привести рабочее место в порядок, отключить электропитание и отсоединить проводники.
11 О возникновений всех непредвиденных ситуаций сообщать руководителю.
4.2 Действия сотрудников и студентов в случае пожара
1 Отключить электропитание лабораторных стендов.
2 Эвакуировать из помещения людей, незанятых ликвидацией пожара.
3 Немедленно приступить к тушению пожара согласно плана боевого расчета имеющимися средствами пожаротушения, одновременно вызвать по телефону пожарную команду и сообщить администрации.
4.3 Мероприятия по оказанию доврачебной помощи
1 Вызвать по телефону скорую помощь и сообщить администрации.
2 При поражении электрическим током необходимо отключить электроэнергию или перерубить провод изолированным инструментом. Если нет возможности это сделать, оказывающий помощь должен изолировать свои руки диэлектрическими перчатками, частью одежды, любой сухой тканью или сухими тряпками, сухой доской, либо просто за концы одежды отделить пострадавшего от токоведущих частей. Нельзя прикасаться к голому телу пострадавшего незащищенными руками, пока он находится под напряжением. После освобождения пострадавшего от токоведущих частей вызвать врача. До прибытия врача необходимо ровно и удобно уложить пострадавшего на мягкую поверхность и обеспечить приток свежего воздуха. Дать понюхать нашатырного спирта, обрызгать лицо холодной водой, растирать и согревать тело. При отсутствии дыхания делать искусственное дыхание до прибытия врача.
3 При механических травмах пострадавшего необходимо усадить (уложить), кожу вокруг раны смазать йодом, наложить стерильную повязку, вызвать врача.
4 При термических ожогах пораженное место следует смочить этиловым спиртом или раствором марганцево-кислого калия и наложить сухую повязку от ожогов, одновременно необходимо вызвать врача.
5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Что такое температура? Перечислите методы измерения температуры?
2 В чем заключается принцип действия термоэлектрических преобразователей?
3 Основное уравнение термоэлектрической цепи. Написать формулу.
4 Приведите температурные диапазоны измерения термоэлектрических преобразователей?
5 В чем заключается принцип действия термометров сопротивления?
6 Каковы требования, предъявляемые к материалам, используемых для изготовления терморезисторов?
7 Какие материалы, применяются для изготовления терморезисторов?
8 Расскажите о назначении, принципе действия многоточечного датчика температуры ДТМ2
9 Расскажите о принцип работы с термогигрометром Center 311
10 Расскажите о назначение, принципе работы пирометра Center 352
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы / В.П.
Преображенский. – М. : Энергия, 1978. 703 с.
2 Макаров И. М., Менский Б. М. Линейные автоматические системы: Элементы теории, методы расчета и справочный материал. – М.: Машиностроение, 1982. – 504 с.
Цель работы: ознакомиться с методами и средствами измерения температуры
Используемое оборудование: датчик температуры многоточечный ДТМ-2, блок сопряжения с датчиком БСД-1, термометры сопротивления ТМС-5071, термоэлектрические преобразователи ТХА 05-15, персональный компьютер, термогигрометр Center 311, пирометр переносной Center 352, мультиметр, печь, трубчатый водонагреватель.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Понятие температуры. Основные методы и средства измерения температуры
Температура наряду с давлением и объемом представляет собой одну из трех основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества, и непосредственно связана с его внутренней энергией.
Температура – латинское слово, обозначающее «смесь». При взаимодействии двух равновесных систем, имеющих разные температуры, происходит переход энергии от системы с большим энергосодержанием, пока обе системы не примут новое состояние равновесия. Общим для всех видов частиц первоначально разделенных систем является температура.
Диапазон существующих температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: сверхнизкие температуры (0-4.2 К), низкие (4.2 – 273 К), средние (273-1300 К), высокие (1300-5000 К) и сверхвысокие ( от 5000К и выше).
Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры.
В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные.
Более полно раскрывает особенности отдельных методов классификация по механизму передачи энергии от объекта исследования к термопреобразователю, в соответствии, с которой методы и средства измерений можно разделить на термометрические, пирометрические и спектрометрические.
Термометрические методы, как правило, являются контактными методами, при которых энергообмен между объектом исследования и термопреобразователем осуществяется главным образом путем теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции.
Неконтактные методы измерений температуры основаны на энергообмене путем излучения между объектом исследования и измерительным преобразователем. Все тела излучают в окружающее пространство электромагнитные волны различных длин.
В зависимости от вида излучения и определяемых его параметров неконтактные методы можно разделить на пирометрические, применяемые в основном для измерения температур от низких до 4000 –6000К по тепловому излучению исследуемых объектов, и спектрометрические, используемые для измерения сверх высоких температур, главным образом температуры плазмы.
Основой всех температурных измерений является термодинамическая шкала (ТТШ), не связанная с каким-либо частным термометрическим свойством вещества. Эта шкала, основанная на втором законе термодинамики, была в 1852г. разработана Кельвином.
Единице термодинамической температуры (символ Т) является кельвин (К), который определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Такое определение единицы температуры требует практически осуществления только одной реперной точки. Необходимая вторая точка – теоретическая – абсолютный нуль.
Температуру можно также выражать в градусах Цельсия (0С) Температура Цельсия (символ t или Θ) называется разность между температурой Кельвина Т и температурой Т0 = 273,15 К (точка таяния льда ), т.е. t= Т –273,15.
Шкалой, практически воспроизводящей ТТШ, является Международная практическая температурная шкала 1968г. (МПТШ- 68), принятая на основе международных соглашений. Связь между теоретической ТТШ И практической МПТШ-68 осуществляется при помощи газовых термометров.
Одним из наиболее часто измеряемых и контролируемых параметров как на производстве, так и в научных исследованиях является температура. В связи с этим интерес представляет рассмотрение методов получения, преобразования и обработки термометрической информации.
Обычно измеряемые температуры лежат в диапазоне от −273 до 3000 °С, в плазме могут быть температуры более 108 °С. Поэтому для измерения во всех возможных случаях необходимы разнообразные средства и методы измерений, к которым, в зависимости от поставленной задачи измерения, выдвигаются существенно различные требования, касающиеся точности и диапазонов измерения.
Существует обширный арсенал методов и приборов для измерения температуры, которые охватывают все разнообразие объектов, условий и режимов измерений.
Для измерения температур в промышленности нашли широкое применение электрические термопреобразователи, выходной сигнал которых в виде изменения напряжения, сопротивления или частоты поступает для обработки в подключенный к преобразователю вторичный измерительный или регулирующий прибор.
Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на явлении термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в том, что в месте соединения двух проводников из разных металлов или сплавов возникает электродвижущая сила (ЭДС). Если места соединений разнородных проводников, образующих замкнутую цепь, имеют различную температуру, то в цепи появляется электрический ток.
Сваренные (или спаянные) между собой разнородные проводники, образующие термопару, называют электродами. Спай электродов, помещенный в среду с температурой τ, которую требуется измерить, носит название рабочего (горячего) конца термопары. Свободные (холодные) концы термопары, к которым присоединяются медные провода, располагаются в местах с более низкой и постоянной температурой τ0. К материалам для изготовления термопар предъявляются жесткие требования по стабильности термоэлектрических свойств в процессе работы и по взаимозаменяемости однотипных термопар. В настоящее время утверждены и действуют общегосударственные стандарты (например, ГОСТ 10821−75, ГОСТ 1790−71) на термопары, выпускаемые отечественной промышленностью.
Величина термоЭДС зависит как от материала электродов, образующих термопару, так и от температуры ее рабочего и холодного концов. Каждая термопара имеет свою градуировку, т. е. определенную зависимость термоЭДС от температуры Е(τ) при постоянной температуре свободных концов τ0. Для однообразия и возможности сравнения отдельных измерений градуировочные таблицы составляются при τ0 = 0 °С, т. е. в них приводятся значения Е(τ,0).
Основное уравнение термоэлектрической цепи может быть записано в следующем виде:
E(τ,0) = E(τ,τ0 ) + E(τ0 ,0) , (1)
где Е(τ,0) – табличное значение ЭДС термопары, соответствующее измеряемой температуре τ, мВ;
Е(τ,τ0) – фактическое (измеренное) значение ЭДС термопары, имеющей температуру рабочего конца τ и свободных концов τ0, мВ;
Е(τ0,0) – поправка на температуру свободных концов, равная табличному значению ЭДС термопары, рабочий конец которой имеет температуру τ0, мВ.
Этим уравнением пользуются при поверке и градуировке измерительных приборов по эталонным приборам, шкалы которых отградуированы в милливольтах.
Основные типы стандартных термопар и их градуировочные характеристики (ГОСТ 3044-77), составленные в соответствии с МПТШ68, приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные типы стандартных термопар и их градуировочные характеристики
Наименование
термопары Условное обозначение типа градуировки Верхний предел измер., °С ТермоЭДС при макс. температуре, мВ
при длит.
нагреве при крат-
ковр. нагр
Платинородий-
платина ТПП ПП68 1300 1600 16,685
Хромель-алюмель ТХА ХА68 1000 1300 52,398
Хромель-копель ТХК ХК68 600 800 66,42
Другой вид преобразователей, которые получили широкое применение для измерения температуры, это терморезисторные преобразователи (термосопротивления). Терморезистором называется проводник или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления, находящийся в теплообмене с окружающей средой.
Интенсивность теплообмена термосопротивления со средой зависит от геометрических размеров проводника и состояния его поверхности; геометрических размеров и формы арматуры, к которой крепится проводник; физических свойств газовой или жидкой среды (плотность, теплопроводность, вязкость); скорости движения газовой или жидкой среды; температуры среды и арматуры и т. д.
При установившемся тепловом равновесии температура, а следовательно и со противление проводника, зависит от перечисленных факторов и от протекающего через проводник тока.
Зависимость сопротивления проводника (или полупроводника) от перечисленных факторов используют для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду: температуры, скорости движения вещества, концентрации, плотности (вакуума). При конструировании соответствующих преобразователей стремятся к тому, чтобы все факторы, за исключением измеряемой величины, возможно меньше влияли на температуру проводника при тепловом равновесии. Уменьшив, таким образом, зависимость температуры проводника от мешающих факторов, можно измерять соответствующую неэлектрическую величину, измеряя сопротивление проводника. При этом следует стремиться уменьшить потери через теплопроводность проволоки и через лучеиспускание. Часто терморезисторы изготовляют из тонкой проволоки диаметром 0,02−0,06 мм, укрепляя ее концы в массивных держателях. Теоретически и экспериментально доказано, что при отношении длины l к диаметру d проволоки порядка 500 и выше потерями через теплопроводность проводника можно пренебречь.
Терморезисторы, используемые в приборах для измерения температуры, работают при малой нагрузке током с тем, чтобы тепло, выделяемое током в терморезисторе, было минимальным по сравнению с теплом, получаемым от испытуемой среды.
Материалы, используемые для изготовления терморезисторов, должны обладать:
− однозначной зависимостью сопротивления от температуры и стойкостью против коррозии, обеспечивающими надежность измерения;
− высоким и, по возможности, постоянным температурным коэффициентом электрического сопротивления, дающим высокую чувствительность прибору и линейное изменение сопротивления проводника от температуры;
− большим удельным сопротивлением, позволяющим изготовлять преобразователи малых размеров.
Из числа чистых металлов наиболее пригодными для изготовления терморезисторных преобразователей являются платина (Pt) и медь (Cu).
На рис. 1 представлено относительное изменение сопротивлений указанных металлов в функции температуры Rt / R0 = f(t), где Rt – сопротивление при температуре t, а R0 – при 0 °С, принятое за единицу.
Рисунок 1- Зависимость относительного сопротивления платины и меди от температуры
Наилучшим материалом для терморезисторов считается платина, которая обладает большой химической инертностью и может быть легко получена в чистом виде. Она имеет достаточно большой температурный коэффициент электрического сопротивления (3,91•10-3 К-1) и высокое удельное сопротивление (0,099 Ом•мм2/м). Верхний температурный предел применения платиновых терморезисторов из соображений механической прочности ограничивается 650 °С.
Зависимость сопротивления металлов от температуры не является линейной. Для платины зависимость сопротивления R от температуры t в пределах от 0 до 660°С выражается уравнением:
Rt = R0 (1+ At + Bt 2) , (2)
где R0 – сопротивление при 0 оС.
Для меди при расчете сопротивления, соответствующего температуре t, пользуются обычно двухчленной формулой:
Rt = R0[1+ α0 (t − t0 )] , (3)
где R0 – сопротивление при температуре t0;
α0 – температурный коэффициент для интервала температур, начинающегося от t0.
1.2 Описание средств измерения, используемых в лабораторной работе
В лабораторной работе используются следующие средства измерения температуры:
- датчик температуры многоточечный ДТМ-2;
- блок сопряжения с датчиком БСД1;
- тепловлагометр Center 311;
- пирометр переносной Center 352;
- термоэлектрический преобразователь ТХА 05-15;
- термометр сопротивления ТСМ 5071.
1.2.1 Датчик температуры многоточечный ДТМ-2
Датчик температуры многоточечный ДТМ-2 (рисунок 2) предназначен для непрерывного контроля температуры жидких продуктов в нескольких точках по высоте заполнения в емкостях технологических и товарных парков, работающих без давления. Датчики осуществляют контактное автоматическое измерение температуры контролируемой среды в точках, с шагом кратным 0,25 метров по высоте резервуара.
Длина чувствительного элемента составляет 1,5 м. Количество измеряемых точек равно трём. Расстояние до точек измерения следующее: L1 = 0,75 м; L2 = 1,00 м; L3 = 1,25 м.
Измерение температуры продукта выполняется цифровыми интегральными термометрами фирмы Maxim Integrated Products, Inc.
Датчики состоят из:
- чувствительного элемента (ЧЭ), включающего в себя ИТ;
- первичного преобразователя (ПП), включающего в себя микроконтроллер (МК) и энергонезависимую память (ЭПМК).
ЧЭ датчиков выполнен в виде кабель-троса в оболочке из фторопласта, внутри которой с шагом кратным 0,25 метра располагаются ИТ. В нижней части ЧЭ крепится груз, обеспечивающий натяжение ЧЭ. В верхней части ЧЭ датчиков вне резервуара установлен ПП в литом корпусе из алюминиевого сплава.
ПП представляет собой электронный узел, выполняющий следующие функции:
- считывание информации о температуре с интегральных термометров ЧЭ;
- выдачу информации по командам вторичного прибора в линию связи.
ПП имеет литой корпус с крышкой и кабельным сальниковым вводом, снабженным хомутом для закрепления гибкой защитной оболочки кабеля (например, металлорукава).
Параметры контролируемой среды
рабочее избыточное давление не более 0,15 МПа;
температура от минус 45 до +125 С.
Вязкость не ограничивается при отсутствии застывания контролируемой среды на чувствительном элементе датчика и отсутствии отложений на датчике.
Диапазон измерений температуры от минус 45 до +125 С.
Измерение температуры продукта выполняется цифровыми интегральными термометрами фирмы Maxim Integrated Products, Inc. Первичный преобразователь осуществляет считывание информации о температуре с интегральных термометров ЧЭ и выдачу информации по командам вторичного прибора в линию связи.
По трехпроводной линии МК опрашивает все ИТ, расположенные в ЧЭ, с частотой восемь ИТ в секунду. Положение ИТ на ЧЭ определяет номер измеряемого канала. Нумерация каналов начинается со стороны корпуса датчика.
По сигналам с линии «Запрос» от вторичного прибора МК выдает асинхронно в линию «Ответ» значения температуры по запрошенному каналу измерения или диагностические сообщения.
Рисунок 2 - Датчики температуры многоточечный ДТМ-2
Структурная схема датчиков приведена на рисунке 3.
Датчик содержит следующие электронные узлы:
ячейка преобразования (ЯПР29);
чувствительный элемент (ЧЭ).
Рисунок 3 – Структурная схема датчика
Ячейка преобразования ЯПР29 обеспечивает опрос по трехпроводной линии всех ИТ, расположенных в ЧЭ, с частотой восемь ИТ в секунду.
Положение ИТ на ЧЭ определяет номер измеряемого канала. Нумерация каналов начинается со стороны корпуса датчика.
По сигналам с линии “Запрос” от вторичного прибора МК выдает асинхронно в линию “Ответ” значения температуры по запрошенному каналу измерения или диагностические сообщения.
На ПП расположены разъем для подключения ЧЭ, выключатель режимов работы S1 и разъем для подключения к вторичному прибору.
Секции с номерами четыре и пять выключателя S1 задают скорость обмена датчика с вторичным прибором, по умолчанию установлена скорость передачи 4800 бит/с.
Секция номер восемь выключателя S1 используется при регулировании. Она должна быть установлена в положение ON.
Секции с номерами два, три и шесть выключателя S1 не используются. Они должны быть установлены в положение ON.
Секция номер семь выключателя S1 определяет формат передачи данных на вторичный прибор. В положение OFF датчик ДТМ2 эмулирует работу датчика ДТМ1 с соответствующим числом точек. При этом, если число точек датчика ДТМ2 больше восьми, то на вторичный прибор передаются данные верхних восьми точек.
Секция номер один выключателя S1 определяет код типа датчика. В положении ON код типа датчика равен 0х00, а в положении OFF код типа датчика равен 0х9F.
Назначение положений секций выключателя S1 приведено в приложении C.
1.2.2 Блок сопряжения с датчиком БСД-1
Блоки сопряжения с датчиками БСД предназначены для построения систем сбора измерительной информации от датчиков производства ЗАО “Альбатрос” в системах коммерческого учёта и АСУ ТП. БСД-1 имеет исполнение, при котором возможно подключение только одного датчика.
Блок БСД-1 осуществляет выдачу информации о параметрах измерений датчика ДТМ-2 по запросам от ЭВМ по физическому протоколу(интерфейсу) RS-485 и логическому протоколу Modbus RTU.
Питание блоков осуществляется от внешнего изолированного стабилизированного источника питания постоянного тока (напряжение +24 В 10 %). Ток потребления блоков не превышает 180 мА.
Электрическое сопротивление изоляции между искробезопасными цепями и искроопасными цепями, цепями питания и выходными цепями:
- не менее 20 МОм при нормальных условиях;
- не менее 5 МОм при верхнем значении температуры рабочих условий.
Связь датчиков с блоками осуществляется с помощью экранированного четырехпроводного кабеля - двух витых пар в экране.
Внешний вид блока БСД-1 приведен на рисунке 4.
Рисунок 4 - Внешний вид блока БСД-1
1.2.3 Измеритель температуры и влажности CENTER 311
Измерители влажности и температуры (термогигрометры) серии Center-311 предназначены для измерения влажности и температуры окружающего воздуха в жилых, складских и производственных помещениях, а так же и свободной атмосфере с использованием полимерного конденсатора и полупроводниковою сенсора с отображением результата измерения на многофункциональном цифровом индикаторе, с возможностью накопления результатов измерения и передачи информации па компьютер через стык RS-232.
Рисунок 5- Термогигрометр Center 311
Технические характеристики:
- измерение температуры в диапазоне минус 200°С…1370°С (-328°F…2498°F) и относительной влажности в диапазоне 0…100%;
- высокое разрешение (0.1°С/0.1°F) и точность измерения (от 0.3%);
- дополнительный измерительный вход Т2 (CENTER 311, 314);
- цифровой ЖК-дисплей, три шкалы измерения;
- измерение min/max-значений, удержание показаний, относительные измерения;
- регистрация показаний в реальном масштабе времени через интерфейс RS-232;
- базовый универсальный датчик (несъемный) для входа Т1;
- съемный термодатчик общего назначения ТР-К01 для входа Т2 (CENTER 311, 314);
- большой выбор термодатчиков для дополнительного входа Т2 (опции);
- автоматическое выключение питания с возможностью блокировки функции;
- защита измерительного входа от перегрузки.
Таблица 2 – Технические характеристики тепловлагометра Center 311
Температура(универсальный датчик)
Диапазон измерений -20…60 °С; -4…140 °F
Погрешность ± 0,7 °С; ± 1,4 °F
Макс. разрешение 0,1 °С; 0,1 °F
Температура (К-Термопара) Диапазон измерений -200…1370 °С; -328…2498 °F
Погрешность ± (0,3 % + 1 °С);
± (0,3 % + 2 °F)
Макс. разрешение 0,1 °С; 0,1 °F
Защита входа =60 В; ~24 В
Относительная влажность Диапазон измерений 0…100 %
Погрешность ± 2,5 %
Макс. разрешение 0,1 %
Датчики этого прибора очень чувствительны к воздействию сильного света. 11с используйте лот прибор в местах, где возможно воздействие прямых или отраженных солнечных лучей. Если оператор производит измерения в этих неблагоприятных условиях, при которых измерение невозможно, на индикаторе возможно появление символа «Еrr». Пользователю необходимо надеть на датчик солнцезащитный чехол. Это не приводит к увеличению погрешности измерения, но постоянная времени измерения будет увеличена.
1 Включение питания
Нажмите кнопку включения питания для включения термогигрометра. При включении питания термогигрометра, на индикаторе будет индицироваться свободный для использования объем памяти. Пример: Если на индикаторе присутствует надпись 16000, это означает, что возможно записать в намять 16000 измерений.
2 Измерение температуры и влажности
Для измерения поместите датчик в среду, где необходимо произвести измерения.
Выбор единиц измерения температуры
На заводе установлен режим измерения температуры термогигрометра в градусах по Цельсию. По желанию пользователя, при нажатии на кнопку °С/°F, возможно результат измерения предоставить в градусах Фаренгейта. При последующем выключении питания термогигрометр будет сохранять те величины измерения, которые были установлены до выключения питания.
3 Режим удержания показаний
Пользователь может зафиксировать и сохранить на индикаторе результат измерения. Для этого необходимо нажать кнопку «HOLD». Если необходимо вернуться к измерения м снова, нажмите кнопку «НОLD» еще раз.
Перевод обозначений органов управления и индикации:
Измерение в градусах по Цельсию или Фаренгейту
Индикатор относительной влажности
Измерение максимального значения
Измерение минимального значения
Функция автоматического отключения питания включена
Удержание показаний
Месяц-день
Часы-минуты
Год
Индикатор разряда батареи
Индикатор записи в память, если индикатор мигает - память переполнена
Рисунок 6 – Органы индикаций
1. Датчики
2. Корпус пробника.
3. ЖК-индикатор
4. Кнопка вкл/выкл питания.
5 Кнопка «Относительные измерения »
6. Кнопка «Запись»
7. Кнопка выбора максимальных или минимальных знамений
8. Кнопка «Удержание»
9. Кнопка выбора единиц измерения температуры
10. Гнездо подсоединения кабеля RS-232
11. Гнездо подключения внешнего адаптера
12. Противопыльный чехол
13. Болт соединения с треногой
14. Крышка батарейного отсека
Рисунок 7 – Органы управления и индикации
1.2.4 Пирометр переносной Сenter 352
Область применения прибора в качестве радиационного пиромета (бесконтактного термометра, радиационного термометра, инфракрасного термометра) практически почти не ограничена.
Прибор отличает компактность и простота использования - Вы наводит прибор на цель, нажимаете курок и читаете на дисплее значение температуры.
Рисунок 8 - Пирометр переносной Сenter 352
Таблица 3- Технические характеристики
Характеристики
Параметры Center 352
Температура Диапазон температур минус 20 °C… 500 °C
минус 4 °F… 932 °F
Разрешение 0,1 °C; 0,2 °F
Погрешность измерения ± 2% от показания или ± 2 °C (± 4°F)
Дисплей Тип индикатора жидкокристаллический
Подсветка дисплея светодиодная
Формат индикации 4 разряда
Общие данные Оптическое разрешение
Коэффициент излучения 0,98
Время установления 500 мс
Источник питания 9 В (тип «Крона»)
Время автовыключения 10 с
Габаритные размеры 158×115×36 мм
Масса 180 гр.
Пирометр CENTER 352 предназначен для бесконтактного измерения температуры в диапазоне температур от минус 20 до 500 °С.
CENTER 352 относится к группе приборов неразрушающего контроля, что позволяет проводить измерение температуры без непосредственного контакта с измеряемой поверхностью, в отличие от обычных термометров. Это гарантирует безопасность при исследовании и контроле различных температурных процессов.
1 Принцип работы
Радиационный пирометр измеряет температуру поверхности объекта. Оптика прибора пропускает и фокусирует на детекторе инфракрасное излучение Электроника прибора преобразует оптический сигнал от детектора в электрический, обрабатывает его и выдает информацию на дисплей. Лазерная указка (лазер) служит только для нацеливания (наведения прибора) на объект измерения.
2 Порядок работы с прибором
Выбор температурной шкалы - переключение С°/ F°.
При открытой ручке прибор, переключите маленький черный переключатель (под курком) в положение С° или F°.
3 Включение лазерного указателя
При открытой ручке прибор, переключите маленький черный переключатель (под курком) в положение «ОN» (ВКЛ) или «ОFF» (ВЫКЛ). При включенной лазерной указку на индикаторе появиться соответствующий символ.
4 Использование
Для того чтобы измерить температуру объекта, направьте прибор на объект, убедитесь в том, что объект находится в поле зрения, и нажмите курок. На приборах, имеющих встроенный лазерный указатель, лазер используется только для наведения на середину измеряемой зоны. На время измерения на ЖКИ зажжется надпись «SCAN», после окончания измерения на индикаторе зажжется надпись «HOLD».
Правильное нахождение участка температурной аномалии
Для того чтобы правильно найти нагретый или охлажденный участок, просмотрите (сканируйте) прибором интересующий Вас участок по всей площади, отмечая зоны температурных отклонений.
5 Зона измерения
Убедитесь В том, что зона объекта больше, чем зона измерения. В противном случае переместите прибор ближе к измеряемой поверхности - этим вы обеспечите более точную оценку температуры за счет уменьшения контролируемой зоны, (когда точность является критичной, убедитесь в том что, объект как минимум в 2 раза больше зоны измерения).
Рисунок 9 – Индикаторы ЖК дисплея
1.2.5 Термоэлектрический преобразователь ТХА 05-15
Предназначены для измерения температуры газообразных или жидких химически неагрессивных, а также агрессивных сред не взаимодействующих с материалом термоэлектродов и не разрушающих материал защитной арматуры.. Диапазон измерения температур, °С от -40 до 600.
Рисунок 10 – Габаритные размеры термоэлектрического преобразователь ТХА 05-15
Таблица 4 - Градуировочная таблица термопары хромель-алюмель ХА68
°С -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
ЭДС (мВ) -1,527 -1,156 -0,778 -0,392 0,00 0,397 0,798 1,203 1,612 2,023 2,436 2,851 3,267
1.2.6 Термометр сопротивления ТСМ 5071
Термометр сопротивления ТСМ 5071 предназначен для измерения температуры газообразных и жидких химически неагрессивных, а также агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.
Диапазон измеряемых температур -50…+150 0С.
Рисунок 11 – Габаритные размеры термометра сопротивления ТСМ 5071
Таблица 5 - Градуировочная таблица для медных термометров сопротивления градуировка «23» (R0 = 53,00 Ом)
0C Сопротивление,
Ом 0C Сопротивление,
Ом 0C Сопротивление,
Ом
-50 41,74 15 56,38 70 68,77
-40 43,99 20 57,50 75 69,89
-30 46,24 25 58,63 80 71,02
-25 47,37 30 59,76 85 72,15
-20 48,50 35 60,88 90 73,27
-15 49,62 40 62,01 95 74,40
-10 50,75 45 63,14 100 75,52
-5 81,75 50 64,26 110 77,77
0 53,00 55 65,39 120 80,02
5 54,13 60 66,52 130 82,27
10 55,25 65 67,64 140 84,52
1.3 Описание лабораторного стенда
Схема лабораторного стенда представлена на рисунке 12.
В емкости находиться вода, которая нагревается при помощи трубчатого электронагревателя. В емкость вмонтированы датчик температуры ДТМ 2 и три термометра сопротивления ТХА 05-15. Трубчатый электронагреватель (ТЭН) включается при помощи автоматического выключателя. ТЭН имеет встроенный терморегулятор, что позволяет нагревать воду в емкости до 40, 60 и 80 0C. Для лабораторного опыта выставляем температуру нагрева 80 0C.
Печь также имеет встроенный терморегулятор. Максимальная температура нагрева составляет 150 0C. Данную температуру необходимо выставить для проведения лабораторной работы.
Рисунок 12- Схема лабораторного стенда
Лабораторный стенд состоит:
1 - емкость с водой;
2 - датчик температуры многоточечный ДТМ-2 фирмы «Альбатрос»;
3 - блок сопряжения с датчиками БСД-1 фирмы «Альбатрос»
4 - блок питания изолированный БПИ-1 фирмы «Альбатрос»;
5 - конвертер RS-485/RS-232 ADAM 4520 фирмы Advanched;
6 - блок питания изолированный Omron S82K-01524;
7 - автоматический выключатель;
8 - термоэлектрический пребразователь ТХА 05-15;
9 - трубчатый электронагреватель фирмы «Ariston»;
10 - клеммный зажим;
11 - термометры сопротивления ТСМ 5071;
12 – печь электрическая;
13 - мультиметр DT-830B DIGITAL MULTIMETER;
14 - пирометр радиационный Center 352;
15 - теплогигрометр Center 311.
2 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1 Ознакомится с методическими указаниями.
2 Включить в сеть печь (тумблером SB1) и трубчатый электронагреватель (тумблером SB2).
3 Запустить программное обеспечение на компьютере DTMT 200.exe.
4 В процессе постепенного повышения температуры внутри печи и емкости, производить съем показаний при помощи милливольтметра с термоэлектрических преобразователей ТХА 05-15 и термометров сопротивления ТСМ 5071. Результаты измерений записывать в таблицу 1. Показания милливольтметра сопоставлять с градусами температуры по градуировочной таблице, и также записывать в таблицу 1.
5 Одновременно с этим записывать значения температуры с многоточечного датчика температуры ДТМ-2 при помощи программного обеспечения DTMT 200.exe.
Для начала работы с ПО установить в меню программы «Связь» следующие параметры:
- порт СОМ1;
- скорость 9600 бит/с;
- контроль чётности – нечётный.
Запустить программу кнопкой «Пуск». Показания снимать с трех точек: Т1, Т2 и Т3.
6 При помощи радиационного пирометра Center 352 и термогигрометра Center 311 производить замер температуры в печи (во внутренней части).
Для измерения температуры при помощи радиационного пирометра Center 352 необходимо направить прибор на печь, убедиться в том, что объект находиться в поле зрения, нажать на курок. Навести лазерный указатель на середину измеряемой зоны. На время измерения на ЖКИ зажжется надпись «SCAN», после окончания измерения на индикаторе высветиться надпись «HOLD».
Для измерения температуры при помощи термогигрометра Center 311 необходимо нажать кнопку включения питания для включения термогигрометра. При включении питания термогигрометра, на индикаторе будет индицироваться свободный для использования объем памяти. Перед началом измерения необходимо также подсоединить в разъем Т2, находящийся в верхней части прибора, термопару ТРК-01(входит в комплект).
Для измерения температуры при помощи универсального датчика его необходимо поместить во внутреннюю часть печи, не касаясь нагретых элементов печи.
Для измерения температуры контактной термопарой ТРК-01, необходимо осуществлять непосредственный контакт термопары с измеряемым объектом, кратковременно касаясь нагреваемого элемента печи.
Съем показаний производить с интервалом в 5 минут.
Результаты всех измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1- Результаты измерений
Печь Емкость
Пирометр
Сenter 352, 0С Термометры сопротивления ТСМ 5071 Термогигрометр
Сеnter 311 Многоточ.датчик ДТМ 2 Термопара
ТХА 05-15
Ом 0С Универсал.
датчик, 0С Контакт.
термопара, 0С Т1, 0С Т2,
0С Т3,
0С Т1 Т2 Т3
мВ 0С мВ 0С мВ 0С
7 По результатам измерений построить кривые переходных процессов для печи и для емкости.
8 Заполнить таблицу 2, рассчитать погрешности измерений (температуру Т2 многоточечного датчика ДТМ 2 принимаем за эталонную).
9 Сделать выводы по результатам лабораторной работы.
Таблица 2 – Погрешность измерений
Многоточечный датчик ДТМ 2 Термопара
ТХА 05-15 Абсолютная погрешность
х, 0С Приведенная погрешность δ м,
δ м = х / Хn
Точка Т2, 0С Точка Т2, 0С
3 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
В процессе проведения экспериментов измерение параметров производится с помощью измерительных приборов, каждый из которых имеет определенный класс точности. Величина класса точности указана на шкале измерительного прибора или приведена в его паспортных данных. Класс точности представляет собой максимальную абсолютную погрешность, приведенную к пределу измерения прибора:
, (4)
где κх – класс точности измерительного прибора, %;
∆хmax – максимальная абсолютная погрешность измерения;
хm = хmax – xmin – пределы измерения прибора.
Из формулы (12) следует, что погрешность измерения электрических параметров будет равна:
. (5)
Фактические значения измеряемых величин будут находиться в пределах
, (6)
где хи – показание электроизмерительного прибора.
Для вычисления погрешности расчетных данных используется выражения для оценки погрешности функции приближенных аргументов [2]:
, (7)
где df(x)/dxi – частные производные от расчетной формулы u = f(x) по измеряемым параметрам xi;
n – количество измеряемых величин, входящих в расчетную формулу u = f(x).
Фактические значения расчетных величин будут находиться в пределах
. (8)
4 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
В лаборатории потребителей электрической энергии, электрооборудования промышленности и автоматизации технологических процессов и производств размещаются следующее оборудование и приборы:
а) физические модели тепловых объектов регулирования;
б) лабораторные стенды, на которых установлены электрические и вторичные измерительные приборы;
в) автоматические выключатели;
г) персональный компьютер.
Электропитание лабораторных установок осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 и 380 В.
4.1 Правила электробезопасности
1 К работе в лаборатории допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие вводный инструктаж по технике безопасности и электробезопасности на рабочем месте с оформлением в специальном журнале по технике безопасности.
2 С момента вступления в лабораторию каждый студент должен проявлять максимальную осторожность, постоянно следить за работой лабораторных установок, не оставлять их под напряжением без надзора.
3 Включать общее электропитание в лаборатории и электропитание лабораторных установок разрешается только руководителю лабораторных работ и его помощникам из числа лаборантов.
4 Разрешение на проведение экспериментов дает руководитель лабораторных работ после проверки знаний по технике безопасности, готовности группы к работе и проверки рабочей схемы.
5 В случае возникновения неисправностей выполнение лабораторной работы следует прекратить работу, сообщить руководителю и продолжить только после устранения неисправностей.
6 Не допускается разборка, сборка и монтаж электрооборудования и приборов, находящихся под напряжением.
7 Проверка наличия напряжения допускается только специальными электроизмерительными приборами.
8 Не разрешается работать неисправными электроприборами, применять соединительные провода с поврежденной изоляцией.
9 В лаборатории запрещается самостоятельно вскрывать приборы и другое оборудование, включать и выключать выключатели, рубильники и автоматические выключатели, пользоваться открытым огнем и курить.
10 По окончании лабораторной работы необходимо привести рабочее место в порядок, отключить электропитание и отсоединить проводники.
11 О возникновений всех непредвиденных ситуаций сообщать руководителю.
4.2 Действия сотрудников и студентов в случае пожара
1 Отключить электропитание лабораторных стендов.
2 Эвакуировать из помещения людей, незанятых ликвидацией пожара.
3 Немедленно приступить к тушению пожара согласно плана боевого расчета имеющимися средствами пожаротушения, одновременно вызвать по телефону пожарную команду и сообщить администрации.
4.3 Мероприятия по оказанию доврачебной помощи
1 Вызвать по телефону скорую помощь и сообщить администрации.
2 При поражении электрическим током необходимо отключить электроэнергию или перерубить провод изолированным инструментом. Если нет возможности это сделать, оказывающий помощь должен изолировать свои руки диэлектрическими перчатками, частью одежды, любой сухой тканью или сухими тряпками, сухой доской, либо просто за концы одежды отделить пострадавшего от токоведущих частей. Нельзя прикасаться к голому телу пострадавшего незащищенными руками, пока он находится под напряжением. После освобождения пострадавшего от токоведущих частей вызвать врача. До прибытия врача необходимо ровно и удобно уложить пострадавшего на мягкую поверхность и обеспечить приток свежего воздуха. Дать понюхать нашатырного спирта, обрызгать лицо холодной водой, растирать и согревать тело. При отсутствии дыхания делать искусственное дыхание до прибытия врача.
3 При механических травмах пострадавшего необходимо усадить (уложить), кожу вокруг раны смазать йодом, наложить стерильную повязку, вызвать врача.
4 При термических ожогах пораженное место следует смочить этиловым спиртом или раствором марганцево-кислого калия и наложить сухую повязку от ожогов, одновременно необходимо вызвать врача.
5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Что такое температура? Перечислите методы измерения температуры?
2 В чем заключается принцип действия термоэлектрических преобразователей?
3 Основное уравнение термоэлектрической цепи. Написать формулу.
4 Приведите температурные диапазоны измерения термоэлектрических преобразователей?
5 В чем заключается принцип действия термометров сопротивления?
6 Каковы требования, предъявляемые к материалам, используемых для изготовления терморезисторов?
7 Какие материалы, применяются для изготовления терморезисторов?
8 Расскажите о назначении, принципе действия многоточечного датчика температуры ДТМ2
9 Расскажите о принцип работы с термогигрометром Center 311
10 Расскажите о назначение, принципе работы пирометра Center 352
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы / В.П.
Преображенский. – М. : Энергия, 1978. 703 с.
2 Макаров И. М., Менский Б. М. Линейные автоматические системы: Элементы теории, методы расчета и справочный материал. – М.: Машиностроение, 1982. – 504 с.