Измерение и контроль температуры (стр. 1 из 3)
1. Наименование и область применения
Назначение ИС: контроль температуры, обеспечение возможности измерения температуры с помощью терморезистивного преобразователя в напряжение с последующим его усилением и преобразованием в цифровую форму.
2. Основание для разработки
Задание на курсовое проектирование по курсу "Теория измерений" специальности 200101 "Приборостроение".
3. Цель разработки
Целью данной работы является практическое приложение вопросов теории измерений к задачам системотехнического проектирования измерительных устройств, а также изучение принципа действия фотоэлектрических преобразователей и приобретение практических навыков работы с ними.
4. Источники разработки
Е.С. Левшина, П.В. Новицкий: "Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи" / ЭнергоАтомИздат.
П.П. Орнатский: "Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые)" / Издание пятое, 1986 г.
5. Технические требования
5.1 Состав изделия и требования к конструктивному устройству
Принцип действия фотоэлектрического пирометра ФЭП-4 (рис. 5.1) заключается в том, что излучение от объекта измерения 12, вместе с излучением от эталонной лампы 4 в противофазе попадает на фотоэлемент 7. Разность этих световых потоков усиливается усилителем 8 и подаётся на выходной каскад 9, нагрузкой которого является эталонная лампа накаливания 4, последовательно с которой установлено калибровочное сопротивление 10. Падение напряжения на калибровочном сопротивлении изменяется электронным потенциометром II, шкала которого проградуирована в единицах измерения температуры.
Пирометр предназначен для измерения температуры от 500°С до 4000°С. Основная погрешность не превышает ±1%, при измерении температуры не выше 2000°С и 1,5% - при температуре свыше 2000°С.
Рис. 5.1
5.2 Показатели назначения
Пирометр - измерительный прибор для бесконтактного измерения температуры. Представленные приборы основаны на использовании инфракрасного излучения.
Принцип действия инфракрасного пирометра основан на измерении абсолютного значения излучаемой энергии одной волны в инфракрасном спектре. На сегодня это относительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры. Данные устройства могут наводиться на объект с любой дистанции и ограничены лишь диаметром измеряемого пятна и прозрачностью окружающей среды. Они идеальны для переносных моделей, и поэтому могут работать по принципу "навел и выстрелил".
Инфракрасные термометры, часто называемые пирометрами, используют принцип детектора инфракрасного излучения. Интенсивность и спектр излучения зависит от температуры тела. Измеряя характеристики излучения тела, пирометр косвенно определяет температуру его поверхности.
5.2.1 Назначение пирометров
Измерение температуры удаленных и труднодоступных объектов; измерение температуры движущихся частей; обследование частей, находящихся под напряжением; контроль высокотемпературных процессов; регистрация быстро изменяющихся температур; измерение температуры тонкого поверхностного слоя; обследование частей, не допускающих прикосновения; обследование материалов с низкой теплопроводностью или теплоемкостью; экспресс - измерения.
5.2.2 Области применения пирометров
Теплоэнергетика: котлы, турбины, бойлеры, теплотрассы, паропроводы;
электроэнергетика: трансформаторы, кабели, контакты, шины под напряжением; металлургия и металлообработка: печи, станы, прессы; электроника: контроль температуры элементов и деталей; диагностика двигателей внутреннего сгорания; электродвигатели и подшипники; контроль температуры производственных процессов; контроль условий хранения и перевозки пищевых продуктов; обследование зданий и сооружений; системы отопления, вентиляции и кондиционирования; обследование холодильной техники; оснащение пожарных бригад. Основные характеристики пирометров
Диапазон температур и длина волны пирометра
Рабочий диапазон температур пирометра зависит от длины волны излучения, на которое реагирует детектор пирометра. Так как спектр излучения с ростом температуры смещается в сторону коротких волн, высокотемпературные пирометры имеют более короткую длину волны. Для пользователя рабочая длина волны пирометра не имеет значения, его интересует диапазон температур.
Быстродействие пирометра
Так как пирометры применяются в случаях быстрого изменения температуры, быстродействие для них является важной характеристикой. Оно обычно оценивается временем достижения 95% установившегося показания (время установления показания).
Установка излучательной способности
Для точного определения температуры тела по его излучению необходимо знать его излучательную способность (степень черноты). Большинство поверхностей по характеру излучения близки к черному телу, однако некоторые (например, полированные металлы) существенно отличаются. Простые пирометры настроены на фиксированную излучательную способность (чаще всего - 0,95), поэтому при измерении температуры хорошо отражающей поверхности они дают погрешность в несколько градусов. В более сложных пирометрах можно устанавливать излучательную способность, компенсируя эту погрешность. В наиболее совершенных пирометрах имеются встроенные таблицы излучательной способности многих известных материалов, что избавляет от необходимости их запоминания.
Оптическое разрешение пирометра
Пирометры измеряют среднюю температуру поверхности, находящейся в области чувствительности. Область чувствительности пирометра приближенно можно представить конусом, вершина которого упирается в объектив прибора, а основание располагается на поверхности объекта. Отношение высоты конуса к его диаметру L:D, называемое оптическим разрешением пирометра, является одной из основных характеристик прибора (иногда используют обратную величину - D:L). Чем больше L:D, тем более мелкие предметы пирометр может различить на расстоянии.
Фокусное расстояние пирометра
Область чувствительности пирометра можно считать конической только на достаточном расстоянии. Вблизи она имеет более сложную форму. Часто у пирометра зона чувствительности сначала сужается до минимума, а затем начинает расширяться в форме конуса. Расстояние F, на котором достигается минимальный диаметр зоны чувствительности d, называется фокусным расстоянием. Для таких пирометров параметры F и d указываются в документации. Существуют специальные короткофокусные пирометры, у которых d составляет 5...8 мм на расстоянии F 300...600 мм.
Способ нацеливания пирометра
Простейшие пирометры не имеют устройства нацеливания и могут применяться только на близких расстояниях. Для нацеливания пирометра на удаленные объекты чаще всего применяется луч лазера. С помощью одиночного лазерного луча можно определить только точку вблизи центра зоны чувствительности. У такого прицела луч лазера не совпадает с оптической осью объектива пирометра, поэтому центр зоны смещен относительно лазергого указателя на фиксированное расстояние 1-2 см (т.н. ошибка параллакса). В усовершенствованном коаксиальном прицеле луч лазера выходит из центра объектива пирометра и всегда попадает в центр зоны измерения. Двойной лазерный прицел показывает не только расположение, но и размер зоны измерения пирометра, однако на близком расстоянии он может быть сильно завышен. Разновидность двойного прицела с пересекающимися лучами называется кросс-лазером и обычно применяется в короткофокусных пирометрах, так как этот вид лазера удобен для определения местоположения фокуса объектива. Круговой лазерный прицел, образованный несколькими лучами, наглядно обозначает зону измерения пирометра. Простому круговому прицелу присущи уже упомянутые недостатки - параллакс и завышенный размер зоны измерения на близком расстоянии. Наиболее совершенный прицел, лишенный этих недостатков, создается несколькими лазерными лучами, расположенными вокруг объектива пирометра и образующими гиперболоид вращения. Такой прицел точно обозначает зону измерения на любом расстоянии от пирометра, поэтому он называется точным круговым лазером (TRUE SPOTTM).
Лазерный луч плохо виден на ярко освещенной или раскаленной поверхности, поэтому высокотемпературные пирометры для нацеливания иногда оснащаются оптическими визирами.
5.3 Метрологические характеристики
Цифровой интегрирующий вольтметр с преобразованием интеграла напряжения в интервал времени (цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием)
Основная схема цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием представлена на рис 8.19:
Цикл измерения состоит из двух тактов. В первом такте с момента t1 до t2 цифровой автомат ЦА замыкает ключ SW1 и на вход интегратора, состоящего из усилителя, резистора Rи конденсатора С, поступает напряжение Ux. Выходное напряжение интегратора.
(5.1)В момент t1 открывается также ключ SW5 и на СТ от генератора квантующих импульсов Gmпоступают импульсы частотой f0. При достижении в СТ числа No(обычно полного объема СТ) в момент t2 первый такт заканчивается. Время интегрирования Uxсоставит
(5.2)В момент t2 СТ сбрасывается в нулевое состояние, а ЦА замыкает SW2. На вход интегратора подается известное по значению постоянное напряжение (/0, полярность которого противоположна полярности Ux- Выходное напряжение интегратора линейно уменьшается и в момент t3становится равным нулю. Этот момент фиксируется устройством сравнения УС- В момент t3 заканчивается второй акт преобразования.