РУБРИКИ

Цифровий термометр

   РЕКЛАМА

Главная

Бухгалтерский учет и аудит

Военное дело

География

Геология гидрология и геодезия

Государство и право

Ботаника и сельское хоз-во

Биржевое дело

Биология

Безопасность жизнедеятельности

Банковское дело

Журналистика издательское дело

Иностранные языки и языкознание

История и исторические личности

Связь, приборы, радиоэлектроника

Краеведение и этнография

Кулинария и продукты питания

Культура и искусство

ПОДПИСАТЬСЯ

Рассылка E-mail

ПОИСК

Цифровий термометр

Цифровий термометр

Міністерство освіти і науки України

Вінницький державний технічний університет

ЗАВДАННЯ НА КУРСОВУ РОБОТУ

Група Студент .

Дата видання Дата виконання ___

Затверджено на засідання кафедри МПА, протокол № від .

Назва курсової роботи - ЦИФРОВИЙ ТЕРМОМЕТР

Вихідні дані:

фізична величина - температура;

діапазон вимірювання - 0 ч200 оС ;

похибка - 0,5 %;

тип засобу вимірювання - цифровий термометр;

тип вимірювального перетворювача - термометр опору (мідний);

тип АЦП - вимірювач параметрів електричного кола..

Зміст графічної частини :

функціональна схема цифрового термометра

Зміст пояснювальної записки:

вступ, аналітичний огляд первинних перетворювачів температури, розробка структурної схеми, розробка функціональної схеми цифрового термометра, висновки, література, додаток.

Завдання видав ____________ ____________

підпис дата

Завдання отримав ____________ ____________

підпис дата

ЗМІСТ

ВСТУП

1 ОГЛЯД ТЕОРІЇ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТЕМПЕРАТУРИ

1.1 Термометри опору

1.2 Метали, які використовують для виготовлення термометрів опору

1.3 Мідні термометри опору

1.4 Кварцеві і термотранзисторні термометри

1.5 Термопари

2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АЦП

ВИСНОВКИ

3 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА7

Додаток А Цифровий термометр. Схема електрична функціональна

ВСТУП

Температура належить до найважливіших технологічних параметрів, від точності вимірювання яких залежить ефективність багатьох технологічних процесів. Температурні вимірювання проводяться в багатьох галузях промисловості, зокрема, в металургійній, приладобудівній, хімічній тощо. Інтенсивність перебігу хімічних реакцій, умови сушіння й формування виробів, розплавлення й зварювання матеріалів та інше визначає температура.

Слово „температура” походить від латинського temperatura - нормальний стан. Це фізична величина, яка характеризує стан термодинамічної рівноваги системи. Температура всіх частин ізольованої системи, яка знаходиться в рівновазі, однакова. Якщо система не знаходиться в рівновазі, то між її частинами, які мають різну температуру, проходить теплообмін. Більш високу температуру мають тіла, у яких середня кінетична енергія молекул, атомів вища. У молекулярно-кінетичній теорії температура - це величина, що визначається середньою кінетичною енергією частинок, з яких складається система.

Вимірюють температуру термометрами на основі залежності яких-небудь властивостей тіла (об'єму, електричного опору і т.п.) від температури.

Її вимірюють рідинними або газовими термометрами, які відповідно градуюють.

У міжнародній шкалі температур за нуль прийнята температура танення льоду при нормальному атмосферному тиску, за 100о - температура парів кипіння води при нормальному атмосферному тиску.

Позначається t oC (Цельсія).

Для реалізації даної температурної шкали використовують термометри, принцип дії яких оснований на властивостях розширення різних речовин під дією температури. Внаслідок того, що коефіцієнти розширення термометричних речовин дещо змінюються в залежності від температури, то показання таких термометрів співпадають лише в реперних точках.

Єдина температурна шкала, яка не залежить від виду і властивості термометричної речовини, була розроблена Кельвіним і основана на законах термодинаміки, в часності на властивостях ідеальної теплової машини, що працює по циклу Карно. Така шкала називається термодинамічною. У термодинамічній шкалі температур за нуль прийнята температура, при якій припиняється тепловий рух частинок, з яких складається тіло.

Така температура називається абсолютним нулем температур.

Позначається Т, 1К (Кельвін) = 1 оС.

Оскільки абсолютний нуль за міжнародною шкалою дорівнює -273,15 оС, то

t = Т - 273,15 К.

В рішенні Міжнародного комітету мір і ваги термодинамічна темпе-ратурна шкала признана основною. Температурні шкали розрізняють початковими точками відліку і розміром одиниці температури, яку використовують:

оС - шкала Цельсія;

оR - шкала Реомюра, 1 оR = 1,25 оС;

оF - шкала Фаренгейта, 1 оF = 5/9 оС.

1 ОГЛЯД ТЕОРІЇ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТЕМПЕРАТУРИ

1.1 Термометри опору

Термометри опору широко застосовуються для вимірювання температури в діапазоні від -260 0 до 750 0С. В деяких випадках вони можуть бути застосовані для вимірювання температури до 1000 оС.

Дія термометрів опору основана на властивості речовини змінювати свій електричний опір при зміні температури. При вимірюванні температури термометр опору занурюють в середовище, температуру якого потрібно визначити. Знаючи залежність опору термометра від температури можна за зміною опору термометра робити висновок про температуру середовища, в якому він знаходиться. При цьому необхідно мати на увазі, що довжина чутливого елемента (ЧЕ) у більшості термометрів складає декілька сантиметрів, і тому при наявності температурних градіентів в середовищі термометр опору вимірює деяку середню температуру тих шарів середовища, в яких знаходиться його ЧЕ.

Раніше рахували, що найбільш придатним матеріалом для виготовлення термометрів опору є тільки чисті метали, але останні дослідження показали, що деякі напівпровідники теж можуть бути застосовані в якості матеріала для виготовлення термометрів опору.

Відомо, що велика кількість металів має додатній температурний коефіцієнт електричного опору: 0,4 - 0,6% 0С-1 для чистих металів. Це пов`язано з тим, що число носіїв струму - електронів провідності в металах дуже велике і не залежить від температури. Електричний опір метала збільшується з підвищенням температури в зв`язку зі збільшенням теплових коливань іонів навколо своїх положень рівноваги. В напівпровідниках можна побачити іншу картину - кількість електронів провідності різко збільшується з підвищенням температури. Тому електричний опір типових напівпровідників також різко (по експоненціальному закону) зменшується при їх нагріванні. При цьому температурний коефіцієнт електричного опору напівпровідника на порядок вище, ніж в чистих металах.

Термометр опору з чистих металів, який одержав найбільше розповсюдження, виготовляють звичайно у вигляді обмотки з тонкої проволоки на спеціальному каркасі з ізоляційного матеріала. Цю обмотку прийнято називати чутливим елементом термометра опору. Для того, щоб запобігти від можливих механічних ушкоджень та дії середовища, температура якого вимірюється термометром, чутливий елемент його вміщують в спеціальну захисну гільзу.

До числа якостей металічного термометра опору слід віднести:

- високу степінь точності виміряної температури;

- можливість випуску вимірювальних приладів до них зі стандартною градуйованою шкалою практично на будь-який температурний інтервал в диапазоні допустимого температурного застосування термометрів опору;

- можливість централізованого контроля температури шляхом приєднання декількох взаємодіючих термометрів опору через перемикач до одного вимірювального приладу;

- можливість використовування їх з інформаційно-розрахунковими машинами.

Напівпровідникові термометри опору, як показує практика їх застосування, можуть бути використані для вимірювання температури від 1,3 до 400 К. В практиці технологічного контролю вони в порівнянні з металевими знаходять менше застосування, так як вимагають індивідуального градуювання.

При вимірюванні температури в промислових умовах термометри опору використовують в комплекті з логометрами, автоматичними зрівноважу-вальними мостами і автоматичними компенсуючими приладами. При цьому необхідно мати на увазі, що ці прилади забезпечують шкалою, яка відградуйована в градусах Цельсія, яка дійсна тільки для певного градуювання термометра опору і заданих значень опорів проводів, що з`єднують термометр з вимірювальним приладом.

1.2 Метали, які використовують для виготовлення термометрів опору

Метали, призначені для виготовлення чутливих елементів (ЧЕ) термометрів опору, повинні відповідати деяким вимогам. Вони неповинні окислюватися і неповинні мати високе відтворення значень електричного опору в діапазоні робочих температур. Зворотній метал в діапазоні використовуваних температур повинен мати монотонну залежність опору від температури R = f(t) і досить високе значення температурного коефіцієнта опору . Цей коефіцієнт в загальному вигляді може бути виражений рівнянням:

. (1)

Температурний коефіцієнт електричного опору заведено розраховувати від 00 до 100 0С. Для цього випадку вираз (1) приймає вигляд:

, (2)

де R0 i R100 - опори зразка даного металу, виміряні відповідно при 00 і 100 0С.

Відомо, що сплави мають менше значення температурного коефіцієнта опору. Крім цього, відтворення властивостей сплавів далеко недостатні в порівнянні з чистими металами. Досліди показують, що чим чистіший метал (при відсутності в ньому механічних напружень), тим краще у нього відтворення температурних властивостей і більше значення відношення R100/R0 також як і є загальноприйнятими показниками степені чистоти даного металу і присутності механічних напружень. Для зняття механічних напружень в даному металі використовують визначені режими віджигу. При цьому значення відношення R100/R0 , а також і зразка збільшується до їх граничного значення для даного металу.

Вказаним вище вимогам до металів для виготовлення ЧЕ термометрів опору для широкого діапазону температур дозволяє платина. Якщо верхня границя температури використання термометра невисока, то вказаним вище вимогам задовільняє також мідь і нікель. В деяких випадках використовують для виготовлення ЧЕ термометрів опору, але з обмеженою областю їх використання, й інщі метали, наприклад, залізо, вольфрам і молібден.

В даній курсовій роботі використовується мідний термометр опору (ТОМ-0979). Тому розглянемо мідні термометри опору в загальному вигляді.

1.3 Мідні термометри опору

До позитивних якостей міді, як матеріала, що використовується для виготовлення чутливих елементів технічних термометрів опору типу ТОМ, треба віднести низьку вартість, простоту одержання такого дроту в різній ізоляції, можливість отримання провідникової міді високої чистоти. Температурний коефіцієнт лежить в діапазоні від 4,210-3 до 4,2710-3 оС-1.

Залежність електричного опору міді від температури в широкому інтервалі температур підкоряється рівнянню:

, (3)

де Rt i R0 - опори даного зразка міді (ЧЕ мідного термометру) відповідно при температурі t і 0 0С;

- температурний коефіцієнт електричного опору, характерний для даного зразка мідного дроту, з якого виготовлений ЧЕ термометра.

Температурний коефіцієнт опору визначають із значень опору чутливого елементу мідного термометру, виміряних відповідно для точки танення льоду і температури кипіння води. Мідний дріт використаний для виготовлення чутливих елементів мідних термометрів ТОМ, має температурний коефіцієнт опору = 4,2610-3 0С-1 .

Лінійний характер залежності опору міді від температури є її перевагою. До числа недоліків слід віднести малий питомий опір ( = 1,710-8 Омм) та інтенсивну окисленість при невеликих температурах.

Стандартні градуйовані таблиці для мідних термометрів опору типу ТОМ наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 - Максимально допустимі відхилення від градуйованих таблиць термометрів опору ТОМ

Тип термометра

Клас точності

Інтервал температури 0С

Макс. допустиме

відхилення від t

ТОМ-50

2

-50 (+180)

(0,3+3,510-3 t)

ТОМ-0979

3

-50 (+200)

(0,3+610-3 t)

Чутливий елемент 1 мідного термометру опору типу ТОМ показаний на рисунку 1.

Рисунок 1 - Чутливий елемент мідного ТО

Чутливий елемент виконаний із ізольованого мідного дроту діаметром 0,1 мм багатошаровою безіндукційною намоткою 2 на циліндричному каркасі з пластмаси або металу, герметизованої шаром лаку 3. До кінців обмотки припаяні виводи з мідного дроту 4. Зібраний ЧЕ вставляють в металевий чехол 5. Довжина ЧЕ термометра дорівнює 400 мм, а діаметр 5 - 6 мм.

В якості вимірювальної схеми може бути використаний неврівноважений міст постійного струму (рисунок 2).

Рисунок 2 - Неврівноважений міст постійного струму при живленні від генератора напруги

В якості первинного перетворювача використовуємо мідний термометр опору ТОМ-0979.

Для даного ТОМ:

, (4)

де R0 = 50 Ом;

= 4,2610-3 0С-1 .

1.4 Кварцеві термометри

Кварцеві термометри складаються із кварцевого термочутливого перетворювача, включеного в коливальний контур генератора і частотоміра.

Характеристика перетворення кварцевого термоперетворювача має вигляд

ft = fp + S tx, (5)

де ft - частота генерованих коливань при вимірювальній температурі;

fp - частота генерованих коливань при температурі t = 0 oC ;

S - чутливість термоперетворювача, Гц/К;

tx - температура, що вимірюється.

Кварцеві термометри можуть працювати в діапазоні температур від мінус 260 до плюс 500 oC. В діапазоні від 0 до 100 oC вони мають найменшу похибку (0,05 - 0,005 oC ).

Кварцеві термоперетворювачі мають порівняно високу точність, що пояснюється високою стабільністю параметрів перетворювача і високими метрологічними характеристиками вимірювачів частоти.

В порівнянні з термометрами опору кварцеві термоперетворювачі мають високу швидкодію (до кількох вимірів за секунду). Тоді як інерційність термометрів опору складає десятки секунд.

Недоліком кварцевих перетворювачів є обмежена взаємозамінюваність, що пояснюється розкидом параметрів fр і S.

1.5 Термопари

Термопари використовуються в пристроях для вимірювання темпе-ратури, системах управління та контролю, Їх робота основана на термо-електричному ефекті, який виникає в колі термопари.

Термопара складається з двох послідовно з'єднаних (спаяних) між собою різнорідних провідників (електродів) або напівпровідників.

Для вимірювання термо-ЕРС, яку має термопара, в її коло вмикають вимірювальний прилад, наприклад, мілівольтметр, компенсатор тощо (рисунок 3).

Рисунок 3 - Термопара в колі мілівольтметра

Точку з'єднання електродів називають робочим кінцем термопари, а точки 1 і 1' - вільними кінцями.

При незмінній температурі вільних кінців 1 і 1'

ЕАВ = f(t1) - f(t2), (6)

де t1 - температура точки з'єднання.

Градуюють термоелектричні термометри при температурі вільних кінців 0 оС.

Для вимірювання високих температур використовують термопари типів ТПП (платинородій - платина), ТПР (платинородій - платинородій) і ТВР (вольфрамреній - вольфрамреній). Термопари із благородних металів (ТПП і ТПР) використовують при вимірюваннях де необхідна висока точність. В інших випадках використовують термопари із неблагородних металів, такі як ТХК (хромель - копель) і ТХА (хромель - алюмель).

2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АЦП

Цифровий вимірювальний прилад автоматично виробляє дискретні сигнали вимірювальної інформації, показання якого представлені в цифровій формі, тобто перетворює безперервну в часі і по розміру вимірювану величину в цифровий код. Цей процес, який включає в себе дискретизацію, квантування і кодування безперервної вхідної величини, називають аналого-цифровим перетворенням (АЦП).

В даній курсовій роботі для подальшого перетворення вимірювальної інформації (температури) використаємо схему цифрового вимірювача параметрів електричних кіл (рисунок 4), в яку в якості первинного вимірювального перетворювача включимо мідний термометр опору.

Основними елементами наведеної схеми є пристрій порівняння ПП, тригер Т для виділення періоду інформативного сигналу, генератор зразкової частоти G, схема збігу SW, двійковий лічильник СТ2, перетворювач коду DC, опорне джерело напруги ОДН і цифровий відліковий пристрій.

Принцип дії такого пристрою грунтується на визначенні постійної часу електричного кола, складеного з активного і реактивного елементів. У такому цифровому приладі на коло, складене із зразкового конденсатора С0 і з Rх , опір якого змінюється в залежності від температури навколишнього середовища, подається напруга Uo від опорного джерела напруги ОДН. При цьому тригер сигналом “Пуск” встановлюється в нульовий стан на прямому виході, а на інверсному виході при цьому встановиться “1”, яка відкриє схему збігу SW, і на лічильник СТ почнуть поступати імпульси опорної частоти fo від генератора G.

Потенціал конденсатора підвищується за залежністю

Uc = U0 (1 - e-t/), (7)

де U0 - напруга на виході ОДН;

= Rх C0 - постійна кола.

У момент часу t1 (t = )

Uc = U0 (1 - e-1) 0,632 Uo (8)

і на виході пристрою порівняння ПП формується сигнал “Стоп”, який вста-новлює тригер Т в одиничний стан на прямому виході та в нульовий стан на інверсному, що приводить до закриття схеми збігу SW (рисунок 5).

Частота імпульсів, що надійшли на лічильник за інтервал часу Тх,

N = f0 = f0 Rх C0 , (9)

пропорційна значенню Rх.

З даного рівняння випливає, що число імпульсів, які пройшли на лічильник, пропорційне зміні опору перетворювача і відповідно зміні температури.

Рисунок 4 - Структурна схема цифрового вимірювача

параметрів електричних кіл

t

t

t

t

Рисунок 5 - Часові діаграми роботи цифрового вимірювача параметрів електричних кіл

З рівняння (9) випливає, що статична характеристика цього АЦП є лінійною (рисунок 6).

Nx

Rx

Рисунок 6 - Статична характеристика АЦП

Рівняння похибки квантування матиме вигляд

, (10)

звідки випливає нелінійність характеристики (рисунок 7).

Rx

Рисунок 7 - Залежність похибки квантування від вхідної величини

3 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА

Даний цифровий термометр представляє собою схему цифрового вимірювача параметрів електричних кіл у вимірювальне коло якого включено мідний термометр опору.

Для отримання рівняння перетворення цифрового термометра в рівняння (9) замість Rx підставимо Rt з (4)

Nt = f0 Rt C0 = f0 C0 R0 (1 + б t), (11)

З урахуванням рівняння (10) похибка квантування термометра буде мати вигляд

д = 1/Nt = , (12)

Для дальніших розрахунків використаємо мідний термометр опору, який має R0 = 50 Ом, = 4,2610-3 0С-1 .

Зразковий конденсатор виберемо ємністю С0 = 1 мкФ.

З рівняння похибки квантування (12) визначимо частоту імпульсів опорної частоти генератора G.

f0 = , (13)

f0 =

Нижня межа вимірювання tx min.

Нижня межа вимірювання обмежена максимальною ємністю двійко-вого лічильника Nmax. Тоді рівняння (11) прийме вигляд

Nmax = f0 C0 R0 (1 + б tx min). (14)

З врахуванням того що Nmax = 2n , нижня межа вимірювання визначиться так

tx min = , (15)

де n - розрядність війкового лічильника.

З (14) знайдемо розрядність n необхідну для реалізації двійкового лічильника

n = log2(Nmax) = log2 (f0 C0 R0 (1 + б tx min)), (16)

n = log2(2·106·1·10-6·50(1+4,2610-3·0) ? 7.

Верхня межа вимірювання tx max.

Верхня межа вимірювання визначається значенням похибки кванту-вання, яка задана в завданні на курсову роботу. Це значення похибки вико-ристовується в якості нормованого дкн . Тому (12) прийме вигляд

дкн = , (17)

З (17) отримаємо залежність для визначення верхньої межі вимірювання

tmax = (18)

ВИСНОВКИ

В курсовій роботі розроблено цифровий термометр, який дозволяє вимірювати температуру в діапазоні від 0 до 200 оС.

В якості вимірювального перетворювача вибрано мідний термометр опору типу ТОМ-0979.

В якості АЦП використано схему цифрового вимірювача параметрів електричних кіл. Описано його роботу і виведено рівняння перетворення та похибки квантування.

Розроблено функціональну схему цифрового термометра.

Визначені залежності для нижньої та верхньої межі вимірювання.

Визначена опорна частота імпульсного генератора.

Розраховано розрядність двійкового лічильника.

ЛІТЕРАТУРА

1 Поджаренко В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка. Для самостійної роботи студентів та виконання курсових робіт. Вінниця: ВДТУ, 2000 - 65с.

2. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп'ютерно- вимірювальна техніка. -Київ : НМК ВО, 1991.

3. Основы метрологии и электричесике измерения: Учебник для вузов / Б.Я.Авдеев, Е.М.Антонюк, Е.М.Душин и др.; Под ред. Е.М.Душина.-Л.: Энерго-атомиздат, 1987. - 480 с.

4. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Е.С.Полищука.-К.:Вища шк. Головное изд-во, 1984.-359 с.

5. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П.П.Орнатский.- К.: Вища шк., 1986.


© 2007
Полное или частичном использовании материалов
запрещено.