Дипломная работа: Интеллектуальные датчики

Акустические датчики

Акустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры и используются в основном диапазоне средних и высоких температур. Акустический термометр содержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры; обычно такой датчик использует и различного типа резонаторы.

Раздел 4. Расчет общих факторов температурных измерений и термопреобразователей сопротивления

Температурные шкалы

По современным представлениям температура – это условная статистическая величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии частиц вещества (молекул либо, при атомарной структуре, атомов).

Представление о порядке величин могут дать следующие данные. В 1 мл газа при атмосферном давлении содержится 2,7 х 1019 молекул, имеющих размеры порядка 10-8см. Они движутся при комнатной температуре со средней скоростью около 1 км/сек и пробегают между столкновениями примерно 10-6см.

Еще Кельвин показал, что если одному какому-либо значению средней кинетической энергии частиц присвоить определенное число градусов, то ее достаточно для построения линейной бесконечной температурной шкалы от абсолютного нуля. Тогда равным приращениям средней кинетической энергии частиц будет соответствовать одинаковое приращение числа градусов температуры. Прямая, изображающая такую шкалу в системе координат температура – энергия, проходит через начало координат, так как абсолютному нулю температур соответствует нулевая скорость частиц и нулевая средняя кинетическая энергия.

Количественная связь предложенной Кельвином шкалы температур с средней кинетической энергией частиц выражается уравнением

отсюда

,

где m, v – средние масса и скорость частиц;

Т – абсолютная температура;

к – постоянная Больцмана, равная 1,38-Ю-23 дж/град.

В качестве реперной точки шкалы Кельвина принята в настоящее время температура равновесия между твердой, жидкой и парообразной фазами чистой воды при нормальных условиях. Этой точке присвоено число градусов, равное 273,16°К.

Для практических целей употребляется Международная практическая температурная шкала 1948 г. Температуры по ней выражаются в градусах Цельсия, обозначаемых °С. За нуль принята точка таяния льда, лежащая ниже «тройной точки воды» всего на 0,01° С.

Для пересчета температуры, выраженной в градусах 100-градусной шкалы, на значения температуры по международной термодинамической шкале следует пользоваться равенством Т°К = t°C + 273,15,

где Т и t – условные обозначения температуры, измеренной в градусах Кельвина и градусах Цельсия.

В шкале Фаренгейта (обозначение °Р) точка таяния льда обозначена 32° F, точка кипения воды 212° F; расстояние между ними разбито на 180 равных частей. За нуль шкалы принята температура холодильной смеси определенного состава. Шкала применяется в США, Австралии и Канаде.

Теплообмен среды и термометра

Любой измеритель температуры независимо от его конструкции часто называют термометром. При измерении температуры среды путем

погружения в нее какого-либо термометра он всегда измеряет только свою собственную температуру. Будет ли температура термометра равна температуре среды, близка к ней или же разница температур будет значительной, зависит от многих условий. Поэтому при монтаже измерителя температуры необходимо убедиться в том, что условия измерения обеспечивают минимально возможную разность между температурой среды и термометра.

Основные факторы теплообмена между средой и погруженной в нее частью термометра при промышленных измерениях следующие:

а) влияние теплового потока по арматуре термометра (т. е. влияние теплопроводности);

б) влияние лучеиспускания;

в) влияние положения измерителя температуры относительно потока среды;

г) динамические погрешности из-за тепловой инерции.

Влияние теплопроводности

Если измеритель температуры погружен в среду целиком, то через него не подводится и не отводится тепло к месту измерения.

В большинстве случаев термопреобразователь сопротивления находится на границе двух сред с разными температурными полями. Поэтому сам термопреобразователь или соприкасающиеся с ним элементы являются каналом теплообмена.

Теплообмен термопреобразователя с измеряемой средой зависит также от условий обтекания, микрогеометрии и цвета поверхности, интенсивности лучистого теплообмена и других конкретных условий.

Существенное значение имеют также масса, поверхность и теплоемкость самого термопреобразователя, определяющие его тепловую инерцию.

Сложный динамический характер теплового взаимодействия термопреобразователя и среды определяет величину погрешности собственно датчика.

Значительные погрешности возникают в термопреобразователях, помещенных в металлический чехол или гильзу. На рис.4.1. показан случай измерения термометром, погруженным в гильзу.

Рассмотрим возникающую здесь погрешность. Обозначим: tн – истинная температура среды; t1 – температура в конце гильзы (показание термометра); t0 –температура гильзы у ее верха; 1 – длина гильзы, м; а – коэффициент теплоотдачи от среды к гильзе, ккал/м2 • ч • град; l – коэффициент теплопроводности материала гильзы, ккал/м * ч • град; f – площадь поперечного сечения гильзы, м2; U = pd, где d – наружный диаметр гильзы, м.

Обозначим  через m,

тогда

Влияние лучеиспускания

При измерениях в газовых средах часто вблизи термопреобразователя находятся поверхности, температура которых заметно отличается от температуры преобразователя. В этом случае между этими поверхностями и термометром происходит лучистый теплообмен, описываемый законом Стефана-Больцмана. Если температура окружающих поверхностей выше температуры термометра, то термометр получит путем лучеиспускания дополнительное количество тепла и тепловое равновесие будет поддерживаться на более высоком уровне.

Наличие лучеиспускания всегда вносит погрешность в измерения температур, но устранить его полностью зачастую оказывается сложно.

Рассмотрим влияние лучеиспускания на термометр, погруженный в трубопровод (рис.4.2.). Считая, что тепловое равновесие установилось, обозначим:

tср – температура среды в трубопроводе, °С;

tт – температура термометра, °С;

tст – температура стенки трубы, °С;

Соответствующие абсолютные температуры (t+273,15) обозначим через Тср; Тт; Тст (0К).

,

где a1, – коэффициент теплоотдачи от среды к термометру, ккал/м2*час*град;

С1 – константа лучеиспускания для материала чехла термометра, ккал/м2*ч*град4.

Влияние скорости потока

В неподвижной среде недостаточный теплообмен среды с термометром может быть источником погрешностей измерения. Наличие интенсивного омывания чувствительной части термометра потоком способствует правильному измерению. Можно в среднем считать, что для умеренных скоростей (примерно до 70 м/сек)

где а – коэффициент теплоотдачи от среды к чехлу термометра ккал/м2*ч*град;

к – коэффициент пропорциональности;

V – скорость среды, м/сек.

Следовательно, увеличение скорости среды, например, вдвое повысит коэффициент теплоотдачи а на , т.е. на 41 %

Обозначим дополнительно: Q – отвод тепла от термометра во внешнюю среду, ккал/сек;

k1 – коэффициент пропорциональности; F – поверхность термометра, погруженная в среду, м2;

tc – температура среды, °С;

t – температура термометра, °С.

В установившемся состоянии .

В настоящее время в технике все чаще применяются очень большие скорости потоков, приближающиеся к скорости звука в среде и превосходящие ее. В этих случаях начинает появляться нежелательное влияний скорости потока. Ударяясь о поверхность термоприемника, часть потока тормозится, и ее кинетическая энергия переходит в тепло, увеличивающее температуру теплоприемника т.е. создается состояние, когда t>t|c.

Эта разность температур выражается:

,

где g – ускорение земного тяготения, м/сек2; I – механический эквивалент тепла (426,4 кг/*м/ккал); ср – теплоемкость среды; r – коэффициент пропорциональности.

Влияние инерции

Погрешности в показаниях термометров от тепловой инерции могут быть сведены к трем случаям.

Первый случай – погружение термометра в более холодную или горячую среду постоянной температуры (рис.4.4, а). Погрешность вначале очень велика, но через некоторое время уменьшается до малой величины. Время, которое следует выждать до отсчета, может быть определено аналитически.

Второй случай (рис.4.4,б) – когда среда изменяет свою температуру на определенную величину с большей скоростью, чем термоприемник. Во время переходного процесса возникает временная погрешность в показаниях, которая затем исчезает. Величина этой погрешности зависит от инерционных свойств термоприемника.

Третий случай – когда температура среды изменяется по периодическому закону либо колеблется непрерывно по произвольному закону (рис. 4.4,в).

Г.М. Кондратьев создал теорию, позволяющую вычислить запаздывание в показаниях любого термометра.

Пусть Ф – отношение тепла, аккумулированного чувствительной частью термометра на 1°С к ее поверхности, т.е.

,

где V – объем чувствительной части термометра, см3;

y – плотность материала, г/см3;

с – теплоемкость, кал/г;

S – поверхность, см2.

Тогда

,

где а – коэффициент теплоотдачи от среды, ккал/м2*ч*град;

 – показатель тепловой инерции термометра, мин;

 – переводной коэффициент для размерностей.

4.2 Расчет термопреобразователей сопротивления

 

Отклонение характеристики термопреобразователя  сопротивления от стандартной

Температурная характеристика термометра сопротивления может отличаться от градуировочной таблицы в зависимости от точности подгонки сопротивления термометра при нулевой температуре и от чистоты металла термосопротивления. Чистоту металла принято определять отношением , где R100 и R0 сопротивления термометра соответственно при 100 и 0°С.

Допустимые отклонения R0 и , от номинального значения, установленные для технических термометров, приведены в табл. 4.1. Влияние этих допустимых отклонений на результат измерения сказывается тем больше, чем выше измеряемая температура (табл. 4.2).

Для платиновых термометров сопротивления II класса ошибка при температуре 500°С может быть до 2,5°С.

Подбор терморезисторов

Терморезисторы обычно подбирают по номинальному значению сопротивления при температуре 20°С (R20) – Температурная характеристика терморезистора описывается выражением ,

где R20 – начальное сопротивление терморезистора при температуре 20°С

e – основание натуральных логарифмов;

В – постоянный коэффициент, °К;

Т – температура, °К. Промышленность выпускает терморезисторы с допуском на начальное сопротивление R20 ±20 %, на температурный коэффициент ±8 % и на коэффициент температурной характеристики В ±17 %.

Для подбора полупроводниковых терморезисторов с одинаковыми характеристиками необходимо измерить, их сопротивление при 20° С – R20 и при 100°C (R100).

По значениям R20 и R100 можно также рассчитывать и строить температурные характеристики , Коэффициент В определяется по формуле

Влияние температуры окружающей среды

Провода, соединяющие термометр сопротивления с измерительным прибором, изготовляются обычно из меди. При изменении температуры окружающей среды их сопротивление меняется. Это вносит дополнительную погрешность в результаты измерения. Чтобы избежать появления этой погрешности часто применяют трехпроводную схему включения термометра сопротивления.

Каждый из соединительных проводов в этом случае оказывается включенным в противоположное плечо моста. Изменение сопротивления проводов приводит к изменению сопротивления обоих противоположных плеч. Полностью влияние соединительных проводов при трехпроводной схеме устраняется только в случае, если сопротивления обеих соединительных линий одинаковы и мост симметричный, т. е. R1=R2. Также применяется четырехпроводная схема включения термопреобразователя, которая в симметричном мосте исключает влияние сопротивления соединительных проводов независимо от равенства их сопротивлений.

При двухпроводной схеме включения термопреобразователя погрешность может быть подсчитана, если известны градуировка термометра, температура окружающей среды и сопротивление соединительных проводов при нормальной температуре (20°С).

Пересчет величины сопротивления проводов при нормальной температуре R20 на сопротивление при данной температуре производится по формуле .

Если соединительные провода медные (температурный коэффициент а=0,004), подсчет может производиться по формуле .

Проверка основной погрешности термопреобразователя сопротивления

Количество отсчетов при каждом значении температуры – не менее 4.

Значение температуры рассчитывается по формуле

,

где n – число измерений;

ti – значение температуры, измеряемой термопреобразователем, °С. Основную погрешность вычисляют по формуле ,

где td – действительное значение температуры, измеряемое эталонным средством.

Раздел 5.  Опытное применение интеллектуальных  датчиков ПГ «Метран»

5.1 Разработка интеллектуальных датчиков ПГ «Метран»

Температура – важнейший параметр технологических процессов многих отраслей промышленности. Внедрение прогрессивных технологий повышает требования к точности измерений температуры. Одновременно с этим усложнение процессов производства заставляет расширять диапазоны измерений температуры и изыскивать новые методы ее измерений в более сложных производственных условиях.

Понятие «новизны в термометрии ПГ «Метран»» связала с разработкой новых конструкций и применением новых материалов и технологий.

Технология изготовления термоэлектрических преобразователей из термопарного кабеля КТМС с применением импульсной лазерной сварки рабочего спая ранее использовалась только на предприятиях атомной энергетики и военной промышленности и была закрыта для широкого использования. В настоящее время кабельные термопреобразователи стали доступны для применения в различных отраслях промышленности и научных исследованиях.

Именно на базе термопарного кабеля и лазерной сварки ПГ «Метран» была разработана серия термопреобразователей ТХА/ТХК Метран-200.

В номенклатуру продукции вошли также термопреобразователи сопротивления медные (50М, 100М) и платиновые (50П, 100П, РПОО, Р1500, Р11000) разных конструкций, с одним и двумя чувствительными элементами.

За эти годы освоено производство как самых простых термопар и термометров сопротивления, так и современных микропроцессорных датчиков температуры.

Например, ПГ «Метран» предлагает датчики температуры с унифицированными выходными сигналами серии Метран-270, Метран-270МП имеющими широкий модельный ряд, включающий общепромьштенное, взрывозащищенное(Ех1а,Ехф исполнения и 15 вариантов защитной арматуры.

Применение этой серии датчиков дает возможность построения АСУ ТП без дополнительных нормирующих преобразователей.

Микропроцессорный преобразователь датчиков Метран-270МП позволяет перенастраивать диапазон измерений и перепрограммировать номинальную статическую характеристику в случае замены чувствительного элемента на другой тип.

Российские интеллектуальные датчики температуры Метран-280 с поддержкой коммуникационного протокола НАРТ, позволяют создавать глобальные АСУ ТП с минимальными затратами.

Микропроцессорная электроника Метран-280 позволяет повысить точность измерений. Одновременно технология НАРТ-протокола позволяет по одной паре проводов передавать и аналоговый 4-20 мА, и цифровой сигналы, что дает возможность использовать уже имеющиеся коммуникации для аналоговых сигналов.

Мы можем дистанционно принимать необходимую информацию от полевых датчиков Метран-280 и осуществлять диагностику и настройку, используя для этого коммуникатор Метран-650 или компьютер с программным обеспечением H-Master. Приведенные функции особенно высоко оцениваются, когда датчики расположены в труднодоступных местах и на больших расстояниях друг от друга.

Непрерывная самодиагностика Метран-280 обеспечивает оперативность проведения ремонтных и профилактических работ, т.к. в случае неисправности датчик немедленно выдает сигнал о возникновении нештатной ситуации (сбоя) в конкретном блоке. Также немаловажен экономический эффект от эксплуатации датчиков с микропроцессорами из-за быстрой окупаемости первоначальных вложений и минимальной стоимости владения.

5.2 Преобразователи температуры «Метран-280»

ИНГ состоит из первичного преобразователя температуры и электронного модуля (ЭМ) с выходными сигналами:

– аналоговым 4-20 мА:

– цифровым HART версии 5 с физическим интерфейсом Bell-202.

ИНГ имеют термоэлектрический хромель-алюмелевый (ТХА) чувствительный элемент (ЧЭ) или резистивный платиновый ЧЭ (ТСП).

Измеряемый параметр – температура в ИНГ Метран-286 с помощью ГОТГ преобразуется в изменение омического сопротивления платинового ЧЭ. Аналоговый сигнал поступает на вход ЭМ, преобразуется с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в дискретный сигнал. Дискретный сигнал с помощью микропроцессорного преобразователя (МП) обрабатывается с целью:

–  линеаризации НСХ ЧЭ 11111;

–  перестройки диапазонов измерения в пределах рабочего диапазона температур;

–  самодиагностики составляющих узлов ЭМ;

–  детектирования обрыва или короткого замыкания ППТ.

С выхода МП дискретный сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), осуществляющий преобразование дискретного сигнала в унифицированный токовый аналоговый сигнал 4-20 мА, а также на блок частотного модулятора, преобразующий дискретный сигнал в частотно модулированный и наложенный на аналоговый сигнал.

В ИНГ Метран-281 измерение температуры основано на явлении возникновения в цепи термопреобразователя термоэлектродвижущей силы при разности температур между его рабочим и свободными спаями. В ЭМ дополнительно к описанным выше функциям происходит компенсация изменения температуры холодных спаев.

5.3 Hart modem «Метран-681»

HART модем Метран-681 (далее модем) предназначен для согласования (связи) персонального компьютера или средств автоматизированных систем управления технологическими процессами с интеллектуальными датчиками давления Метран-100, интеллектуальными преобразователями температуры Метран-280 и другими устройствами, поддерживающими HART протокол.

Конструктивно HART модем Метран-681 выполняется для монтажа на DIN-рейку.

Модем взрывозащищенного исполнения может применяться с датчиками, установленными во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных, смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом. При этом модем устанавливается во взрывобезопасных помещениях. Модем имеет особовзрывобезопасный уровень, обеспечиваемый видом взрывозащиты по ГОСТ Р 51330.10 «искробезопасная электрическая цепь» (ia) с маркировкой по ГОСТ Р 51330.0 ExialICT5 X.

Вид климатического исполнения модема – УХЛ3.1 по ГОСТ 15150, но для работы при температуре от 0 до 50 °С.

5.4 Конфигуратор «Метран-671»

Конфигуратор Метран-671 предназначен для обеспечения связи нормирующих микропроцессорных преобразователей Метран 642, Метран 643 с персональным компьютером при проведении их настройки и калибровки. Конфигуратор обеспечивает связь микропроцессорного нормирующего термопреобразователя с персональным компьютером типа IBM PC по последовательному интерфейсу RS-232.

5.5 Обработка результатов измерений

На рис. 5.2. приведена схема внешних электрических соединений ИНТ «Метран-286», HART-модема и ПК.

Для работы с получаемыми данными применяется конфигурационная программа Н – Master,имеющая удобный пользовательский интерфейс на русском языке (рис.5.3) и позволяющая выполнять:

– считывание переменных процесса;

– считывание информации о HART-устройстве и сенсоре;

– тест устройства;

– настройку HART-устройства и сенсора;

– настройку ЦАП;

– архивирование параметров.