1. Наименование и область применения
Назначение ИС: контроль температуры, обеспечение возможности измерениятемпературы с помощью терморезистивного преобразователя в напряжение споследующим 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 теорииизмерений к задачам системотехнического проектирования измерительных устройств,а также изучение принципа действия фотоэлектрических преобразователей иприобретение 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 ицифровые)» / 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) заключаетсяв том, что излучение от объекта измерения 12, вместе с излучением от эталоннойлампы 4 в противофазе попадает на фотоэлемент 7. Разность этих световых потоковусиливается усилителем 8 и подаётся на выходной каскад 9, нагрузкой которогоявляется эталонная лампа накаливания 4, последовательно с которой установленокалибровочное сопротивление 10. Падение напряжения на калибровочномсопротивлении изменяется электронным потенциометром II, шкала которого проградуирована в единицах измерениятемпературы.
Пирометр предназначен для измерения температуры от 500°С до 4000°С.Основная погрешность не превышает ±1%, при измерении температуры не выше 2000°Си 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 абсолютногозначения излучаемой энергии одной волны в инфракрасном спектре. На сегодня этоотносительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры. Данныеустройства могут наводиться на объект с любой дистанции и ограничены лишьдиаметром измеряемого пятна и прозрачностью окружающей среды. Они идеальны дляпереносных моделей, и поэтому могут работать по принципу «навел ивыстрелил».
Инфракрасные термометры, часто называемые пирометрами, используют принципдетектора инфракрасного излучения. Интенсивность и спектр излучения зависит оттемпературы тела. Измеряя характеристики излучения тела, пирометр косвенноопределяет температуру его поверхности.
5.2.1 Назначение пирометров
Измерение температуры удаленных и труднодоступных объектов; измерениетемпературы движущихся частей; обследование частей, находящихся под напряжением;контроль высокотемпературных процессов; регистрация быстро изменяющихсятемператур; измерение температуры тонкого поверхностного слоя; обследованиечастей, не допускающих прикосновения; обследование материалов с низкойтеплопроводностью 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: контрольтемпературы элементов и деталей; диагностика двигателей внутреннего сгорания;электродвигатели и подшипники; контроль температуры производственных процессов;контроль условий хранения и перевозки пищевых продуктов; обследование зданий исооружений; системы отопления, вентиляции и кондиционирования; обследованиехолодильной техники; оснащение пожарных бригад. Основные характеристикипирометров
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 ростомтемпературы смещается в сторону коротких волн, высокотемпературные пирометрыимеют более короткую длину волны. Для пользователя рабочая длина волныпирометра 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 оцениваетсявременем достижения 95% установившегося показания (время установленияпоказания).
Установка излучательной способности
Для точного определения температуры тела по его излучению необходимознать его излучательную способность (степень черноты). Большинство поверхностейпо характеру излучения близки к черному телу, однако некоторые (например,полированные металлы) существенно отличаются. Простые пирометры настроены нафиксированную излучательную способность (чаще всего — 0,95), поэтому приизмерении температуры хорошо отражающей поверхности они дают погрешность внесколько градусов. В более сложных пирометрах можно устанавливатьизлучательную способность, компенсируя эту погрешность. В наиболее совершенныхпирометрах имеются встроенные таблицы излучательной способности многихизвестных материалов, что избавляет от необходимости их запоминания.
Оптическое разрешение пирометра
Пирометры измеряют среднюю температуру поверхности, находящейся в областичувствительности. Область чувствительности пирометра приближенно можнопредставить конусом, вершина которого упирается в объектив прибора, а основаниерасполагается на поверхности объекта. Отношение высоты конуса к его диаметруL:D, называемое оптическим разрешением пирометра, является одной из основныххарактеристик прибора (иногда используют обратную величину — D:L). Чем большеL:D, тем более мелкие предметы пирометр может различить на расстоянии.
Фокусное расстояние пирометра
Область чувствительности пирометра можно считать конической только надостаточном расстоянии. Вблизи она имеет более сложную форму. Часто у пирометразона чувствительности сначала сужается до минимума, а затем начинаетрасширяться в форме конуса. Расстояние F, на котором достигается минимальныйдиаметр зоны чувствительности d, называется фокусным расстоянием. Для такихпирометров параметры F и d указываются в документации. Существуют специальныекороткофокусные пирометры, у которых d составляет 5...8 мм на расстоянии F300...600 мм.
Способ нацеливания пирометра
Простейшие пирометры не имеют устройства нацеливания и могут применятьсятолько на близких расстояниях. Для нацеливания пирометра на удаленные объектычаще всего применяется луч лазера. С помощью одиночного лазерного луча можноопределить только точку вблизи центра зоны чувствительности. У такого прицелалуч лазера не совпадает с оптической осью объектива пирометра, поэтому центрзоны смещен относительно лазергого указателя на фиксированное расстояние 1-2 см (т.н. ошибка параллакса). В усовершенствованном коаксиальном прицеле луч лазера выходит изцентра объектива пирометра и всегда попадает в центр зоны измерения. Двойнойлазерный прицел показывает не только расположение, но и размер зоны измеренияпирометра, однако на близком расстоянии он может быть сильно завышен.Разновидность двойного прицела с пересекающимися лучами называетсякросс-лазером и обычно применяется в короткофокусных пирометрах, так как этотвид лазера удобен для определения местоположения фокуса объектива. Круговойлазерный прицел, образованный несколькими лучами, наглядно обозначает зонуизмерения пирометра. Простому круговому прицелу присущи уже упомянутыенедостатки — параллакс и завышенный размер зоны измерения на близкомрасстоянии. Наиболее совершенный прицел, лишенный этих недостатков, создаетсянесколькими лазерными лучами, расположенными вокруг объектива пирометра иобразующими гиперболоид вращения. Такой прицел точно обозначает зону измеренияна 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 оснащаютсяоптическими визирами.
5.3 Метрологические характеристики
/>
Цифровой интегрирующий вольтметр с преобразованием интеграла напряжения винтервал времени (цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием)
Основная схема цифрового вольтметра с двухтактным интегрированиемпредставлена на рис 8.19:
/>
Цикл измерения состоит из двух тактов. В первом такте с момента t1 до t2цифровой автомат ЦА замыкает ключ SW1 ина вход интегратора, состоящего из усилителя, резистора Rи конденсатора С, поступаетнапряжение Ux. Выходное напряжение интегратора.
/>(5.1)
В момент t1 открывается также ключ SW5 и на СТ от генератора квантующих импульсов Gmпоступают импульсы частотой f. При достижении в СТ числа No(обычно полного объема СТ) в момент t2 первый такт заканчивается. Времяинтегрирования Uxсоставит
/> (5.2)
В момент t2 СТ сбрасываетсяв нулевое состояние, а ЦА замыкает SW2. Навход интегратора подается известное по значению постоянное напряжение (/0,полярность которого противоположна полярности Ux— Выходное напряжение интегратора линейно уменьшается ив момент t3становится равным нулю. Этот момент фиксируетсяустройством сравнения УС- В момент t3заканчивается второй акт преобразования.
Баланс зарядов на конденсаторе С соответствует условию:
/> (5.3)
/> (5.4)
/> (5.5)
/> (5.6)
Это число, представляющее результат измерения, в момент t9 по команде ЦА переписывается врегистр памяти. В момент tBCT сбрасывается внуль, ЦА возвращается в исходное положение, в котором разомкнуты SW1, SW29SW5, aSW3 и SW4 замкнуты. Начиная с момента t3аналоговая часть прибора и УС автоматическикорректируются.
При Ux= const
/>
Следовательно, отсчет счетчика прямо пропорционален измеряемому напряжениюи зависит только от напряжения источника образцовое напряжения U0. Цифровой отсчет прибора не зависит от сопротивления R, емкости С, периода Т0, а также от напряжения U*. Необходимо, чтобы их значения были постоянны лишь втечение каждого кратковременного цикла измерения. Важными преимуществами такихприборов являются: использование одного счетчика импульсов в обоих циклах(благодаря чему снижается сложность), высокая помехоустойчивость, удобствоизмерения отношения двух напряжений, повышенная чувствительность.
Эта схема является одной из наиболее перспективных для создания цифровыхинтегрирующих вольтметров высокой точности, так как изменения параметров иэлементов практически не влияют на информативный параметр выходного сигнала, Кчислу основных погрешностей вольтметра двухтактного интегрирования относятся:погрешности от идентичности ключей SW1 иSU72 —бвл, погрешность от нелинейностиинтегрирования- -б,,; погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителя УС,погрешность из-за конечной полосы пропускания усилителя—6^; погрешность отабсорбции конденсатора и погрешность от квантования.
Погрешность от переходных сопротивлений ключей возникает из-за того, чтонапряжения I)\ и (Jподаютсяна интегратор через ключи SWIиSW2, сопротивления которых в замкнутом состоянии конечны(не равны нулю). С учетом этого уравнение преобразования во временной интервалбудет иметь вид:
/>
где гк\ и г*?.— сопротивления первого и второгоключей в замкнутом состоянии.
После преобразований получим:
/>
/>
Погрешность от нелинейности интегрирования 6Н зависит отвремени интегрирования в эквивалентной постоянной времени интегратора Тит,равной
/>
где /(у — коэффициент усиления усилителя на постоянном токе.
Относительную погрешность от нелинейности интегрирования 6„ определяют извыражения
/>
где Гкит — время интегрирования в первом такте.
Поскольку прибор работает в два такта с противоположными направлениямиинтегрирования, суммарная погрешность от нелинейности интегрирования будегменьше и будет равна разности 6Ы в первом и втором тактах
/>
Появление этой погрешности показано на рис. 8.20, а, где сплошной линией ипунктиром показано изменение напряжения на интеграторе в идеальном и реальномслучаях.
Если Tm~Qtlс, RC= 0,iс, Кд=Ю5, а Г«-0, то 6а = = 0,0005%.
Приведенная погрешность 6д„ (для случая Xtl^U^
/>
где Uар— приведенное ко входу напряжение дрейфа усилителя.
Формула для вычисления бдр получена из анализа с учетом того, что интегрируетсяреально Ux+ U№и — Vf U^. Погрешность может быть большой, и обычно между цикламипреобразования вводится такт коррекции дрейфа, в течение которого SW1 и SW2 разомкнуты.Напряжение дрейфа запоминается на конденсаторе С„. Поэтому в тактепреобразования 6ДР снижается более чем па порядок.
Конечная полоса пропускания У приводит к погрешности из-за задержкиначала изменения выходного напряжения интегратора относительно моментакоммутации (момента появления на входе интегра/>тора напряжения Uxили U), рис. 8.20, б, где 1/т =/гр —границаравномерной полосы пропускания усилителя.
Данную погрешность можно скомпенсировать, если включить последовательно семкостью С интегратора небольшое сопротивление RKtкоторое рассчитывается из условия:
/>
где /,— ток в цепи конденсатора в момент /,; Д £/ — напряжение навыходе интегратора, определяемое задержкой начала интегрирования. Откуда
/>
/>
В цифровых вольтметрах двухтактного интегрирования необходимо устройстводля определения полярности входного сигнала, обычно оно выполняется на основекомпаратора, включенного на выходе интегратора. Выходной сиг нал этогокомпаратора используется для выбора источника образцового напряжения сполярностью, противоположной полярности Ux-
В настоящее время примерно 25 % выпускаемых цифровых вольтметров являютсявольтметрами с двухтактным интегрированием. Отечественной промышленностьювыпускаются несколько цифровых вольтметров двухтактного интегрирования класса0,01...0,00! следующих типов: В2-38, ВЗ-59; Щ1612, Щ301, Щ68014, Щ4800 и др.Основные технические данные их приведены в табл. 36 (рис. 8.21,0, 6, в).
5.3.1 Расчёт класса точности
Класс точности является обобщённой метрологической характеристикойсредств измерений (СИ) и определяется пределами допускаемых погрешностей, атакже другими свойствами СИ, влияющими на точность измерений. Класс точностиуказывается в сопроводительной документации на СИ или на шкале отсчётногоустройства в виде обозначения, соответствующего форме выражения пределовдопускаемой основной погрешности по ГОСТ 8.401-80.
Исходные данные: — верхний предел измерений.
/>
Предпочтительное значение измеряемой величины x должно соответствовать примерно 0.75 от верхнего пределаизмерений:
/> (1.1)
/>
Предел допустимых основных погрешностей термоэлектрических термометровТХА возмем из таблицы (ГОСТ 3044-74)
/>
Где слагаемое 0,16 является аддитивной составляющей, а слагаемое/>-мультипликативной.
a=0,16
b=/>
Расчёт численного значения класса точности сводится к определению постоянныхc и d с учётом, что 2
/>;(1.2)
/>
/>; (1.3)
/>
где c и d – положительные числа.
Значение с для приборов переменного тока должно находиться в пределах0.01
Полученное значение с=0.04 входит в заданные пределы.
Класс точности:
/>
Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают поформуле:
/>; (1.4)
/>
Абсолютная погрешность
/>(1.5)
/>
Предел допускаемой дополнительной погрешности
Пределы допускаемой дополнительной погрешности устанавливаем по отношениюк температуре окружающей среды и к внешнему магнитному полю.
Для данного прибора переменного тока с постоянной с
Определение выходного кода и его параметров
Выходной код и его параметры выбираются по ГОСТ 26.014-81 «ЕССП. Средстваизмерений и автоматизации. Сигналы электрические кодированные входные ивыходные».
На вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выхода аналоговогоканала поступает сигнал S с некоторой погрешностью /> ; АЦП за счёт квантования аналогового сигнала вноситдополнительную погрешность /> . В результате величина Z на выходеАЦП будет иметь некоторую погрешность /> .При аддитивном характере составляющих погрешности /> и /> результирующая погрешность будетопределяться как:
/> (1.6)
Суммарное среднее квадратическое отклонение (с.к.о.) погрешности преобразования:
/>; (1.7)
где: /> - с.к.о. погрешности аналоговогосигнала;
/> - с.к.о. погрешности АЦП за счётквантования;
∆S — шаг квантования, которомусоответствует погрешность /> .
Здесь /> , т.к.для входного сигнала принятзакон равномерного распределения.
Влияние составляющей, распределённой равномерно, приводит в их композициик уменьшению доверительных интервалов при заданной доверительной вероятности посравнению с нормальным законом. Если отношение 0.5∆S/δs=0.1…1.0, то доверительный интервал ±1.7δz имеет доверительную вероятность P=0.98. При отношении 0.5∆S/δs
При отсутствии систематических погрешностей и принятии допущения о том,что случайная погрешность распределена нормально, можно установить зависимостьмежду приведённой допускаемой погрешностью γ и с.к.о. этой погрешности.
При этих условиях 95% значений случайной погрешности находится в пределахот -2δs до +2δs.
Примем
/>; (1.8)
Откуда
/>; (1.9)
Если с.к.о. погрешности от квантования /> принять равным δs, то суммарное с.к.о. в результате квантования согласно (1)увеличивается на 41% по сравнению c δs.
Если принять ∆S=δs, суммарное с.к.о. увеличиваетсятолько на 4%, т.е. в этом случае квантование почти не изменит с.к.о. суммарнойпогрешности. Этому соотношению примерно соответствует минимально допустимоеотношение с/d=2, установленное ГОСТ 14014-82 исоответствующее равенству аддитивной и мультипликативной составляющихпогрешностей.
Шаг квантования (цена единицы младшего разряда кода)
/>; (1.10)
/> (1.11)
/>; (1.12)
/>
/>
Номинальное число ступеней квантования (разрешающая способность)
/>(1.13)
/>
Число разрядов кода
/> (1.14)
/>
Вид кода: двоичный нормальный
Функция преобразования (статическая функция преобразования) — функциональнаязависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов.
При определении функции преобразования учитываем, что аналоговый каналпредставляет собой линейную цепь прямого преобразования последовательного типа.
Номинальная функция преобразования:
/>(1.15)
где, К1, К2, КЗ, К4 — коэффициенты преобразования отдельных звеньев цепи
/>Таким образом, номинальная функцияпреобразования имеет вид:
U=k/>*k/>*k/>(T),
где U- напряжение;
k1 –коэффициент преобразования термопары;
k2 –коэффициент преобразования усилителя;
k3 –коэффициент преобразования фильтра;
Т – температура.
Чувствительность СИ – приращение информативного параметра выходногосигнала ∆y СИ к вызвавшемуего приращению информативного параметра входного сигнала ∆x:
/>; (1.16)
При линейной статической характеристике преобразования чувствительность постояннаи равна:
/>
/> (1.17)
/>
/> (1.18)
/>
где />мВ-термоЭДС термоэлектрических термометров типа ТХА стандартной градуировки ХА притемпературе свободных концов 0ºС ГОСТ 3044-74
/> (1.19)
/>
/>(1.20)
/>
/>
Фильтруемый усиленный сигнал не изменяется по частоте.
Порог чувствительности – наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемоес помощью данного СИ. Значение порога чувствительности аналогового канала,предвключённого к цифровому СИ не должно быть меньше цены деления младшегоразряда выходного кода, поэтому принимаем его равным 0.01 кг.
5.3.2 Динамические характеристики
Динамические характеристики — характеристики инерционных свойств СИ,определяющие зависимость выходного сигнала от меняющихся во времени величин:параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.
Общая передаточная функция имеет вид:
К (р)общ= k/>(р)*k/>(р)*k/>(р).
где;
k1(р)–передаточная функция термопары;
k2(р)–передаточная функция усилителя;
k3(р)–передаточная функция фильтра
р – оператор Лапласа.
Коэффициент демпфирования β для исключения возможности резонансныхявлений не должен превышать 0.8
Переходная характеристика для аналогового канала, по своим динамическимсвойствамимеет вид:
/> (2.1)
где τ –постоянная времени датчика;
ω0 – собственная частота звена;
Значение выходного сигнала h(t) выбираем из условия, что оно должноотличаться от установившегося значения не больше, чем на установленное ТЗ значениеδдоп=0.04.
Время установления показаний определяем по временной характеристике h(t), решая уравнение (2) относительно t:
Исходные данные
h(t)=0.04 – временная переходная характеристика;
τ=/>
Кобщ=0,0025
Подставляя числовые данные в уравнение (2), решаем его относительновремени установления показаний
/>
/>
5.4 Эксплуатационные характеристики
Климатические и механические воздействия, устанавливаются для нормальных илирабочих условий применения и предельных условий транспортирования (ГОСТ14014-82).
Нормальные условия применения характеризуются совокупностью значений илиобластей значений влияющих величин, принимаемых за нормальные. Устанавливаютсяпо ГОСТ 22261 – 82 и ГОСТ 8.395 – 80.
Рабочие условия применения – совокупность значений влияющей величины,которые не выходят за пределы рабочей области значений, нормирующих дополнительнуюпогрешность или изменение показаний СИ. Устанавливаются по ГОСТ 22261 – 82.
6. Показатели надёжности
Показателями надёжности для разрабатываемого цифрового устройства являютсябезотказность, долговечность, ремонтопригодность.
В качестве характеристики безотказности установлена наработку на отказ,равная 1500 часов.
В качестве характеристики долговечности принят средний срок службы досписания, который должен быть не менее 8 лет.
Ремонтопригодность характеризуется средним временем восстановления, котороевыбираем не менее 2 часов.
7. Требования безопасности
Требования по электробезопасности по ГОСТ 12.2.097-83.
Требования к основным элементам конструкции, органам управления, средствамзащиты, безопасности ремонта, монтажа, хранения по ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ14014-82, ГОСТ 22251-76.
8. Показатели помехозащищённости, средства и методы поверки
измерительный температура пирометр поверка
Показатели помехозащищённости, средства и методы поверки установлены поГОСТ 1014-82.