Курсовой проект
По теме: «Устройство терморегулятора и его виды»
Содержание
Введение
1. Анализ технического задания
2. Расчет заданной конструкции
2.1 Расчет резистивного моста
2.2 Расчет дифференциального включения ОУ
2.3 Расчет неинвертирующего включения
2.4 Силовая часть
Выводы
Список литературы
Приложение
Введение
Терморезисторомназываетсяизмерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется приизменении температуры. В качестве терморезистора может использоватьсяметаллический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры стерморезисторами называются термометрами сопротивления.
Имеются два вида терморезисторов:металлические и полупроводниковые. Принцип действия и конструкция металлическихтерморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается сувеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычноприменяются медь или платина.
Функция преобразования медноготерморезистора линейна:
/> (1)
где R0 — сопротивление при 0 t 0С;a = 4,28.10-3K-1 — температурный коэффициент.
Функция преобразованияплатинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичнымтрехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен a= 3,91.10-3K-1.
Функция преобразованияплатинового терморезистора:
Rt =R0(1+a (T1 — T0)) (2)
Чувствительный элемент медноготерморезистора (рис.1) представляет собой пластмассовый цилиндр, накоторый бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока диаметром 0,1 мм.Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медныевыводные провода диаметром 1,0 — 1,5мм. Провода изолированы между собойасбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элементвставляется в тонкостенную металлическую гильзу. Гильза с выводнымипроводами помещается в защитный чехол, который представляет собой закрытую содного конца трубку. На открытом ее конце помещается клемная головка.
Для удобства монтажа защитныйчехол может иметь фланец. При изготовлении платиновых терморезисторовиспользуются более теплостойкие материалы. Основные параметры наиболеераспространенных терморезисторов и обозначения их градуировок определяются поГОСТ 6651-84.
Номинальные функциипреобразования (статические характеристики) медных и платиновых терморезисторови их погрешность определяются ГОСТ 6651-84.
1. Анализ технического задания
Термодатчики представляют собойчувствительные элементы с присоединенными гибкими посеребренными сигнальнымипроводами в термостойкой тефлоновой изоляции.
Датчиками температуры служатминиатюрные высокоточные платиновые терморезисторы стандарта DIN EN60751 classB (рисунок 1). Цена — 21 у. е.
С разъемом для подключениявместо МФ-100 — 31 у. е.
/>
Рисунок 1 -Платиновыетерморезисторы стандарта DIN EN60751 class B.
В отличие от термопартерморезисторы подключаются без соблюдения полярности. Также отпадает проблемас подгонкой термопар различного типа, и не требуется дополнительный холодныйспай. Особенно следует отметить высокую точность изготовления и полнуювзаимозаменяемость терморезисторов одного типа, поэтому при замене не требуетсякалибровка системы. Термопары при установке на плоскую поверхность имеютточечный контакт, в отличие от этого, терморезисторы, имеющие формупрямоугольника, обеспечивают хороший тепловой контакт по всей плоскости ипоэтому более точно отображают температуру элементов. Из этого следует, что вдиапазоне температур до +500 °C применение терморезисторов предпочтительнеетермопар.
Термометр сопротивления ипровода, соединяющие его со вторичным прибором, включены последовательно. Обычноиспользуются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурныеизменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.
Вторичные преобразователитермометров сопротивления выполняются такими, чтобы максимально уменьшить этупогрешность. Если требуется наибольшая точность измерения температуры, напримерпри метрологических работах, используется компенсационная схема. По этой схемеприменяют четырехзажимные платиновые терморезисторы. Два провода используютсядля подвода тока, а два других служат для измерения падения напряжениянатермочувствительной обмотке. Падение напряженияизмеряется с помощьюпотенциометра. Измеряется также падение напряжения U0наобразцовой катушке. Сопротивление терморезистора при этом равно
/> (3)
Благодаря компенсационномуметоду измерения отсутствует падение напряжения на проводах, соединяющихтермометр с потенциометром, и их сопротивление не влияет на результат измерения.
В менее ответственных случаяхдля измерения сопротивлений терморезисторов используются мосты: в лабораторнойпрактике — с ручным уравновешиванием, в производственных условиях — автоматические.
Термометр сопротивления можетподключиться к мосту с помощью двух- или трехпроводного кабеля. Двухпроводныйкабель дешевле, однако при его использовании сопротивления обоих проводов включаютсяпоследовательно с термометром в одно плечо. Токоведущие жилы кабеля выполненыиз медного провода: при изменении температуры их сопротивление изменяется, чтовносит погрешность в измерение. Двухпроводный кабель используется в техслучаях, когда его температура постоянна и погрешность, обусловленная ееизменением, незначительна.
При включении термометра потрехпроводной схеме по одной жиле кабеля к термометру подводитсянапряжение питания. К плечам моста термометр подсоединяется с помощью двухдругих жил, включенных в смежные плечи моста. Одинаковые изменения ихсопротивлений практически не разбалансируют мост. Таким образом, исключаетсяпогрешность, которая могла бы быть при изменении температуры кабеля.
В качестве вторичных приборовдля термометров сопротивления в промышленности применяются такжелогометрические приборы.
Сопротивление терморезистораопределяется его температурой. Последняя зависит не только от температурыокружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометратоком не должен превышать 0,4 t0С, аплатинового — 0,2 t0С. Для этого ток недолжен превосходить 10 — 15мА.
Краткие характеристикиплатиновых термодатчиков представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Краткиехарактеристики платинового термодатчика. Тип чувствительного элемента M-FK1020 class B или M-FK422 class B Стандарт DIN EN60751 (в соответствии c IEC751) Габариты M-FK1020 9.5 х 1.9 х 0.9мм Габариты M-FK422 4 х 2.2 х 0.8мм
Сопротивление чувствительного элемента R0 при 0°С* 1000 Ом Диапазон рабочих температур* от — 70°С до +500°С Допустимый измерительный ток для M-FK1020 от 0.3мА до 1.0мА Допустимый измерительный ток для M-FK422 от 0.1мА до 0.3мА
Долговременная стабильность (дрейф R0) 0.04% после 1000ч на500°С Виброустойчивость до 40g на частотах 10-2000Гц Ударная прочность (при импульсе колоколообразной формы 8мс) до 100g Условия эксплуатации сухая неагрессивная среда Сопротивление изоляции* >10МОм на 20°C; >1МОм на 500°С
Время отклика при помещении чувствительного элемента в поток среды с температурой t°
в поток воды v = 0.4м/с t0.5= 0.2с; t0.9= 0.4с
в поток воздуха v = 1м/с t0.5= 4.2с; t0.9= 12.7с Длина сигнальных проводов 2 — 2.5м
* Характеристики указаны безучета присоединенных сигнальных проводов.
Сигнальные провода иизоляционные втулки допускается нагревать до 300°С долговременно и до 350°Скратковременно (до 5мин). При этом возможно потемнение силиконовых изоляционныхвтулок.
2. Расчет заданной конструкции2.1 Расчет резистивного моста
Сопротивление терморезистораопределяется его температурой. Последняя зависит не только от температурыокружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев платиновоготермометра током не должен превышать — 0,2 t0С. Для этого ток не должен превосходить 10 — 15мА. Дальнейший расчет мостабудем производить исходя из этого условия.
Для упрощения расчетов положим:
Сопротивление платиновогодатчика при 0 t0С равно 1 кОм.
Мост сбалансирован, т.е. R1= R2=1 кОм и R3 (t) =R4=1кОм.
Тогда, чтобы избежать перегрева,общий ток моста не должен превышать 30 мА (по 1 — му закону Кирхгофа). Следовательно:
/>
тогда при I0=30 мА, получим:
/>
R1=R2, следовательно:
/>
Отсюда />.
Для обеспечения нормальнойработы сопротивления R1 и R2выбираем также равными 1 кОм. Тогда Iобщ=15мА.
В условия сбалансированногомоста I1=I2,тогда по 1 — му закону Кирхгофа Iобщ= I1+I2,следовательно Iобщ=2 I1,I1= Iобщ/2=7,5мА. Тогда UR3 (t) =7.5В.
В общем случае имеем:
/>
Очевидно, что с повышениемтемпературы сопротивление термодатчика будет увеличиваться, следовательно будетувеличиваться и падение напряжения на нём.
Для подстройки и линеаризацииВАХ термометра в одно из плеч включаем подстроечный резистор Rподстр.2.2 Расчет дифференциального включения ОУ
В данном, конкретном, случаенаиболее приемлема схема дифференциального включения операционного усилителя, т.кнам необходимо усиливать разностный сигнал разбалансированного резистивногомоста (приложение 1). Дифференциальное включение операционного усилителяпоказано на рисунке 3.
/>
Рисунок 2 — Схемадифференциального включения ОУ.
На рисунке 2 приведена схемадифференциального включения ОУ. Найдем зависимость выходного напряжения ОУ отвходных напряжений. Вследствие свойства а) идеального операционного усилителяразность потенциалов между его входами p и n равна нулю. Соотношениемежду входным напряжением U1 и напряжением Up междунеинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителяна резисторах R3 и R4:
Up =U1R4/ (R3+R4) (4)
Поскольку напряжение междуинвертирующим входом и общей шиной Un = Up, ток I1определится соотношением:
I1 =(U2 — Up) / R1 (5)
Вследствие свойства c) идеальногоОУ I1=I2. Выходное напряжение усилителя в такомслучае равно:
Uвых = Up — I1R2 (6)
Подставив (4) и (5) в (6),получим:
/> (7)
При выполнении соотношения R1R4=R2R3,Uвых = (U1 — U2) R2/R1 (8)
В данном случае R1= R3=1кОм и R4= R2=10 кОм, тогда по формуле (8) находим, чтокоэффициент усиления разностного сигнала примерно равен: R2/R1=10.
2.3 Расчет неинвертирующего включения
В качестве второго каскадапреобразователя используем схему с регулируемой ООС, а значит и с регулируемымкоэффициентом усиления, что дает нам возможность установить требуемую точностьизмерения температуры. При неинвертирующем включении входной сигнал подается нане инвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторахR1=1кОм и R2=100кОм поступает сигнал с выхода усилителя (рисунок3). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив U2 = 0. Получим:
/> (9),
тогда коэффициент усиления равен- К = 101, такого усиления достаточно, чтобы реализовать индикацию стрелочнымприбором.
/>
Рисунок 3 — Неинвертирующеевключение ОУ.
Как видно, здесь выходной сигналсинфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньшеединицы, т.к в цепь ООС кроме подстроечного сопротивления включено и постоянное(приложение 1).
В качестве блока питания можноиспользовать любой гальванически развязанный от сети блок питания с выходнымнапряжением не более 15 В, например серийно выпускаемый — БП — 15 («ВЕСНА»).2.4 Силовая часть
Одним из условий курсовогопроекта — это обеспечение коммутируемой мощности Pн=1.2кВт.Такое условие выполняет схема представленная на рисунке 4. Ко входу силовойчасти подключается выход датчика температуры. При достижении установленнойтемпературы, датчик замыкает цепь управления тринистором VS1.Этот тринистор, а вслед за ним и симистор МЫ2 закрываются, а нагреватель Rн обесточивается. При снижении температуры,датчик размыкает цепь, в результате чего тринистор и симистор открываются, анагреватель Rнподключается к питающей его сети переменного тока. И так — до следующегозамыкания датчика.
/>
Рисунок 4 — Силовая частьтерморегулятора
Выводы
Выполняя данный курсовой проект,я освоил методы расчета электронных устройств, повторил и закрепил пройденныйматериал, получил практические навыки работы в системе автоматическогопроектирования WorkBench 8.0.
Список литературы
1. Виглеб Г. Датчики. М.: МИР, 2009
2. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. — Киев: высшаяшкола, 2003.
3. Семенов В.Ю. Приборы и устройства на операционных усилителях. — С. — Петербург: Солон — Р, 2003
Приложение
/>
Рисунок 5 — Схематерморегулятора электрическая принципиальная.