Разработка измерительного канала температуры на основе бесконтактных методов

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия Кафедра автоматизации производственных процессов КУРСОВОЙ ПРОЕКТ По дисциплине Технологические измерения и приборы На тему:

Разработка измерительного канала температуры на основе бесконтактных методов Воронеж — 2009

1. Описание физической сущности измеряемого технологического параметра запыленности воздуха

2. Структурное моделирование измерительного канала

3. Разработка схемы автоматизации измерительного канала

4. Выбор комплекса технических средств измерительного канала запыленности

5. Выбор передаточных функций отдельных звеньев измерительного канала

6. Анализ характеристик отдельных звеньев измерительного канала

7. Рекомендации по использованию разработанного измерительного канала запыленности воздуха для технологических процессов деревообрабатывающей области Заключение Библиографический список

Без грамотного построения измерительного канала невозможно построить систему автоматического регулирования и управления технологическим процессом (АСУТП). Данный курсовой проект дает возможность не только в теории, но на практике познать сущность проблемы проектирования измерительных каналов. А точнее разобраться во всем многообразии измерительных и регистрирующих устройств и подобрать наиболее выгодную их комплектацию, обеспечивающую необходимую точность, быстродействие, эргономичность при минимальных денежных затратах.

1. Описание физической сущности измеряемого параметра

Существуют два основных способа для измерения температур — контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13 417−76),

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики — с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик — это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т. д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик — это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура — 50%, расход (массовый и объемный) — 15%, давление — 10%, уровень — 5%, количество (масса, объем) — 5%, время — 4%, электрические и магнитные величины — менее 4%.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

— электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

— электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

— они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

— аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

— цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

— бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

— однозначная зависимость выходной величины от входной;

— стабильность характеристик во времени;

— высокая чувствительность;

— малые размеры и масса;

— отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

— работа при различных условиях эксплуатации;

— различные варианты монтажа.

Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

2. Структурное моделирование измерительного канала

Измерительный канал должен содержать средство измерения (датчик), устройство унифицирующее сигналы средства измерения (вторичный преобразователь), и регистрирующее устройство.

Принципиальная схема будет иметь следующий вид:

Данная структурная схема состоит из:

Д — датчика;

ВП — вторичного преобразователя;

Регистрирующее устройство

3. Разработка схемы автоматизации измерительного канала

Для разработки схемы автоматизации измерительного канала необходимо на объект измерения установить датчик «Д». Датчик, установленный, будет измерять температуру объекта. Затем датчик передает сигналы на вторичный преобразователь (ВП), установленный по месту установки датчика. Вторичный преобразователь преобразует сигналы, поступающие от датчика, для последующей передачи. Это позволяет другим устройствам распознавать поступающие сигналы.

Далее необходимо регистрирующее устройство, которое будет сравнивать, полученные данные от датчика, и фиксировать изменения. Регистрирующее устройство в данном датчике встроено, и информация выдается на экране дисплея.

4. Выбор комплекса технических средств измерительного канала температуры на основе бесконтактных методов

В данном измерительном канале используется: датчик температуры (пирометр), вторичный преобразователь, регистрирующее устройство.

Что такое оптическая пирометрия?

Пирометрия (от греч. pэr — огонь и… метрия), группа методов измерения температуры. Раньше к пирометрии относили все методы измерения температуры, превышающей предельную для ртутных термометров; с 60-х гг. 20 в. к П. всё чаще относят лишь оптические методы, в частности основанные на применении пирометров, и не включают в неё методы, в которых применяются термометры сопротивления, термоэлектрические термометры с термопарами, и ряд др. методов.

Почти все оптические методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения (иногда — поглощения) тел. Интенсивность теплового излучения сильно зависит от температуры Т тел и очень резко убывает с её уменьшением. Поэтому методы П. применяют для измерения относительно высоких температур (например, серийным радиационным пирометром от 200 °C и выше). При Т Ј 1000 °C методы П. играют в целом второстепенную роль, но при Т > 1000 °C они становятся главными, а при Т > 3000 °C — практически единственными методами измерения Т. Методами П. в промышленных и лабораторных условиях определяют: — температуру в печах и др. нагревательных установках, — температуру расплавленных металлов и изделий из них (проката и т. п.), — температуру пламён, нагретых газов, плазмы.

Методы П. не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется, и поэтому могут применяться для измерения очень высоких температур.

Основное условие применимости методов П.— излучение тела должно быть чисто тепловым, т. е. оно должно подчиняться Кирхгофа закону излучения. Твёрдые тела и жидкости при высоких температурах обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима специальная проверка для каждого нового объекта или новых физических условий.

Так, излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют Максвелла распределению, заселённости возбуждённых уровней энергии соответствуют закону Больцмана, а диссоциация и ионизация определяются: действующих масс законом, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы называется термически равновесным. Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы и в линейчатом, и в сплошном спектрах однозначно определяется её химическим составом, давлением, атомными константами и равновесной температурой. Если плазма неоднородна, то даже при повсеместном выполнении условий термического равновесия её излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае методы П. применимы лишь к источникам света, обладающим осевой симметрией.

Что представляют собой пирометры?

Существует два основных способа измерения температуры — контактный и бесконтактный, посредством инфракрасной и СВЧ технологий. Приборы для бесконтактного контроля, работающие по ИК-технологии, являются, безусловно, наилучшим выбором для промышленного применения, благодаря их повышенной точности и возможности измерять температуру горячих, движущихся или труднодоступных объектов с безопасного расстояния. Инфракрасные термометры (пирометры) — это быстрый и простой метод определения температурных отклонений (наведите пирометр на объект, нажмите на курок и считайте значение температуры на дисплее).

Существует большое разнообразие инфракрасной аппаратуры, включая дорогостоящие тепловизоры, которые создают двумерное изображение поверхности измеряемых объектов. Портативные пирометры (точечные тепловизоры), напротив, обеспечивают не только измерения температуры поверхности, но и сковь оптически прозрачные материалы. Хотя некоторые последние модели имеют функциональные возможности фото и видео-регистрации — что служит выгодной недорогой альтернативой тепловизорам. Некоторые модели портативных инфракрасных термометров очень удобны для выборочной, поточечной проверки — их маленький размер позволяет поместить их в карман или носить на поясе. Большинство пирометров оснащено лазерным прицелом, который помогает измерять маленькие объекты с оптимальных расстояний, даже в условиях низкой освещенности. Температура объектов размером 6 мм может измеряться с расстояния до 3 м.

Методами П. в промышленных и лабораторных условиях определяют:

— температуру в печах и др. нагревательных установках,

— температуру расплавленных металлов и изделий из них (проката и т. п.),

— температуру пламён, нагретых газов, плазмы.

Методы П. не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется, и поэтому могут применяться для измерения очень высоких температур. Основное условие применимости методов П.— излучение тела должно быть чисто тепловым, т. е. оно должно подчиняться Кирхгофа закону излучения. Твёрдые тела и жидкости при высоких температурах обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима специальная проверка для каждого нового объекта или новых физических условий.

Так, излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют Максвелла распределению, заселённости возбуждённых уровней энергии соответствуют закону Больцмана, а диссоциация и ионизация определяются: действующих масс законом, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы называется термически равновесным. Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы и в линейчатом, и в сплошном спектрах однозначно определяется её химическим составом, давлением, атомными константами и равновесной температурой. Если плазма неоднородна, то даже при повсеместном выполнении условий термического равновесия её излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае методы П. применимы лишь к источникам света, обладающим осевой симметрией.

Для данной работы я выбрала следующий пирометр:

Пирометр — бесконтактный инфракрасный термометр AR300 (12:1)

Пирометр AR300 предназначен для измерения температуры поверхности бесконтактным способом (на расстоянии).

Выдающиеся характеристики, наряду с компактными размерами, а также с высочайшим качеством исполнения делает прибор надежным и незаменимым помощником. Самая выгодная цена на российском рынке — лучшее соотношение цена/качество.

Особенности:

лазерный целеуказатель для выбора места измерения температуры

подсветка дисплея

время измерения температуры — 1 секунда

новейшая микропроцессорная технология «Infrared System On Chip»

низковольтная система питания с энергосберегающими функциями

подсветка дисплея

Характеристики:

диапазон измерений -32°C до 300°C

погрешность ±1−2°C

цена деления 0.1°C

оптическое разрешение 12:1

коэффициент оптического излучения — постоянный, 0.95

лазерный целеуказатель Laser Class II

источник питания — аккумуляторная батарея тип 9V (в комплект не входит)

размеры 140×80×38мм, вес 130 г

Гарантия — 1 год (авторизованный центр в Москве и в Украине)

Основные характеристики пирометра

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 лазерного 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 SPOT).

Лазерный луч плохо виден на ярко освещенной или раскаленной поверхности, поэтому высокотемпературные пирометры для нацеливания иногда оснащаются оптическими визорами.

технологический деревообрабатывающий автоматизация запыленность

5. Выбор передаточных функций элементов измерительного канала

Показатель инерции пирометра 0.33 с. Коэффициент передачи/усиления равен 0.95. Так как этот элемент имеет одну постоянную времени, то его передаточная функция будет идентична передаточной функции инерционного звена первого порядка и будет иметь вид:

.

После замены констант их численными значениями получим:

W (P)=0.95/0.33*P+1, где

P — параметр Лапласа.

6. Анализ характеристик отдельных звеньев измерительногоканала

Анализ характеристик

Статическая характеристика

При поступлении сигнала на вход, сигнал на выходе пропорционально ему возрастает в k раз.

Временная характеристика

При поступлении сигнала на вход, сигнал на выходе принимает постоянное значение после времени переходного процесса (t_п=200). До этого момента значение выходного сигнала возрастает до установившегося значения, которое в случае единичного, ступенчатого входного воздействия равно коэффициенту передачи. В данном случае установившееся значение выходного сигнала равно 1.

АЧХ

При поступлении сигнала на вход и с увеличением его частоты, отношение амплитуд выходного сигнала к входному уменьшается от значения равного коэффициенту передачи до нуля.

ФЧХ

При поступлении сигнала на вход и с увеличением его частоты, сдвиг фаз резко увеличивается и стремится к значению .

АФЧХ

При увеличении частоты входного сигнала отношения амплитуд изменяет свое значение от величины равной коэффициенту передачи до нуля, а сдвиг фаз от 0° до 45°.

Применение пирометров:

Пирометры — бесконтактные измерители температуры по-прежнему являются незаменимыми элементами цепей контроля и управления в целом ряде отраслей промышленности — металлургической, машиностроительной, электронной, химической, медико-биологической и т. д. Им нет альтернативы при измерении температуры движущихся (например металл на прокатном стане), труднодоступных или находящихся в опасных зонах (подстанции высокого напряжения) объектов.

Использование современной элементной базы существенно расширило возможности этих приборов и позволило наделить их новыми свойствами — помимо измерения они могут теперь проводить обработку полученной информации и осуществлять сложные действия по управлению технологическим процессом. Снизился их вес, уменьшились габариты, приборы стали проще и удобнее в эксплуатации.

Все это оказалось возможным благодаря применению в приборах новой элементной базы, включающей микропроцессоры. Использование электроники нового поколения позволило также снизить процент отказов приборов как за счет уменьшения количества используемых элементов, так и за счет высокой надежности каждого из них. Кроме того, более корректно учитывается влияние излучательной способности измеряемого объекта и температуры окружающей среды, что позволило повысить точность измерений в цеховых условиях. Высокая стабильность источников опорного напряжения и цифровое преобразование сигнала приемника излучения в температуру создали предпосылки для увеличения межповерочного интервала пирометров.

Все более широкое применение получает радиационная термометрия в технологических процессах, ранее традиционно использовавших контактные методы, причем диапазон измерений расширился в сторону низких температур до минус 50С, расширяется область применения тепловизоров, очень актуально внедрение неконтактных методов измерения температуры в энергетической промышленности.

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.

Заключение

В данной курсовой работе была реализована разработка измерительного канала измерения температуры. Выполнение данной работы позволило:

— систематизировать и закрепить знания по разделам дисциплины;

— сформировать навыки логического моделирования поставленной задачи и способов ее разрешения;

— выработать практические навыки формирования структурной схемы для составления измерительного канала;

— сформировать навыки анализа функционирования отдельных звеньев канала;

— сформировать навыки в разработке схем автоматизации и выбора комплекса технических средств для ее реализации,

— закрепить навыки в определении передаточных функций звеньев измерительного канала,

— получить навыки в формировании рекомендаций по использованию разработанного измерительного канала,

— выявить причины удобства использования систем автоматизации.

Библиографический список

1. Музалевский «Технологические измерения и приборы»

2. Куликов «Технологические измерения и приборы в химической промышленности»

5. http://www.MoiKomas.ru