Измерение температуры.
Для большинства технических объектов измерение величины температуры рабочего органа, окружающей среды выполняется достаточно часто в процессе и регламентах. Температура в той или иной степени показывает состояние объекта.
После электрических и измерений температуры наиболее популярная операция.
ПИПр – первичный измерительный преобразователь (t0 C
U(t)).
Измерители температуры все основаны на использовании первичных преобразователей напряжения или тока.
Для цифровых систем управления и контроля разработаны преобразователи неэлектрических величин в ЧИК. Эти преобразователи выпускаются в конструктиве корпусов интегральных схем, на которые подается напряжение питания и с нескольких выходов читаем импульсы ЧИК-а.
Контроллер – схема на микропроцессоре опрашивает вход, на который подается ЧИК, и в течение фиксированного интервала считает эти импульсы. Получаем результат пропорциональный измеряемому параметру.
Наиболее применяемыми преобразователями являются следующие:
При прохождении тока через переход его величина зависит от собственного сопротивления перехода. Если фиксировать напряжение источника, то сопротивление перехода становится функцией температуры. Для того чтобы изменить некую температуру вводят ограничения. Uмах ≤ 0,75:0,8.
Rогр — резистор, регулирующий величину тока через диод, рабочую точку. Его наличие обязательно. Кроме того, часто резистор подстроечный. Интервал температуры с таким измерителем порядка – 10 о С… + 4о С. Обычно используются кремниевые диоды (КД502, 520, 522). Поскольку уровень сигнала на диоде мал его увеличивают с помощью усилителя с большим RLX (операционный усилитель). Если температурный диапазон необходим более широкий, применяют полупроводниковые транзисторы, часто включенные последовательно. Схема включения примерно такая же и уровень тока через транзистор измеряется с помощью цифрового вольтметра. В частности такие преобразователи используются в комбинированных приборах типа В7-27. Диапазон температуры шире - 40 о… + 70 о С. Но за счет имеющейся нелинейности характеристики, погрешность не меньше 2-5 %. Полупроводниковые преобразователи просты, надежны, но не обеспечивают высокой точности.
Точные измерения температуры (с погрешностью в 0,1 с) можно получить с использованием линейных преобразователей температуры в напряжение. Это медные и платиновые преобразователи, выпускаемые в стандартных конструктивах, например, типа ТСМ (термометр сопротивления медный) — медная проволока d = 0,1 – (0,005 : 0,12), свернутая в спираль. В зависимости от требуемой точности, размеры таких преобразователей от 50 мм до 600 мм. Чем больше сопротивление медного проводника (т.е. чем длиннее проволока), тем чувствительнее преобразователь (формула). У малогабаритных приборов величина приращения 0,004 Ом /градус С (медь).
Рис. . Термометр сопротивления медный.
В промышленности чаще используют медные проводники, а в опытах платиновые датчики. Выше точность, поскольку крутизна S платины больше.
Термосопротивление выпускают на различную величину номинального сопротивления.
R* – регулировка чувствительности;
R3 – установка «0».
Терморезистор включают в мостовую схему, в одно из ее плеч. Источник питания постоянного напряжения (желателен). R3 – установка «0» или установка контрольной температуры.
Мост неуравновешенный и в общем случае в измерительной диагонали течет ток. Резистор R*4 измеряет диапазон измерения сигнала.
Для измерения температуры используют предварительную калибровку: датчик температуры помещают в воду с плавающим льдом, считается, что температура воды 00 С. Подстраивают резисторы с тем, чтобы показывал ноль. При испытаниях проводят торировку. Изменяя температуру объекта, получают различные значения напряжения, на выходе преобразователя получают кривую преобразования, и эта кривая должна совпадать, быть пропорциональной той кривой, которая придается преобразователю. Всякий преобразователь температуры должен иметь паспорт (кривую преобразования). Эта кривая подтверждает достоверность результатов измерения.
Большие температуры измеряют контактным или бесконтактным методом.
Бесконтактный метод на основе оптического преобразователя – пирометра. При высокой температуре тела излучают ИК – волны. В пирометре имеется небольшая труба с входным отверстием с одной стороны (глазок, линза) и индикатором, преобразующимся в некий уровень ЭДС, который показывает индикатор. Погрешность таких приборов высокая до 20%.
Используется для оценки величины параметра.
Контактный метод: используют термопары.
Особенность термопар уровень ЭДС зависит от температуры спая, зависимость эта нелинейная, поэтому необходимо использовать схему усилителей (функциональных преобразователей). Термопара не землится, поэтому для получения измеряемой ЭДС применяют специальную схему измерительных усилителей: первый каскад из двух усилителей, второй – один дифференциальный усилитель.
Термопары применяют в теплоэнергетике. Погрешность измерения в пределах 5 – ти %, даже где шла компенсация.
Недостаток со временем у нее характеристика плывет. Характеристика термопары изменяется в сторону ухудшения.
В современных микроконтроллерах имеются входные цепи, в которых выполнены схемы ЦАПов. Во время эксплуатации характеристики некоторых преобразователей могут меняться (старение, отравление и т.д.). Та величина питающего напряжения, которая была изначально подана, уже не подходит, поэтому используют ЦАПы. Снимают с них выходное напряжение для питания датчиков, в процессе эксплуатации перепрограммируют ЦАПы, записывая туда новый цифровой код, соответствующий измеренному напряжению.
Измерение температуры основано на преобразовании температуры объекта, окружающей среды в величину сопротивления (далее напряжения или тока) или ЧИК. Последний способ позволяет упростить работу с промышленными контроллерами.