Датчики температуры электрического типа

федеральное агенТство по образованию Российской Федерации

 

гОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Автоматика и управление в технических системах»

 

 

 

 

 

 

“Локальные САУ”

 

 

Контрольная работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент   ЗФ группы 21

5 курс      специальности   220201 

                                                       Березовский А. С.

                                                                       Проверил: Ляпидов И. В.

 

 

 

 

 

 

Самара, 2012

 

Содержание:

          Датчики  температуры электрического типа

1. Введение                                                                                                                            2
2. Принцип работы                                                                                                                3
3. Области применения                                                                                                         5
4. Характеристики                                                                                                                 6

Реализация и свойства ПИД- регулятора на базе операционного усилителя                    7

          Список используемой литературы и программного обеспечения                                   10

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники  оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

Зависимость свойств  многих материалов от температуры не всегда является недостатком –из таких материалов изготавливаются датчики температуры. Конструкция выбирается таким образом, чтобы усилить температурную зависимость какой либо электрической характеристики. Эта зависимость, как правило, является нелинейной, что, создает трудности при ее воспроизведении. Обычно применяются три типа датчиков температуры:

-термоэлементы 

-резистивные детекторы  температуры

-термисторы

2.Принцип работы датчиков температуры  

Термоэлементы

Первый  термоэлемент был создан в 1887г. Французским ученым Ле Шателье. В термоэлементе две  точки контакта А и В соединены двумя параллельными проводами, выполненными из разных металлов( например алюминий и медь ). Таким образом создается замкнутая цепь (рис 1).

 

  

Рис 1. Принцип работы термоэлемента.

 Если температуры  точек А и В различаются, то по замкнутой цепи циркулирует ток.  На правом рисунке показана реальная цепь для измерения этого тока.  Точка А соответствует  “горячему”  спаю, а В и С – холодному. Точки В и С  должны иметь одинаковую температуру

До тех пор пока температура в точках А и В одинаковы, ток в цепи не протекает. Если температура в точках  А и В отличается, то по цепи начинает протекать электрический ток. Это явление называется термоэлектрическим эффектом или  эффектом Сибека, по имени открывшего его в 1821г. исследователя. Эта так называемая термоэлектродвижущая сила увеличивается как функция разности температур. Возникающее напряжение лежит в пределах нескольких милливольт, что требует применения дополнительной очень чувствительной – и поэтому сравнительно дорогостоящей – электронной измерительной аппаратуры. Из-за низкого уровня сигнала следует тщательно выбирать процедуру передачи и соединительные провода. Необходимо иметь в виду, что термоэлемент измеряет разность температур, а не ее абсолютное значение, поэтому температура одного из контактов должна быть известна с высокой точностью. Для различных температурных диапазонов используются разные сочетания металлов. Термоэлементы весьма надежны и недороги, имеют малую теплоемкость и способны работать в широком диапазоне температур.  

Международная электротехническая комиссия определила некоторые стандартные типы термоэлементов (стандарт IEC). Элементы имеют индексы R,S,B,K,J,E,T в соответствии с диапазоном измеряемых температур.

Металлы имеют положительный  температурный  коэффициент сопротивления  т.е. с увеличением температуры сопротивления проводника растет. Это свойство используется в резистивных детекторах температуры.

Резистивный детектор температуры.

Резистивный детектор температуры  обычно выполняются из платиновой проволоки. Сопротивление является практически линейной функцией температуры при опорной температуре при опорном значении То равно 0. Отношение к сопротивлению R при температуре Т к сопротивлению Rо при опорной температуре То можно выразить как

Где а – это температурный  коэффициент сопротивления и b-положительная или отрицательная постоянная (рис. 2).

Рис.2. Температурная характеристика сопротивления резистивного детектора  температуры и термистора.

Датчики типа RTD имеют весьма низкую чувствительность, или любой ток используемый для определения изменения сопротивления, будет нагревать датчик, изменяя его показания на величину пропорциональную току в квадрате. Выходное сопротивление чаще всего измеряется мостовыми схемами.

Термистор.

Термистор т.е. температурно-зависимый  резистор изготавливается из полупроводникового материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент и высокую чувствительность.  Его сопротивление нелинейно зависит от температуры

Где Т-температура в градусах Кельвина, Ro-сопротивление при опорной температуре То, а β – постоянная. Наклон кривой R-Т рисунок 2 соответствует температурному коэффициенту а, который, в свою очередь, является функцией температуры. 

Из-за конечного сопротивления  термистора при протекания по нему тока выделяется тепло. Энергия, выделяемая в термисторе при 25С, имеет обычно порядок 0,002мВт. При постоянной рассеиваемой около 1 мВт/С температура датчика будет повышаться на 1 С (на воздухе) на каждой милливатт рассеиваемой мощности.

Термистор не является точным датчиком температуры. Однако, благодаря своей чувствительности, он используется для изменений малых отклонений температуры. Это устройство довольно надежно как механически, так и электрических. Нелинейно выходное напряжение термистора должно быть преобразовано в линейную зависимость от температуры. Это можно сделать с помощью аналогового устройства или программным способом. Программными средствами можно непосредственно задать градуировочную таблицу или функцию обратную характеристики термистора. Линейность характеристики можно получить , присоединяя к термистору несложные электронные. Термисторы применяются для измерения температур вплоть до 500-600С.

В качестве полупроводниковых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, где изменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока, протекающего через полупроводниковый прибор.

Исторически первым температурозависимым параметром был обратный ток диодов и транзисторов. Значение тока растет с температурой по экспоненциальному закону со скоростью порядка 10%^.К^-1. Однако, диапазон температур, в пределах которых возможно использование обратных токов, весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяется температурой их теплового пробоя.

3.Области применения

Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, позволяет измерять ее  даже в самых труднодоступных местах – там, где другие параметры измерить невозможно. Так например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д.

В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры, например для регулирования отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры; регулирование температуры нагрева воды в автоматических стиральных машинах; регулирование температуры электроплит, электродуховок и т.п.

 

4.Характеристики

Любой датчик, в том  числе и датчик температуры, может  быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики  между собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально бысторо  и точно. Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика при изменениях входной величины и определяется внутренней структурой датчика и его элементов.

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно  выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время  после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение.

Перечислим основные из этих характеристик:

- Функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины:

                                   y = f(x)                                                 

Зависимость представляется в именованных величинах: y – в единицах выходного сигнала или параметрах датчика,  x – в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры – Ом/°С или мВ/К.

-Чувствительность – отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины:

                                   S = dy/dx                                                

- Порог чувствительности – минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.

- Предел преобразования – максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования по крайней мере на 10%.

Датчики температуры  должны обладать:

• высокой чувствительностью к температуре;
• идентичностью характеристик разных образцов;
• стабильностью термометрических параметров;
• малыми габаритами и инерционностью, высокой виброударостойкостью.

 

 

 

 

Реализация  и свойства ПИД- регулятора на базе операционного усилителя

Поскольку основная задача регулятора - осуществлять регулирующее воздействие с минимальной погрешностью, выбор и настройка этих устройств являются одной из наиболее важных проблем, стоящих перед инженером. Регулятор выполняет преобразование управляющего сигнала e(t), соответствующее математическим операциям, требуемым по условиям работы системы регулирования.                Регулирующее воздействие, формируемое ПИД- регулятором пропорционально ошибке, скорости изменения ошибки и интегралу от ошибки, т.е.

u(t)= K_1e (t) + K₃ de (t) / dt+ K₂ ò e (t)

Более распространенной в литературе является следующая  форма записи ПИД- закона регулирования

u(t)= К_п [ e + (1/T_и) ò e (t) dt+ T_д de (t) / dt],

причем величина T_д, характеризующая степень введения производной в закон регулирования, называется временем предварения. В динамическом отношении эти регуляторы подобны системе из трех параллельно включенных звеньев: пропорционального, интегрирующего и дифференцирующего. При T_д=0 регулятор превращается в ПИ регулятор. Если, кроме того, T_и® ¥ , то получим П-регулятор. Передаточная функция ПИД- регулятора может быть получена как

W_пид(p)= K_п + K_п/ T_и p + K_пT_д p =

Если на параметры K_п ,T_и и T_д наложить ограничение Т_и³ 10 Т_д, ,то указанная передаточная функция может быть преобразована к виду

W_пид(p)=

(1)

Этой передаточной функции  соответствуют ЛАХ и ЛФХ, приведенные  на рисунке 1

Рис.1

Аналитическое выражение  переходной функции регулятора содержит три слагаемых (по числу составляющих реакции), т.е.

h(t)= K_п [ 1 + T_д d (t) + t/T_и] ,

Этому выражению соответствуют временные зависимости, представленные на рис. 2

Рис.2 где h₁(t)- реакция П-канала в виде скачка с амплитудой K_п , а h₂(t)-реакция И-канала в виде линейно возрастающей функции времени. 

отличающаяся от соответствующей  зависимости для ПИ-регулятора наличием всплеска в момент времени t=0 бесконечно большой амплитуды (теоретически) с площадью, определяемой величиной T_д.

Одна из множества  возможных реализаций ПИД-регулятора на базе интегрального операционного  усилителя представлена схемой на рис. 3

Рис.3

Передаточную функцию  реализованного таким образом регулятора получим следующим образом

                  Z₂(p)= R₂ +1/ C₂p=