Построение системы автоматического контроля (стр. 7 из 9)

v₀=0, что соответствует индикации температуры в градусах Цельсия. Точность этого термометра ±0,01⁰C в интервале температур от –50 до +125⁰C. Потенциометр R4 – регулятор усиления схемы (величины выходного напряжения). Калибровка в тройной точке воды и использование прецизионной схемы обеспечивают точность ±0,01⁰C с учетом нелинейности и долговременной нестабильности.

Вторым вариантом датчика температуры может быть датчик построенный на терморезисторах (ТР), элементах у которых электрическое сопротивление меняется при изменении температуры. В зависимости от того, возрастает или понижается сопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ТКС. Металлические датчики температуры из никеля или платины всегда обладают положительным ТКС.

Величина сопротивления ТР с отрицательным ТКС в рабочем диапазоне температур изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону:

R=Ae^в/т

где А, В-постоянные; Т-абсолютная температура, К.

Для практических расчетов величины сопротивления ТР при различных температурах окружающей среды можно пользоваться формулой:

где R_T2 и R_T1 - сопротивления ТР при температурах Т₂ и Т₁ соответственно.

Величину постоянной В определяет экспериментально измерением сопротивления R при температурах Т₂ и Т₁. При этом используют зависимость:

При измерениях R_T2 и R_T1 терморезистор необходимо помещать в ультратермостат. Температуры Т₂ и Т₁ должны поддерживаться и измеряться с точностью не ниже 0.05 °С .

Температурный коэффициент сопротивления ТР в рабочем диапазоне температур изменяется по зависимости:

Для точного измерения температуры в диапазоне от –200 °С до +85 °С чаще всего применяются датчики температуры из никеля и платины. Электрическое сопротивление металлических проводников изменяется согласно уравнению:

где R₀–сопротивление при 0 °С (273 К),

R₁ - сопротивление при T₁,

a - температурный коэффициент равный для Pt 3.9*10^-3 K^-1 и Ni 5.39*10^-3 K^-1.

Сопротивление при 0 °С в большинстве случаев выбирается равным 100 Ом. В таких случаях ТР обозначают Pt-100 или Ni-100.

Высокое электрическое сопротивление ТР позволяет пренебрегать сопротивлением подводящих проводов, контактным сопротивлением и ЭДС, что дает возможность измерять температуру на расстоянии в несколько км от точки измерения. Во всех случаях использования ТР для измерения температуры необходимо ограничить ток, проходящий через чувствительный элемент, чтобы не допустить изменения его сопротивления из-за самонагревания.

ТР включают в основном в мостовые схемы, простейшей разновидностью которой является измерительный мост (или мост Уитсона) (см. рис 5.10).

Если сопротивление сравнения Rv установить таким образом, что измерительный прибор G будет показывать отсутствие тока, то оказывается справедливым равенство Rv = R_th, поскольку верхние параллельные сопротивления равны между собой. Преимущество такого способа измерения заключается в независимости результатов от напряжения питания. Для технических измерений, когда нужно иметь непосредственные показания температуры, сопротивление Rv можно принять постоянным, а показания прибора прокалибровать.

В случае измерения напряжения оно получается равным

При этом нужно использовать высокоомный вольтметр, так как между точками 1 и 2 не должен протекать ток. Если применяется низкоомный амперметр, то между точками 1 и 2 возникает ток короткого замыкания, определяемый выражением

где I_S - ток питания.

Практически применимая схема показана на рис.5.11.

Рис.5.11. Принципиальная схема прибора для измерения температуры

Измерительный ток I_S должен быть очень мал. чтобы не вызывать нагревание резистора R_th, которое может привести к ошибкам измерения. Эта так называемая погрешность самонагрева зависит от подводимой электрической мощности (Р =I²R), величины отводимого тепла и приборной постоянной ЕК, называемой коэффициентом самонагрева. Обусловленное самонагревом повышение температуры можно рассчитать по формуле

где Т₁ и Т₂ - значение температуры при наличии и отсутствии измерительного тока I_S , Р - подводимая к измерительному сопротивлению мощность (в милливаттах), ЕК - коэффициент самонагрева (м Вт/°С).

Обычно величину ЕК как характеристику датчика указывают для измерений в воде и воздухе.

Пример:

При измерении температуры воздуха датчиком типа W60/24 применена схема рис. 5.11.

При 0°С имеем R₁ = R₂ = R_V⁼ R_th=100 Ом.

Коэффициент ЕК для Pt - 100 (W60/24) равен 4 мВт / °С. При необходимости измерения с погрешностью не более 0.25°С через датчик должен протекать измерительный ток, равный лишь

Следовательно, ток I_S должен быть равен 6 мА. а соответствующее ему добавочное сопротивление

Сигналы измерительного моста с помощью мостикового усилителя тока преобразуются в напряжение. При этом сопротивления R₃ и R₄ должны быть выполнены в виде 0.1 %-ных металлопленочных резисторов. В зависимости от типа датчика R₃ и R₄ находятся в диапазоне от 1 до 50 кОм. Калибровка измерительной схемы осуществляется с помощью потенциометра R₇ во втором, неинвертирующем каскаде усилителя. Коэффициент усиления этого каскада определяется сопротивлениями R₅, R₆, R₇. При R₅ = R₇ = 1 МОм и R₆ = 100 кОм измерительный сигнал можно усилить еще примерно в десять раз. Резистор R₈, и конденсатор С₁ формируют RC - цепочку для фильтрации и демпфирования сигнала. Типичными параметрами являются R₈ = 10 кОм и С₁ = 4.7 мкФ.

Настройка схемы осуществляется следующим образом.

1. Определить R^* по заданному ЕК.

2. Впаять R^*и проверить I_S путем измерения падения напряжения на R^*.

3. Погрузить датчик температуры R_thв ванну с тающим льдом.

4. Регулирующим потенциометром R_Vустановить напряжение на нуль.

5. Датчик температуры R_thпогрузить в ванну с кипящей водой.

6. Регулирующим потенциометром R₇установить выходное напряжение на 1В.

Если чувствительность недостаточна, то сопротивление R_3, R₄следует увеличить. При слишком высокой чувствительности эти сопротивления следует уменьшить. В качестве R_thможно применять любые, выпускаемые промышленностью, терморезисторы типа Rt-100.

2. Датчик влажности

При описании влажности воздуха следует различать следующие понятия.

Абсолютная влажность F_abs – показывает, какое количество воды содержиться в 1 м³ воздуха:

F_abs=масса воды/объем воздуха[г/м³]

Влажность насыщения F_sal – характеризует такое количество воды, которое может содержаться в 1 м³ воздуха при определенной температуре и атмосферном давлении без образования конденсата:

F_sal(T)=макс к-во воды/объем воздуха[г/м³]

Относительная влажность F_rel(T) – представляет собой выраженное в % отношение абсолютной влажности влажности насыщения. По этой причине влажность также зависит от температуры:

В данном курсовом проекте я предложил использование емкостных датчиков влажности. Они характеризуются простотой в обращении, а также относительной дешевизной. Эти датчики состоят из специальной пленки с запыленным с двух сторон слоем золота (фирма Valvo). Т.о. пленка служит диэлектриком плоского конденсатора. С помощью измерительной схемы, изменение емкости можно преобразовать в постоянное напряжение.

Некоторые технические характеристики датчика влажности фирмы Valvo приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5.

Емкость (J= 25 ^оС, F_rel= 43%, f=100 кГц), пкФ	122 (± 15%)
Чувствительность (F_rel = 43 %), пФ/%	0,4±0,05
Диапазон измеряемой влажности, %	10 … 90
Диапазон рабочих температур, ^оС	0 … 60
Максимальное рабочее напряжение(постоянное и переменное), В	15

Зависимость С датчика от влажности воздуха (F_rel) приведена на рис.5.12. Т.к. эта характеристика изогнута (нелинейна), непосредственную индикацию можно осуществлять только при соответствующим образом откалиброванной шкале или с помощью дополнительно включенной схемы линеризации.