Проектирование информационно-измерительных систем

ВВЕДЕНИЕ

Температурой называется величина, определяющая тепловое состояние вещества или объекта. Измерить температуру вещества непосредственным сравнением с единицей измерения, как измеряют другие физические величины, например, длину, массу, объем, невозможно, так как для измерения температуры не существует образца. Поэтому для измерения температуры обычно используют изменение какого-либо физического свойства тела, зависящего от его температуры и легко поддающегося измерению. При измерении температуры тело, для которого хорошо изучены зависимость его физических свойств от температуры, приводится в соприкосновение с веществом, температуру которого необходимо измерить. В результате соприкосновения через некоторое время наступает тепловое равновесие, и физические свойства тела изменяются. По изменению физических свойств и определяют температуру вещества.

К числу свойств, положенных в основу работы приборов для измерения температуры, относится объемное расширение тел, изменение давления в замкнутом объеме, возникновение термоэлектродвижущей силы, изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников, интенсивность излучения нагретых тел и другие.

Манометрические термометры предназначены для непрерывного дистанционного измерения температуры газов, жидкостей и паров. Принцип действия их основан на изменении давления рабочего вещества в замкнутом объеме термометра при изменении температуры.

Манометрические термометры – достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу показаний на расстояние. В настоящее время промышленностью выпускаются манометрические термометры с унифицированными пневматическим и электрическим выходными сигналами классов точности 1; 1,5; 2,5. Важное достоинство этих термометров – возможность использования их на взрывоопасных объектах.

К их недостаткам относят необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта. Периодичность поверки устанавливается не реже одного раза в 6 месяцев. В интервале от –30 до 300 оС манометрические термометры поверяют образцовыми ртутными термометрами; в интервале от –60 до -30 оC – образцовыми медь-константановыми термометрами и в интервале от 300 до 500 оС – платиновыми термометрами сопротивления. При поверке показаний манометрических термометров их вместе с образцовыми термометрами устанавливают в термостат, а затем сравнивают их показания, определяя приведенную погрешность.

Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Зная зависимость сопротивления от температуры и измерив сопротивление, можно судить о температуре среды, в который помещен этот проводник. В отличие от манометрических термометров термометр сопротивления не показывает температуру, а лишь служит первичным измерительным преобразователем.

Термометры сопротивления работают в комплекте с вторичными электроизмерительными приборами, измеряющими сопротивления термометра и показывающими соответствующую этому сопротивлению температуру.

Промышленностью выпускаются стандартные термометры сопротивления из медной (ТСМ) и платиновой проволоки (ТСП). Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от –260 до +1100оС. Медные термопреобразователи сопротивления предназначены для измерения температуры в диапазоне от –50 до +200оС.

В практике технологических измерений температуры с использованием термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и нормирующие преобразователи. Для точных измерений температуры и метрологической аттестации термопреобразователей сопротивления, проводимых обычно в лабораторных условиях, получили применение потенциометры постоянного тока. Уравновешенные мосты подразделяются на неавтоматические и автоматические. В них используется нулевой метод измерения. С помощью неавтоматических мостов измеряют сопротивления от 0,5 до 107 Ом, в частности производят градуировку термопреобразователей сопротивления и измеряют температуру.

Выпускаемые автоматические мосты отличаются друг от друга конструкцией, размерами, точностью измерения и другими техническими характеристиками, однако измерительные схемы отличаются незначительно. Классы точности автоматических мостов равны 0,25: 0,5; 1, а время пробега стрелки всей шкалы 1; 2,5; и 10 с.

Неуравновешенные мосты не требуют уравновешивания тока, проходящего в его измерительной диагонали, и они относительно редко используются для измерения температуры.

Для введения информации, получаемой с помощью термопреобразователя сопротивления, в ЭВМ или систему автоматического регулирования используются нормирующие токовые преобразователи, формирующие на своем выходе сигнал постоянного тока 0…5 мА. Токовый сигнал нормирующего преобразователя пропорционален сопротивлению термопреобразователя сопротивления. Классы точности 0,6…1,5.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на возникновении электродвижущей силы в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при неравенстве температур в местах соединения концов проводников.

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с термоэлектрическим преобразователем, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.

Милливольтметры, предназначенные для работы в комплекте с термоэлектрическими преобразователями, по конструктивному исполнению бывают переносными и стационарными (щитовыми). Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.

Переносные милливольтметры имеют две шкалы (градусную и милливольтовую) или только одну милливольтовую. Эти приборы выполняют как показывающие и имеют классы точности 0,2; 0,5; 1,0.

Принцип действия потенциометров основан на уравновешивания (компенсации) измеряемой ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника тока. Потенциометры с ручным уравновешиванием имеют высокий класс точности, вплоть до 0.0005. Автоматические потенциометры в зависимости от модификаций выпускаются классов точности 0,25; 0.5; 1,0.

Для введения информации от термоэлектрических преобразователей в ЭВМ или систему автоматического регулирования широко применяются нормирующие измерительные токовые преобразователи. Они предназначены для преобразования естественного выходного сигнала термопреобразователя в унифицированный сигнал постоянного тока 0…5 мА.

Температуру нагретого тела (вещества) можно определить по энергии, излучаемой телом. Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучаемого тела электромагнитными волнами. Приборы, определяющие температуру тела по его излучению, называются пирометрами. Этими приборами можно измерять температуру тела без непосредственного контакта измерительного прибора с телом, температура которого измеряется.

Бесконтактные методы измерения температуры основаны на законе увеличения интенсивности излучения при возрастании температуры тела. При увеличении температуры нагретого тела изменяется его цвет и возрастает его монохроматическое излучение (излучение определенной длины волны), а также его полное световое и тепловое излучение.

Радиационный метод измерения температуры основан на зависимости интенсивности полного (интегрального) излучения нагретого тела от его температуры. При измерении температуры радиационным методом испускаемые нагретым телом лучи собираются линзой и направляются на чувствительный элемент пирометра. Чувствительным элементом пирометра является миниатюрная термобатарея, состоящая их нескольких последовательно соединенных термопар. В термобатарее энергия, излучаемая поверхностью нагретого тела, преобразуется в электродвижущую силу, по которой судят о температуре.

Классы точности радиационных пирометров 1,0 и 1,5. Постоянная времени этих приборов составляет 0,3…1,5 с. При установке телескопа между ним и объектом не должно быть паров влаги, дыма, пыли и т.д., так как последние поглощают лучистую энергию.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
    1.    ГОСТ Р 8.596-2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.
    2.    Информационно-измерительная техника и электроника: Учебник для вузов / Под ред. Г.Г. Раннева. -М.: Академия,, 2006.-511 с.
    3.    Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для студентов вузов. -М.: Академия, 2004.-311 с.
    4.    Эксплуатационный документы на средства измерений.