Разработка системы измерения температуры с применением термометра сопротивления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Температура - это физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела. За единицу температуры принимают кельвин (К). Температура может быть также представлена в градусах Цельсия (°С).

Температура наряду с давлением и объемом представляет собой одну из трех основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества. Практически нет ни одной области деятельности человека, где бы не требовалось измерять и регулировать температуру, поэтому она является одной из наиболее часто измеряемых физических величин.

Измерение температуры связано с преобразованием сигнала измерительной информации (температуры) в какое-либо свойство, связанное с температурой.

Измерить температуру непосредственно, как, например, линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют косвенно -- по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических.

Приборы для измерения температуры называются термометрами. В зависимости от методики измерений все типы термометров делятся на 2 класса: контактные и бесконтактные. К контактным приборам относятся: термометры расширения, манометрические термометры, термопары и термометры сопротивления (далее ТС)

Целью данной курсовой работы является разработка системы измерения температуры с применением термометра сопротивления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать функциональную схему измерения температуры;

- разработать математическую модель системы измерения температуры в среде Multisim;

- исследовать влияние длины проводов, которыми подключается ТС.

1. Разработка функциональной схемы измерения температуры

1.1 Мостовая схема

Функциональная схема измерения температуры отображает последовательность преобразования измеряемой величины в сигнал удобный для измерения. В данной курсовой работе были использованы следующие схемы подключения ТС: мостовая и четырехпроводная.

Рассмотрим мостовую схему подключения, представленную на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Мостовая схема измерения температуры

Термометр сопротивления (ТС) -- электронный компонент, датчик, предназначенный для измерения температуры. В основе работы данного типа датчиков лежит зависимость электрического сопротивления металлов от изменения температуры. Для точного измерения температуры эта зависимость должна быть хорошо известной и максимально приближенной к линейной.

Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки.

Конструктивное исполнение ТС изображено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Конструкция ТС

мостовой термометр четырехпроводный ток

Термометр состоит из чувствительного элемента 5, расположенного в стальном защитном кожухе 3, на котором приварен штуцер 2. Провода 9, армированные фарфоровыми бусами 4, соединяют выводы чувствительного элемента 5 с клеммной колодкой б, находящейся в корпусе головки 1. Сверху головка 1 закрыта крышкой 10, снизу имеется сальниковый ввод 7, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 8.

На практике чувствительный элемент представляет из себя резистор, выполненный из проволоки, намотанной на каркасе, или напыленной металлической пленки на керамической подложке. В качестве металла в большинстве случаев используются медь, никель и платина.

Технические требования к термометрам сопротивления изложены в стандарте ГОСТ 6651-2009. В данной курсовой работе используется термометр сопротивления из платины (далее ТСП) с номинальной статической характеристикой (НСХ) Pt100, так как платина имеет хорошо изученную и стабильную зависимость сопротивления от температуры.

ТСП подключен к измерительной цепи с помощью мостовой схемы.

Мостовая схема представляет собой электрическую схему или устройство для измерения электрического сопротивления.

Виды мостовой схемы: двухпроводная и трехпроводная.

Рассмотрим двухпроводную схему подключения представленную на рисунке 3.

Рисунок 3 - Двухпроводная мостовая схема

В простейшей двухпроводной схеме влияние сопротивления подводящих проводов не устраняется. Напряжение измеряется не только на ЧЭ, но и на соединительных проводах.

Такая схема может быть использована в случае, если сопротивлением подводящих проводов (r1,r2) можно пренебречь по сравнению Rt.

Трехпроводная схема подключения ТСП представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Трехпроводная схема подключения ТСП

Влияние сопротивления соединительных проводов в трехпроводной схеме уменьшается путем добавления третьего провода которым ТСП подключается непосредственно к вольтметру. Так как вольтметр обладает большим внутренним сопротивлением, то влияние сопротивления проводов значительно уменьшается.

3-проводная схема позволяет уменьшить влияние сопротивления проводов примерно на 50%. Кроме того, в данной схеме возможна компенсация сопротивления проводов, если все провода имеют одинаковое сопротивление. Данная схема используется как компромисс между неточной 2-проводной схемой и более дорогой 4-проводной схемой.

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками.

Дифференциальный усилитель -- электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Схема дифференциального усилителя представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема дифференциального усилителя

Для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, и во многих случаях также большое входное сопротивление. Формула для определения коэффициента усиления:



(1)

при R1=R2 и R3=R4.

Или:

(2)

В качестве регистрирующего прибора был использован вольтметр, с погрешностью измерения не более 1%.

1.2 Схема измерения температуры с использованием источника тока

Функциональная схема измерения температуры с использованием источника тока приведена на рисунке 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 - Функциональная схема измерения температуры с источником тока



Схема измерения температуры с использованием источника тока делится на двухпроводную и четырехпроводную.

При двухпроводной схеме подключения сопротивление датчика температуры и сопротивление проводов складываются, что вносит погрешность в результат измерения.

В четырехпроводной схеме питание ЧЭ током возбуждения производится с помощью одних проводов, а измерение разности потенциалов на ЧЭ - с помощью других. Если измерение напряжения производится высокоомным вольтметром, то влияние сопротивления всех проводов полностью исключается.



2. Реализация математических моделей системы измерения температуры в среде Multisim

NI Multisim - это программа для захвата и моделирования электронных схем.

2.1 Реализация математической модели двухпроводной схемы измерения температуры

Рисунок 7 - Математическая модель двухпроводной мостовой схемы.

На рисунке 7 представлена математическая модель двухпроводной схемы подключения ТСП в среде Multisim. На схеме изображно 4 функциональных блока:

1) Источник тока;

2) Измерительный мост;

3) Дифференциальный усилитель;

4) Вольтметр.

В состав функционального блока источник тока входит 2 конденсатора емкостью 320 и 100 нФ, батарейка с напряжением 9 В и микросхема LM7805.

Микросхема LM7805 с двумя конденсаторами выполняет роль стабилизатора напряжения, понижая и стабилизируя входное напряжение в 9 В в выходное напряжение 5В.

Измерительный мост выполняет роль вторичного преобразователя, преобразуя изменение сопротивления включенного в мост термосопротивления Rt в изменение напряжения. В состав моста также входит вольтметр XMM2, выполняющий роль нуль индикатора, показывая наличие разницы потенциалов в плечах моста.

Дифференциальный усилитель служит для усиления разницы напряжений.

Сопротивления R4-R7 служат для изменения коэффициента усиления. Коэффициент усиления в данной математической модели равен 10. Вольтметр XMM2 служит для измерения выходного напряжения усилителя.

2.2 Реализация математической модели трехпроводной схемы измерения температуры

Рисунок 8 - Математическая модель трехпроводной мостовой схемы

На рисунке 8 представлена математическая модель трехпроводной схемы подключения ТСП в среде Multisim. Даная схема отличается от двухпроводной схемы наличием дополнительного провода, которым термосопротивление Rt подключается непосредственно к вольтметру XMM2 или дифференциальному усилителю.

2.3 Реализация математической модели двухпроводной схемы измерения температуры с использованием источника тока

Рисунок 9 - Математическая модель двухпроводной схемы с источником тока

На рисунке 9 представлена двух проводная схема измерения температуры. Она состоит из двух функциональных блоков:

1) Источник тока;

2) Измерительный канал.

В состав первого блока входит источник постоянного тока V1 напряжением 12 В, резистор R1 с сопротивлением 1,2 кОм и микросхема LM317. Микросхема LM317 выполняет роль линейного стабилизатора напряжения. Резистор R1 необходим для задания в цепи известного значения силы тока.

Второй функциональный блок включает в себя терморезистор Rt и резисторы R3 и R4 имитирующие сопротивление проводов. Вольтметр XMM2 измеряет падение напряжение на термометре сопротивления.

2.4 Реализация математической модели четырехпроводной схемы измерения температуры с использованием источника тока

Математическая модель четырехпроводной схемы измерения температуры представлена на рисунке 10. Данная схема отличается от двухпроводной схемы наличием вольтметра XMM1 который подключается непосредственно к измеряемому термометру сопротивления.



Рисунок 10 - Математическая модель четырехпроводной схемы с источником тока



3. Проведение исследований с использованием математических моделей

Используя математические модели рассмотренные в пунктах 2.2 и 2.4, были произведены измерения температуры в диапазоне .

3.1 Измерение температуры с помощью мостовой схемы

Используя математическую модель мостовой схемы измерения рассмотренную в пункте 2.2, были произведены измерения температуры в диапазоне , полученные значения напряжений представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Измерение температуры с помощью мостовой схемы

Температура,	Сопротивление ТСП, Ом	Напряжение, мВ	Напряжение ус., мВ
0	100	32,775	330,35
10	103,9	48,207	486,446
20	107,79	63,852	641,063
30	111,67	79,17	794,217
40	115,54	94,344	945,928
50	119,4	109,375	1096

По полученным значениям были построены графики зависимости напряжения от температуры.



Рисунок - 11. График зависимости напряжения от температуры

Рисунок - 12. График зависимости усиленного напряжения от температуры

3.2 Измерение температуры с помощью схемы с источником тока

Используя математическую модель мостовой схемы измерения рассмотренную в пункте 2.4 были произведены измерения температуры, полученные значения представлены в таблице 2.

Таблица 2

Температура,	Сопротивление ТСП, Ом	Напряжение, мВ
0	100	109,2
10	103,9	113,5
20	107,79	117,8
30	111,67	122
40	115,54	126,2
50	119,4	130,4

По полученным значениям был построен график зависимости напряжения от температуры.

Рисунок - 13. График зависимости напряжения от температуры

3.3 Исследование влияния длины проводов на измеряемое значение сопротивления ТСП

При исследовании влияния длины проводников производились замеры значения сопротивления ТСП в отметке 40 .



3.3.1 Исследование влияния длины проводов в мостовой схеме

Рисунок 14 - Исследование влияния длины проводов. Двухпроводная схема

Рисунок 15 - Исследование влияния длины проводов.Трехпроводная схема



Для имитации сопротивления проводов в двухпроводную схему были включены резисторы R8, R9. В трехпроводной схеме добавлен резистор R10 для имитации длины третьего провода. Значения сопротивления данных резисторов изменялись в диапазоне от 1 до 10 Ом, и производились замеры напряжения на вольтметрах.

Полученные данные представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Влияние длины проводов при использовании мостовой схемы

Термосопротивление Rt	Сопротивление проводов	Напряжение для 2-х проводной схемы, U ,мВ	Напряжение для 3-х проводной схемы, U ,мВ
115,54	1	71,005	66,531
115,54	2	78,959	70,029
115,54	3	86,885	73,514
115,54	4	94,783	76,986
115,54	5	102,653	80,446
115,54	6	110,494	83,894
115,54	7	118,308	87,329
115,54	8	126,094	90,752
115,54	9	133,852	94,163
115,54	10	141,583	97,562

Из данных представленных в таблице 3 можно сделать заключение о том что сопротивление проводов которыми ТСП подключается к регистрирующему прибору либо усилителю оказывает значительное влияние на измеряемое значение сопротивления. Использование трехпроводной схемы позволяет снизить влияние сопротивления проводов на результаты измерений.



3.3.2 Исследование влияния длины проводов в схеме с источником тока

Рисунок 16 - Исследование влияния длины проводов. Четырехпроводная схема

Для имитации сопротивления проводов в данной схеме использованы резисторы R3 - R6, значения сопротивления которых изменялись от 1 до 10 Ом. Замеры падения напряжения на термосопротивлении производились по вольтметрам XMM1 и XMM2. Контроль значения силы тока в цепи производился по амперметру XMM3.

Значение силы тока в цепи равнялось 1,093 мА. Полученные значения занесены в таблицу 4.

Используя закон Ома, по формуле (3) были вычислены измеренные значения сопротивления.

(3)

Где R - рассчитываемое сопротивление;

U - измеренное значение падения напряжения на термоспротивлении;

I - сила тока в цепи равная 1,093 мА.

Рассчитанные значения сопротивления занесены в таблицу 4.

Таблица 4 - Влияние длины проводов при использовании схемы с источником тока

Сопр.ТСП (ГОСТ)	Сопротивление проводов	Напряжение 4-х проводной схемы, U ,мВ	Напряжение 2-х проводной схемы, U ,мВ	Измеренное сопротивление, Ом
				Для 4-х проводной схемы	для 2-х проводной схемы
115,54	1	126,27	128,45	115,52	117,52
115,54	2	126,27	130,64	115,52	119,53
115,54	3	126,27	132,83	115,52	121,53
115,54	4	126,27	135,01	115,52	123,52
115,54	5	126,27	137,20	115,52	125,52
115,54	6	126,27	139,38	115,52	127,52
115,54	7	126,27	141,57	115,52	129,52
115,54	8	126,27	143,76	115,52	131,52
115,54	9	126,27	145,94	115,52	133,52
115,54	10	126,27	148,27	115,52	135,66

Анализируя данные представленные в таблице 4 можно сделать вывод о том, что 4-х проводная схема подключения позволяет полностью устранить влияние длины проводников на результаты измерения, и таким образом уменьшить погрешность измерения. При использовании двухпроводной схемы появляется погрешность вызванная длиной проводов.

Значение погрешности варьируются от 2 до 20 Ом, в зависимости от сопротивления проводов. Однако применение двухпроводной схемы оправдано в случаях, когда точность измерений не принципиальна.



Заключение

Целью курсовой работы являлась разработка системы измерения температуры с использованием термометра сопротивления. Для достижения данной цели:

- Была разработана функциональная схема мостовой схемы подключения ТСП. Построены принципиальные схемы в среде Multisim двухпроводной и трехпроводной мостовых схем;

- Была разработана функциональная схема подключения ТСП с использованием источника тока. Построены принципиальные схемы в среде Multisim двухпроводной и четырехпроводной схем подключения ТСП;

- Используя построенные схемы было произведено измерение температуры в диапазоне 0-50 ;

- Проведено исследование влияния длины проводов которыми подключается ТСП на результат измерения. В ходе исследования было выявлено что четырехпроводная схема позволяет полностью устранить влияние длины проводов на результат измерения.

Размещено на Allbest.ru