Списоквикористаної літератури
Міністерство освіти і науки, молоді і спорту України
Національний університет «Львівська політехніка»
ІКТА
Кафедра метрології, стандартизації та сертифікації
Курсова робота з дисципліни
«Сенсори для випробувальних систем»
на тему:
«Проектування термоелектричногосенсора з параметричним корегуванням мультиплікативної похибки від неінформативного параметра (навколишня температура)»
Виконала:
ст.гр. МС – 31
Чикальська Н. Р.
Прийняв:
д. т. н., проф.
Ванько В. М.
Львів 2012
ВСТУП. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ (ТЕРМОПАРУ)
Термопари - термочутливий елемент у пристроях для вимірювання температури, системах управління та контролю. Складається з двох послідовно сполучених (спаяних) між собою різнорідних провідників або (рідше) напівпровідників. Якщо спаї знаходяться при різних температурах, то в ланцюзі термопари виникає електрорушійна сила (термоелектрорушійної сила), величина якої однозначно пов'язана з різницею температур "гарячого" і "холодного" контактів.
Принцип дії термопари
Принцип дії термоелектричних перетворювачів або термопар заснований на явищі термоелектричного ефекту, яке полягає в тому, що в ланцюзі з двох різних провідників (або напівпровідників), з'єднаних між собою кінцями при різниці температур сполук виникає ЕРС, так звана термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС). Такий ланцюг називається термоелектричним перетворювачем або термопарою. Провідники, складові термопари, називаються термоелектроди, а місця їх з'єднання спаями. Робочий кінець термопари, поміщений у вимірюване середовище, називають гарячим спаєм, а вільний (неробочий) - холодним. Один із термоелектродів називається термопозитивний, а другий - термонегативний. Термопозитивним називають той провідник, від якого термо-ЕРС тече в холодному спаї, а термонегативним - той провідник, до якого тече термо-ЕРС в тому ж холодному спаї.
|
|
|
При невеликому перепаді температур між спаями термо-ЕРС пропорційна різниці температур. Величина термо-ЕРС залежить тільки від природи провідників і від температури спаїв і не залежить від розподілу температур між спаями.
Якщо через ланцюг, що складається з двох різних провідників або напівпровідників, пропустити електричний струм, то в одному спаї виділяється тепло, а на іншому поглинається.
У різнорідних провідниках кількість вільних електронів на одиницю об'єму різна.
Застосування термопари у термоелектричних термометрах
Термоелектричними термометрами називають пристрої для вимірювання температури. Вони містять термоелектричний перетворювач, який підключається до електровимірювальні прилади.
|
|
|
Конструкція термоелектричних перетворювачів залежить від умов їх застосування:
- термоелектричні перетворювачі для контролю і виміру температури рідин і газів;
- термоелектричні перетворювачі для контролю і виміру температури твердих тіл.
Термоелектричні перетворювачі з'єднують зі вторинними приладами за допомогою термоелектричних проводів.
Вторинними приладами, що діють в комплекті з термоелектричними перетворювачами, є магнітоелектричні мілівольтметри і потенціометри. Робота магнітоелектричного мілівольтметра заснована на взаємодії рамки, утвореної провідником, по якому протікає струм, з полем постійного магніту.
Струм від термопари, протікаючи по провідниках рамки, створює обертаючий момент.
Потенциометричний або компенсаційний метод вимірювання полягає в зрівноважуванні вимірюваної ЕРС термопари відомим падінням напруги від постійного джерела струму, яке вимірюється з високою точністю. Потенціометри мають високу точність вимірювання, тому широко застосовуються в промисловості і в лабораторній практиці. Для промислового контролю і вимірювання застосовують автоматичні електронні потенціометри.
|
|
|
Загальна характеристика термопари
Принцип роботи термопари заснований на термоелектричному ефекті, який полягає в тому, що в замкнутому контурі, що складається з двох різнорідних провідників виникає термо-ЕРС(напруга), якщо місця спаїв провідників мають різні температури. Якщо узяти замкнутий контур, що складається з різнорідних провідників (термоелектродів), то на їх спаях виникне термо-ЕРСE(t) і E(t0), які залежать від температур цих спаїв t і t0. Оскількирозглянутітермо-ЕРСвиявляютьсявключенимизустрічно, то результуючатермо-ЕРС ,діюча в контурі, визначатиметься як E(t) - E(t0).
У разірівностітемпературиобохспаїврезультуючатермоЭРСдорівнюватиме нулю. На практиці один ізспаївзанурюється в термостат (як правило танучийлід) і відносноньоговизначаєтьсярізниця температур і температура іншого спаю. Спай, якийзанурюється в контрольованесередовище, називаютьробочимкінцемтермопари, а другий спай - вільним.
У будь-яких пар одноріднихпровідників величина результуючоїтермо-ЕРСне залежитьвідрозподілутемпературиуздовжпровідників, азалежитьтількивідприродипровідників і відтемпературиспаїв. Якщотермоелектричний контур розімкнути і включити в ньогорізнорідніпровідники, то за умови, щоусімісцяз'єднань, щоз'явилися при цьому, знаходяться при однаковійтемпературі, результуючатермо-ЕРСв контурі, не зміниться. Цеявищевикористовується длявимірувеличинитермо-ЕРСтермопари. Щовиникає в термопарах ЕРСневелика: вона менше 8 мВ на кожні 100°Сі як правило, не перевищуєза абсолютною величиною 70 мВ.
|
|
|
За допомогою термопар можнавимірюватитемператури вінтервалівід - 200 до 2200°С. Для виміру температур до 1100 °Свикористовуютьтермопариз неблагороднихметалів, для вимірутемператури в межах 1100 до 1600 °С - термопари з благороднихметалів, а такожсплавівплатиновоїгрупи. Для вимірущевищих температур служатьтермопари з жаростійкихсплавів на основі вольфраму.
Нинінайчастіш для виготовленнятермопар використовують платину, платиноридійовий, хромель, алюмель.
При вимірюванітемператури в широкомуінтервалінеобхідновраховуватинелінійністьфункціїперетвореннятермопари. Наприклад, функціяперетвореннямідь-константанових термопар для діапазонутемпературивід - 200 до 300°С з погрішністю, приблизно, ±2 мкВ описується формулою
E = At2 + Bt + C
де A, B і C - постійні, яківизначаються шляхом вимірутермо-ЕРС при трьох температурах, t - температура робочого спаю при °С.
Постійна часу (інерційність) термоелектричнихперетворювачівзалежитьвідконструкціїтермопари, якості теплового контакту робочого спаю термопари і досліджуваногооб'єкту. Для промислових термопарпостійна часу знаходиться на рівнідекількоххвилин. Протеіснують і малоінерційнітермопари, у якихпостійна часу лежитьв межах 5 - 20 секунд і навітьнижче.
Вимірювальнийприладпідключається до контура термопари у вільнийкінецьтермопари і в один з термоэлектродов.
Як зазначеновище, при вимірітемпературивільнікінцітермопариповиннізнаходитися при постійнійтемпературі. Якщодовжинисамоїтермопаринедостатньо, тощобвідвестицікінці в зону з постійною температурою, застосовуютьдроти, якіскладаються з двох жив, виготовлених з матеріалів (металів) тих, щомаютьоднаковітермоелектричнівластивості з електродами термометра.
Для термопар з неблагороднихметалівподовжуючідротивиготовляютьсянайчастіше з тих же матеріалів, що і основнітермоелектроди. Для термопар з благороднихметалівподовжуючідротивиконуються з інших (не дорогих) матеріалів, щорозвивають в паріміж собою в інтервалі температур 0 - 150°С ту ж термо-ЕРС, щоі електродитермопари. Наприклад, для термопари платина - платинородийподовжувальнітермоэлектродыроблять з міді і спеціального сплаву, якіутворюють термопару, ідентичну по термо-ЕРС термопарі платина-платинородий в інтервалі 0 - 150 °С. Для термопари хромель - алюмель подовжувальнітермоэлектродывиготовляють з міді і константана, а для термопари хромель - копельподовжувальнимиможуть бути основнітермоэлектроды, виконані у виглядігнучкихдротів. Якщо неправильно підключитиподовжувальнітермоэлектроды, то можевиникатиістотнапогрішність.
У лабораторнихумовах температура вільногокінцятермопарипідтримуєтьсярівною 0 °С шляхом приміщенняйого в посудину. Дьюара, наповненустовченимльодом з водою. У промисловихумовахтемпература вільнихкінцівтермопаризазвичайвідрізняєтьсявід 0 °С і як правило дорівнюєкімнатнійтемпературі(температурі в приміщенні). Оскількиградуювання термопар здійснюється при температурівільнихкінців 0°С і таблиціградуюванняприводятьсявідносно 0 °С, тоцявідмінністьможе стати джереломістотноїпогрішності; длязменшеннявказаноїпогрішності, як правило, вводять поправку у свідченнятермометра. При виборі поправки враховуються як температура вільнихкінцівтермопари, так і значеннявимірюваноїтемператури (цепов'язано з тим, щофункціяперетвореннятермопаринелінійна); цеутрудняєточнукорекціюпогрішності.
На практиці для усуненняпогрішності широко застосовуєтьсяавтоматичнийвступ поправки на температуру вільнихкінцівтермопари.
Для цього в ланцюгтермопари і мілівольтметравключаєтьсяміст, одним з плечейякого є мідний терморезистор, а іншіплечібразованы манганиновыми терморезисторами. При температурівільнихкінцівтермопари, рівної 0°С, містзнаходиться в рівновазі; при відхиленнітемпературивільнихкінцівтермопаривід 0°Снапруга на виході моста не дорівнює нулю і складається з термо-ЕРСтермопари, при цьомувносячи поправку до показаньприладу (значенняпоправкиможнарегулюватиспеціальнимрезистором). Внаслідокнелінійностіфункціїперетвореннятермопариповноїкомпенсаціїпогрішності не вдаєтьсядобитися, але вказанапогрішністьістотнозменшується.
На практиці при використаннітермопаринайчастішезастосовуютьсянаступнісхеми (залежновіднеобхідноїточності) :
А) схема, при якійвільнийкінецьзнаходиться при постійнійтемпературі (танучийлід). термо-ЕРСутворюється за рахунокрізниці температур робочого і вільногоспаїв.
В) в ційсхемі температура вільногокінця, можнавважати, дорівнюєтемпературіприміщення і відноснонеїрозраховується (коригується) температура в областіробочого спаю. В цьомувипадкутермо-ЕРС в термопаріутворюється за рахунокрізниці температур робочого спаю і температуриприміщення.
Для вимірутермо-ЕРСвикористовуютьвольтметри з високоомним входом абоіншого типу гальванометри.
Для визначеннятемпературивикористовуютьградуювальнітаблиці, якіпобудовані для умови, щовільнийкінецьтермопаризнаходиться при нуліградусівЦельсія.
Виготовлення термопар
Показитермопариправильні, якщовиконуютьсятакіумови: в неізотермічних областях електродиповинні бути однорідними; там де однорідністьнеможлива, неабхіднаізотермічність. При вимірюваннітемпературиоб’єктівпіднапругою, в якихзнаходятьсявеликіградієнти і швидкостізмінитемператури, важливу роль відіграємісцез’єднання (спаю) термопар. Спай повинен задовольняти таким вимогам: мативисокумеханічнуміцність:
1) місце спаю не повинне бути меншміцним, ніжматеріалтермоелектродів;
2) мативисокухімічнустійкість: в агресивнихсередовищах спай не повинен піддаватисякорозіїшвидше, ніжматеріалтермоелектродів;
3) матинизькийомічнийопір;
4) зона неоднорідності у місці спаю повинна бути мінімальною;
5) переліченівищевимогиповиннівиконуватись у всьомудіапазонівимірюваних температур, для якогопроектувалася термопара.
РОЗРАХУНКОВА РОБОТА
Завдання1
Розрахувати схему температурної параметричної компенсації від впливу оточуючої температури реального термоанемометричного чутливого елемента лічильника газу, якщо за даними експериментальних досліджень мультиплікативне зменшення вихідного сигналу чутливого елемента становить -0,8 % на кожних 20° С зростання оточуючої температури, а значення вихідного сигналу чутливого елемента при 20° С оточуючої температури становить Uc=10,10 мВ при постійному значенні внутрішнього опору Ro=15 Ом.
Розв’язування
1. Визначимо коефіцієнт мультиплікативного зменшення вихідного сигналу чутливого елемента при збільшенні оточуючої температури на 1° С за формулою:
, (1)
де р=0,0006.
Отримаємо: п=0,9994. Мультиплікативного зменшення вихідного сигналу чутливого елемента при збільшенні оточуючої температури покажемо на графіку, рис. 1.
 |
Рис. 1. − Залежність вихідного сигналу від вимірюваного параметра Х при збільшенні оточуючої температури на 1°С
2. Вибираємо таку схему спряження з чутливим елементом, яка забезпечувала б збільшення вихідного сигналу в 1/n раз. Оскільки умовою задачі задана параметрична компенсація, використаємо температуро залежний шунт з додатнім температурним коефіцієнтом опору. Схема спряження приведена на рис. 2.
 |
Рис. 2. − Схема спряження і температурної параметричної компенсації від впливу оточуючої температури для термоанемометричного чутливого елемента
3. Для приведеної схеми можна записати, що:
(2)
З виразу (2) видно, що для компенсації зменшення Uc в п раз, небхідно в n раз зменшити знаменник даного виразу. Тобто, з:
(3)
отримаємо рівняння:
, (4)
Підставивши значення шунтуючого опору при двох заданих оточуючих температурах t=21°Cі t=20°C:
,
; (5)
де Rt0 - значення шунтуючого опору приt=0°C, рішаючи рівняння (4), знайдемо:
, (6)
Вибравши матеріал мідного шунта з температурним коефіцієнтом опору a=0.00427 1/° С, отримаємо за формулою (6):
(Ом) .
Знаходимо значення опору шунта при оточуючій температурі 20° С:
(Ом);
Вибираємо значення шунта з огляду його технологічності Rt=20=97Ом.
4. Зробимо оцінку ефективності рекомендованої температурної компенсації. Для цього порівняємо температурну похибку, що мала місце до компенсації і після неї.
Значення опору шунта при оточуючій температурі 40° С становитиме:
(Ом).
За формулою (2) знайдемо значення сигналів чутливого елемента при двох заданих оточуючих температурах t=20°Cі t=40°C:
(мВ);
(мВ).
Похибку знайдемо за формулою:
; (7)
Тобто:
.
5. Висновки:
1. До компенсації температурна похибка становила 1% на кожних 10° С зростання оточуючої температури, а після параметричної компенсація похибка зменшилась більше, ніж на порядок.
2. Наявність знака "мінус" наголошує на недокомпенсація приведеної схеми спряження. Номінальна статична характеристика чутливого елемента зі зростанням оточуючої температури буде зменшувати своє значення. Новоутворені номінальні статичні характеристики займатимуть положення кривих А, приведених на рис.1.
3. Недоліком приведеної схеми є зменшення чутливості чутливого елемента на 15 % ((10,10-8,75)/10,10).
Завдання 2
Зберігаючи дані попередньої задачі і враховуючи недоліки параметричної компенсації, розрахувати схему температурної структурної компенсації від впливу оточуючої температури реального термоанемометричного чутливого елемента.
Розв’язування
1.Визначимо коефіцієнт мультиплікативного зменшення вихідного сигналу чутливого елемента при збільшенні оточуючої температури на 10° С за формулою:
, (8)
де р=0,006.
Отримаємо: п=0,994.
2. Знайдемо значення сигналу при 40° С як
(мВ), (9)
3. Вибираємо структурний метод компенсації з метою збільшеня отриманого в п.2 сигналу в 1/nразів. Схема спряження приведена на рис. 3.
 |
Рис. 3. − Схема спряження і температурної структурної компенсації від впливу оточуючої температури для термоанемометричногочутливного елемента
4. Вихідний сигнал схеми спряження визначатиметься за формулою:
, (10)
де Rt - температуро залежний резистор з додатнім температурним коефіцієнтом опору. Як видно з формули (10), зменшення Ucпри зростанні температури буде компенсуватись ростом опору зворотного зв"язку(Rt+R2)операційного підсилювача.
5. Для вибору температурного коефіцієнта a для опору зворотного зв"язку(Rt+R2) спочатку розглянемо варіант схеми при відсутньому R2. Тоді з виразів (9) і (10) з огляду на (5) можна записати, що:
(11)
Рішаючи рівняння відносно a, отримаємо:
, (12)
Підставивши числові значення, знаходимо небхідний додатній температурний коефіцієнт опору a:
(1/° С) < 0,00427 (1/° С).
Оскількиотриманийнебхідний додатній температурний коефіцієнт опору a є значно меншим, ніж температурний коефіцієнт мідного опору, тойого чутливість повинна бути зменшена при допомозі резистора R2.
6. Використовуючи схему спряження в приведеному на рис. 3 вигляді, вираз (11) буде представлений як:
, (13)
Рішаючи рівняння (13) відносно R2, отримаємо:
, (14)
Вибираємо значення Rt0 - температуро залежного резистора з додатнім температурним коефіцієнтом опору з огляду його технологічності за аналогією попередньої задачі : Rt=20=97,000Ом. Значення температуро залежного резистора при оточуючій температурі 40° С становитиме:
(Ом).
Підставивши числові значення у формулу (14), отримаємо:
(Ом).
Даний резистор повинен бути прецизійним. Тому вибираємо на підставі довідникових даних R2=1178Ом, як: С2-29В-0,125-1178 Ом.
7. Наступні елементи схеми спряження розраховуємо з огляду рівності сигналів:
(мВ),
що досягається при:
, (15)
Тобто, з виразу (15) знаходимо значення резистора R1 , що разом з іншими резисторами задає коефіцієнт перетворення схеми спряження:
(Ом).
Даний резистор теж повинен бути прецизійним. Тому вибираємо на підставі довідникових даних R1=1275Ом, як: С2-29В-0,125-1275 Ом.
8. В якості операційного підсилювача вибираємо мікросхему з малим температурним дрейфом, наприклад, КР 140 УД17.
9. Зробимо оцінку ефективності рекомендованої температурної компенсації. Для цього порівняємо температурну похибку, що мала місце до компенсації і після неї.
Вихідний сигнал схеми спряження визначатиметься за формулою (10). За цією формулою знайдемо значення сигналів на виході схеми спряження при двох заданих оточуючих температурах t=20°Cі t=40°C:
(мВ);
(мВ);
Похибку знайдемо за формулою (7):
.
Незначна температурна недокомпенсація може бути ще зменшена шляхом підвищення чутливості схеми, тобто достатньо незначно зменшити R2 . Наприклад, при R2=1170Ом, як: С2-29В-0,125-1170 Ом матимемо 
(Ом);
(мВ);
,
що відповідатиме перекомпенсації такого ж самого рівня. Тому рекомендується вибрати: R2=1177 Ом іR1=1274 Ом.
10. Висновки:
1. В результаті запропонованої структурної компенсації температурна похибка, яка становила -0,8 % на кожних 20° С зростання оточуючої температури, зменшилась до значень, які не перевищують ±0,07% .
2. Номінальна статична характеристика чутливого елемента разом з схемою спряження зі зростанням оточуючої температури не повинна змінювати своїх значень. Новоутворені номінальні статичні характеристики займатимуть положення номінальних статичних характеристик чутливого елемента.
3. Недоліком приведеної схеми є зменшення її надійності, що викликано ускладненням схеми спряження.
Завдання 3
Розрахувати параметричну компенсацію від впливу атмосферного тиску на реальний тензорезистивний чутливий елемент сенсора температури, номінальна статична характеристика (НСХ при тискові р=760 мм рт. ст.) якого визначається за формулою 
, якщо за даними експериментальних досліджень отримали наступні значення вихідного сигналу при тискові р=780 мм рт.ст.:
T, 
| 1000 | 1200 | 1400 | 1600 | 1800 | 2000 |
| Uс, мВ | 0,163 | 0,725 | 2,320 | 5,970 | 12,650 | 24,200 |
Розв’язування
1.Знайдемо значення НСХ 
за заданою в умові задачі формулою; знайдемо похибки на виході чутливого елемента як:
, (1')
оцінемо чутливість як:
, (2')
та знайдемо похибки, приведені до входу чутливого елемента як:
, (3')
Ті та інші розрахункові дані записуватимемо в табл. 1.
Таблиця 1
| T,
| 1000 | 1200 | 1400 | 1600 | 1800 | 2000 | |||||
| Uc, мВ | 0,163 | 0,725 | 2,320 | 5,970 | 12,650 | 24,200 | |||||
| , мВ
| 0,2 | -4,6 | -9,4 | -14,2 | -19 | -23,8 | |||||
мВ
| -0,037 | 5,325 | 11,72 | 20,17 | 31,65 | 48 | |||||
 мВ/
| 40 | 48 | 56 | 64 | 72 | 80 | |||||
| DT,
| -0,0009 | 0,111 | 0,209 | 0,315 | 0,44 | 0,6 | |||||
(  )сер, мВ
| 19,471 | ||||||||||
 , мВ
| 0,123 | 0,685 | 2,280 | 5,930 | 12,610 | 24,160 | |||||
 , мВ
| -0,04 | -0,04 | -0,04 | -0,04 | -0,04 | -0,04 | |||||
 ,
| -0,001 | -0,0008 | -0,0007 | -0,0006 | -0,0006 | -0,0005 | |||||
2.Визначимо характер зміни вихідного сигналу чутливого елемента при дії атмосферного тиску шляхом рішення системи рівнянь:
, (4')
, (5')
де 
і 
- значення вихідних сигналів НСХ чутливого елемента в точках відповідно T1 і T2 (при тискові р=760 мм рт. ст.);
і 
- значення вихідних сигналів чутливого елемента в точках відповідно T1 і T2 (при тискові р=780 мм рт. ст.);
kі Uc0 - відповідно мультиплікативна та адитивна корекції.
Для визначення числових значень корекцій виберемо дві характерні тачки НСХ, наприклад: T1=1000 і T2=2000 . За приведеним зразком складемо систему рівнянь:
, (6')
, (7')
Рішаючи систему рівнянь відносно шуканих корекцій, знаходимо:
k=-0,024;
Uc0=24,2 мВ
Оскільки коефіцієнт мультиплікативної корекції є близьким до 1, то в даному випадку обмежуємось тільки адитивною корекцією. Останню порівняємо з середнім значенням похибки на виході чутливого елемента, яка приведена в табл.1. Це значення з протилежним знаком використаємо в якості поправки при адитивній корекції.
3.Подамо геометричну інтерпретацію НСХ та її зміну під дією впливаючого тиску, рис. 4.
Рис. 4. Залежність вихідного сигналу від вимірюваного параметра T
під дією впливаючого тиску.
4.Вибираємо одну з можливих схем адитивної корекції, рис. 5.Для адитивної корекції вибрана мостова схема, де в одному з плечей використаний тензорезисторRp, чутливий до впливу атмосферного тиску.
Рис. 5. Схема спряження і параметричної компенсації від впливу атмосферного тиску на чутливний елемент давача температури.
5. Напруга на виході мостової схеми виражатиметься як:
, (8')
Зміну цієї напруги під впливом атмосферного тиску знайдемо шляхом диференцювання виразу (8'). Отримаємо:
, (9')
Вказане значення цієї зміни, сумуючись з вихідним сигналом, повинно забезпечувати компенсацію від впливу атмосферного тиску. Знак цієї поправки повинен бути від'ємним, тобто сигнал на виході схеми спряження матиме вигляд::
, (10')
6. Вибиремо значення резисторів мостової схеми: R1=R2=R3=10 Ом, а тензорезистор, що виражається формулою:
, (11')
для якого Rh=760=10 Ом при b=0,02 1/мм рт.ст.
Використовуючи формули (9') і (11'), знаходимо напругу живлення мостової схеми:
, (12')
При р=780 мм рт.ст. для повної компенсації впливу тиску необхідною умовою є рівність:
, (13')
В результаті отримаємо:
(мВ) 7. Установивши Е=0,58 мВ, за формулою (10') знаходимо, що: 
(мВ)
Отримані результати записуємо в табл.1. Похибки від неповної компенсації знаходимо за формулою (3').
8. Побудуємо новоутворену залежність вихідного сигналу при зміні атмосферного тиску, див. рис.4.
9. Висновок: В результаті запропонованої компенсації найбільша похибка, яка становила -0,001 при зростанні атмосферного тиску на 20 ммрт.ст., зменшилась до
-0,0005 , тобто в 2 разів.
Завдання 4
Досліджено, що на чутливий елемент давача інтенсивності випромінювання (термобатареї) впливають два фактори: оточуюча температура та вологість середовища, в якому перебуває чутливий елемент. Подати схему параметричної компенсації від впливу цих факторів та результуючий вихідний сигнал схеми спряження, якщо за даними експериментальних досліджень мультиплікативне зменшення вихідного сигналу чутливого елемента під дією температури становить -0,8 % на кожних 20° С зростання оточуючої температури при адитивному температурному збільшенні значення вихідного сигналу на 80 мкВ та при адитивному зменшенні вихідного сигналу на 35 мкВ під незалежною дією зростання вологості на кожних 20 %.
Розв’язування
1. Мультиплікативне зменшення вихідного сигналу чутливого елемента давача випромінювання (від НСХ - крива 1) при збільшенні оточуючої температури покажемо на графіку у вигляді кривої 2, рис. 6. При адитивному температурному збільшенні значення вихідного сигналу на 80 мкВ матимемо криву 3. При адитивному зменшенні вихідного сигналу на 35 мкВ під незалежною дією зростання вологості на кожних 20 % отримаємо криву 4, що являється результуючою кривою.
 |
Рис. 6. - Залежність вихідного сигналу від вимірюваного параметра Х чутливого елемента давача випромінювання при сукупній незалежній дії оточуючої температури та вологості
2. Вибираємо таку схему спряження з чутливим елементом, яка забезпечувала б послідовну зворотну дію вказаних впливаючих факторів на вихідний сигнал. Схема спряження з параметричною компенсацією приведена на рис. 7.
Рис. 7. - Схема спряження і параметричної компенсації від впливу оточуючої температури та вологості чутливного елемента давача випромінювання
3. Для приведеної схеми спряження вихідний сигнал може бути поданий у вигляді наступної формули:
, (14)
4. Для знаходження елементів схеми спряження та похибок від неповної компенсації використовуватимемо послідовність рішення попередніх задач.
5. Опір на виході мостової схеми виражатиметься як:
(15)
Зміну цього опору під впливом атмосферного тиску знайдемо шляхом диференціювання виразу (15). Отримаємо:
(16)
Підставивши числові значення у формулу (14), отримаємо:
Завдання 5
Для проведення повірки робочого електронного динамометра на діапазон вимірювання (1000-2000)°С використовується робочий чутливий елемент РК-15А, однотипний зі зразковим чутливим елементом РК-20А на діапазон вимірювання (1500-2500) °С. При заданих їх номінальних статичних характеристиках (НСХ) і допустимій похибці 0,8 % знайти розрахункову НСХ робочого чутливого елемента РК-15А методом екстраполяції до 2000 °С. НСХ приведені у вигляді таблиці:
| Т, °С | 1000 | 1300 | 1500 | 1700 | 1800 | 2000 | 2200 | 2400 | 2500 |
| UРК-15А, мВ | 0,662 | 1,374 | 3,300 | 8,450 | 12,320 | 23,50 | |||
| UРК-20А, мВ | 0,7681 | 1,2643 | 1,955 | 2,3831 | 7,540 | 13,781 | 20,780 |
Розв’язування
1. Подамо на графіках задані НСХ, рис. 8:
 |
Рис. 8. Залежність вихідного сигналу чутливого елемента
електронного динамометра від вимірюваного тиску
2. Вибираємо найдостовірніші точки в діапазоні перекриття для заданих НСХ. Нехай такими точками будуть наступні точки: T1=1500 °С і T2=2000 °С. Визначимо характер зміни вихідного сигналу робочого чутливого елемента PК-15A, використовуючи адитивну і мультиплікативну корекцію зразкового чутливого елемента PК-20A шляхом рішення системи рівнянь:
, (15)
, (16)
Рішаючи систему рівнянь відносно шуканих корекцій, знаходимо:
k=3,804;
Uc0=0,578 мВ
3. Розрахункову НСХ робочого чутливого елемента PК-15A знаходимо методом її екстраполяції до високих значень тисків за формулою:
,(мВ) (17)
Чутливість S визначаємо за НСХ для кожної з точок, в яких знаходиться похибка апроксимації:
, (18)
Відхилення апроксимованих значень від НСХ визначається як:
, (19)
Абсолютна похибка апроксимації визначається в кожній точці як DT=DU/S, а відносна як d=[(DU/S)/T]´100%.
4. Отримані результати занесемо в табл.2.
Таблиця 2
| Т, °С | 1000 | 1300 | 1500 | 1700 | 1800 | 2000 | 2200 | 2400 | 2500 |
| UРК-15А, мВ | 0,662 | 1,374 | 3,300 | 8,450 | 12,320 | 23,50 | |||
| UPК-15A,апр мВ | 28,68 | 52,42 | 79,05 | ||||||
| UPК-15A,пер мВ | 3,301 | 8,651 | 12,268 | 23,50 | |||||
| DU, мВ | 0,001 | 0,201 | -0,052 | 0 | |||||
| S, мВ/°С | 0,020 | 0,036 | 0,045 | 0,056 | |||||
| DT, °С | 0,05 | 5,58 | -1,16 | 0 | |||||
| d, % | 0,003 | 0,328 | -0,064 | 0 |
5. Висновок: В результаті проведеної екстраполяції до високих значень вимірювання тиску найбільша похибка при адитивній і мультиплікативній корекції не перевищувала 0,3 %.
Висновок
Виконавши курсову роботу з дисципліни «Чутливі елементи і схеми уніфікації» я набула знання теорії і практики використання чутливих елементів і схем уніфікації при вимірюванні, контролі і технічній діагностиці з метою застосування набутих знань при інженерній практиці в різних галузях промисловості, науки і техніки, в медицині, побуті.
Списоквикористаної літератури
1. Методичні вказівки до лабораторної роботи №21: "Дослідження давачів тиску методом статичного навантаження". - ДУ ЛП, 1999, 10 с.
2. Методичні вказівки до лабораторної роботи №22: "Дослідження фотоелектричних сенсорів та вимірювальних перетворювачів на їх основі".- ДУ ЛП, 1999, 12 с.
3. Методичні вказівки до лабораторної роботи №24: "Дослідження номінальних статичних характеристик термопар, терморезистивних сенсорів і пірометричних перетворювачів за допомогою зразкового цифрового термометра". - ДУ ЛП, 1999, 11 с.
4. Методичні вказівки до лабораторної роботи № 26: "Дослідження оптичних сенсорів з метою адекватної заміни людського ока у візуальних засобах вимірювання". - ДУ ЛП, 1999, 12 с.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 176; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!