Измерение температуры полимера в экструдере

5 Выбор и расчёт элементов измерительной цепи

Для платиновых термометров сопротивления сопротивление равно [5]:

R0 – сопротивление платины при 0 ºС.

                                                                             (5.1)

ρ – удельное сопротивление платины, Ом*м (1,5*10-6);

l – длина проволоки, м (1);

S – площадь поперечного сечения проволоки, м2 (0,15*10-8).

R0 = 100 Ом.

В диапазоне температур 20…300 ºС (293…573 К) возьмём 10 точек и найдём для них значение сопротивления RТ:

1)      T = 293 К (20 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*393-5,775*10-7*3932)= 101 Ом;

2)      T = 323 К (50 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*323-5,775*10-7*3232)= 103 Ом;

3)      T = 343 К (70 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*343-5,775*10-7*3432)= 105 Ом;

4)      T = 373 К (100 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*473-5,775*10-7*4732)= 107 Ом;

5)      T = 393 К (120 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*393-5,775*10-7*3932)= 108 Ом;

6)      T = 423 К (150 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*423-5,775*10-7*4232)= 110 Ом;

7)      T = 443 К (170 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*443-5,775*10-7*4432)= 111 Ом;

8)      T = 473 К (200 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*473-5,775*10-7*4732)= 113 Ом;

9)      T = 523 К (250 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*523-5,775*10-7*5232)= 114 Ом;

10)  T = 573 К (300 ºС):

RТ = 100*(1+3,9083*10-7*573-5,775*10-7*5732)= 118 Ом.

              На рисунке 15 представим схему измерения температуры экструдера.

Рисунок 15 - Схема измерения температуры экструдера

Ток в измерительной диагонали (при U = 5В):

                                                                         (5.2)

Возьмём R2 = R3 = R4 = 100 Ом.

Найдём по формуле (5.2) ток для разных значений температуры:

1)      Т = 20 ºС:

I = 11 мкА;

2)      T = 50 ºС:

I = 15 мкА;

3)      T = 70 ºС:

I = 19 мкА;

4)      T = 100 ºС:

I = 21 мкА;

5)      T = 120 ºС:

I = 25 мкА;

6)      T = 150 ºС:

I = 28 мкА.

7)      T = 170 ºС:

I = 32 мкА;

8)      T = 200 ºС:

I = 35 мкА.

9)      T = 250 ºС:

I = 42 мкА;

10)  T = 300 ºС:

I = 50 мкА.

              Получившийся выходной сигнал 11 – 50 мкА не является унифицированным.

Установим на выходе моста резистор R5 = 1 кОм в качестве нагрузки для усилительного каскада.

На рисунке 16 представим доработанную схему измерения температуры экструдера (с учётом операционного усилителя для получения сигнала до 5В).

Рисунок 16 – Доработанная схема измерения температуры экструдера

              Напряжение на входе усилителя:

                                                                      Uвх. = I*R                                                                                          (5.3)

                                                                      Uвх. = 50мкА*1кОм = 0,05В.

              На выходе усилителя необходимо получить Uвых. = 5В.

              Коэффициент усиления схемы:

                                                                      Kу = Uвых./Uвх.                                                                             (5.4)

                                                                      Kу = 5/0,05 = 100.

                                                                      Kу = R7/ R6                                                                                           (5.5)

              Возьмём R7 = 1МОм, R7 = 10кОм.

              Согласно заданию на проектирование необходимо измерять температуру расплава до 300°C с точностью 0,5%, что соответствует 1,5°C.

Рассчитаем разрядность АЦП по следующей формуле:

                                                                      N = log2 (Т/Δ),                                                                                (5.6)

где Т – измеряемая температура, °C (300);

Δ – точность измерения, °C (1,5).

N = log2 (300/1,5) = 7,7.

              Для обеспечения заданной точности необходимо выбрать АЦП с разрядностью  более 7,7. Выбор микроконтроллера, АЦП и других элементов схемы приведём в разделе 7.