Разработка систем управления на основе микропроцессора для охлаждения сжатого воздуха

постоянная времени определяется как время, необходимое для того, чтобы указываемая термистором  температура изменилась на 63,2 % от разности между его первоначальной температурой окружающей среды, в которую он помещен; при этом  предполагается, что  выводы термистора находятся в неподвижном  воздухе;

• стабильность - способность термистора  сохранять свои характеристики (0,03 °С/год в течение 12 лет);

        - самонагрев обусловлен рассеиванием  мощности (I² R) в термисторе, которая приводит к его нагреву выше температуры окружающей среды. Для некоторых применений желательно обеспечить работу термистора в режиме самонагрева, например, при измерении потока). Для предотвращения самонагрева следует выбирать режим с очень малым рабочим током.

Основным недостатком данного  метода измерения является нелинейность при преобразовании температуры  и меньшая меха

ническая надежность, и плохая взаимозаменяемость.

2.1.3. Термоэлектрические преобразователи температуры.

 

Измерение температуры с использованием термоэлектрических преобразователей основано на термоэлектрическом эффекте Зеебека: в замкнутой  цепи образованной двумя или более  разнородными проводниками возникает  постоянный электрически ток, если хотя бы два места соединения (спая) имеют  разную температуру.

 

рис. 2.2 Термоэлектрическая цепь из двух проводников

 

Цепь, состоящая  из двух разнородных проводников (рис.2.2) называется термоэлектрическим преобразователем ТЭП. Спай, имеющий температуру t называется рабочим, а второй имеющий температуру t_o называют холодным или свободным. Проводники А и В называют термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для двух различных металлов. В спае с температурой  t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем из В в А. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл. В отрицательно. При таком состоянии между термоэлектродами возникает некоторая разность потенциалов. При нагревании горячего спая, свободные электроны диффундируют из горячего спая в холодный с большей интенсивностью чем в обратном направлении. Горячий спай заряжается до тех пор, пока не наступит положение равновесного состояния, Следовательно, в цепи составленной из двух различных проводников А и В возникает четыре различных термоэдс на концах проводников. Учитывая оба фактора определяющих суммарную т.э.д.с. замкнутой цепи, состоящей из двух проводников А и В спаи которых нагреты до температур  t и t_o получим выражения.

 

TCEV (tto) = TFD(t) + TDF(to)

(2.5)

 

где  Е_АВ(t) и E_ВА(t_o) т.э.д.с. обусловленные контактной разностью потенциалов, возникшей из-за разности температур концов проводников А и В. Если температура спаев одинакова, то т.э.д.с. в цепи равна нулю, так как в обоих случаях возникают т.э.д.с. равные по величине и направленные навстречу одна другой при t = t_o имеем

 

ЕСУМ (to) = ЕАВ(to) + EВА(to) = 0

(2.6)

 

подставляя  последнее выражение в предыдущее получим.

ЕСУМ (tto) = ЕАВ(t) - EВА(to)

(2.7)

 

Из этого  выражения следует, что т.э.д.с. представляет собой сложную функцию двух переменных величин  t и t_o (температуру холодного и горячего спая). Поддерживая температуру одного из спаев постоянной получим при t_o = const

 

ЕСУМ (tto) = f (t)

(2.8)

 

Поскольку выходное напряжение термопары очень мало (микровольты), оно очень чувствительно к  помехам. Поэтому при использовании  термопары необходимо применять  различные способы подавления помех. Для улучшения “ качества “  сигнала термопары можно применять  активные аналоговые фильтра и технику  защитного экранирования.

Тепловая постоянная времени  зависит от конкретной компоновки измерительной  системы с точки зрения эффективности  теплопередачи и от характеристик  окружающей среды. Постоянная времени  для термопары примерно составляет (550 мс), и, как правило, чем меньше тепловой датчик, тем меньше его  постоянная времени, а увеличение постоянной времени наблюдается при увеличении диаметра провода и защитной оболочки.

 Промышленное применение термоэлектрических преобразователей

Любая пара разнородных проводников может  образовывать ТЭП, однако не всякая пара пригодна для практического применения. С учетом многих требований предъявляемых  современной измерительной техникой в практике применяется небольшое  количество материалов для изготовления термоэлектродов. Данные приведены  в табл. 2.1

                                  

                                                                                                         Таблица 2.1

Материал термоэлектродов	Обозначение градуировки	Верхний предел, t °C	Нижний предел, t° C
Платинородиевый (10 %) родия , 90 % платина)	ТПП	1600	-20
Платинородий ( 30 или 6 %  родия)	ТПР 30/6	1600	300
Хромель - алюмель	ТХА	1300	-50
Хромель - капель	ТХК	800	-50
Железо- капель	-	800	0
Медь- капель	-	600	-200

 

Конструктивное  оформление термоэлектрических преобразователей разнообразно и зависит главным  образом, от условий их применения. Как правило, рабочий спай промышленных ТЭП изготовляют сваркой. Независимо от конструкции преобразователь  должен удовлетворять следующим  требованиям:

1. Надежность изоляции термоэлектродов.

2. Защита термоэлектродов от механического повреждения и химического воздействия измеряемой среды.

3. Надежность подключения термоэлектрических проводов к ТЭП.

Провода, соединяющие ТЭП с измерительным  комплексом, должны быть изготовлены  из материалов, которые в паре между  собой развивают такую же термоЭДС, как и ТЭП к которому они  подключаются.

  К недостаткам данного метода следует отнести необходимость компенсации температуры холодного спая, применение специализированного термокомпенсирующего провода, применение фильтров для снижения паразитных шумов термопары.

Анализируя  всё вышеперечисленное, приходим к  выводу о необходимости применения резистивного датчика температуры  для измерения температуры, хладагента  так как  ТС имеют более узкий  температурный диапазон измерения, чем термоэлектропреобразователи  и более простую схему измерения  в сравнении с термисторами, при  этом, обеспечивая заданную точность измерения и надежную эксплуатацию

2.2. Анализ методов  измерения давления.

2.2.1. Классификация методов и средств измерения давления.

 

Приборы для  измерения давления классифицируются по принципу действия и по роду измеряемой величины. По принципу действия приборы  для измерения давления подразделяются на следующие:

жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого  давления давлением соответствующего столба жидкости

деформационные, измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов  или по развиваемой ими силе ;

грузопоршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень 

электрические, основанные или преобразовании давления в одну из электрических свойств  материала под воздействием давления.

По роду измеряемой величины приборы для  измерения давления делятся на:

манометры – приборы для измерения абсолютного  и избыточного давления

вакуумметры – приборы для измерения вакуума 

мановакуметры приборы для измерения избыточного  давления и вакуума 

дифференциальные  манометры – приборы для измерения  разности двух давлений, ни одно из которых  не является давлением окружающей среды

барометры – приборы для измерения давления атмосферного давления

напоромеры (микроманометры) – приборы для  измерения малых избыточных давлений

тягомеры (микроманометры) – приборы для  измерения малых разрежений

тягонапоромеры (микроманометры) – приборы для  измерения малых давлений и разрежений

Более подробно рассмотрим некоторые методы преобразования давления, как наиболее применимые при использовании в системах автоматизации.

2.2.2 Методы преобразования давления.

 

Датчик  давления состоит (рис.2.3) из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный.

 

рис.2.3 Блок-схема  преобразователя давления в электрический  сигнал.

 

Тензометрический  метод

В настоящее  время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис.2.4), принципом которых является измерение  деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния  на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой  мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов  используют металлические: медные, никелевые, железные и др.

Принцип действия тензопреобразователей основан  на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в  мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста  Уинстона.  Разбаланс линейно  зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

 

 

рис.2.4 Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного  элемента

 

Следует отметить принципиальное ограничение  КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные  эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью  конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая, преобразователь  на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с  учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам  можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия  любой агрессивной среды,

 налаженное  серийное производство, низкую стоимость.

 

Пьезорезистивный  метод

Кремниевые  преобразователи имеют на порядок  большую временную и температурную  стабильности по сравнению с приборами  на основе КНС-структур. Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД, рис.2.5) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный  на диэлектрическое основание с  использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

рис.2.5 Кремниевый интегральный преобразователь давления.

 

Основным  преимуществом пьезорезистивных датчиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС  преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию  ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после  снятия нагрузки он возвращается к  первоначальному состоянию, что  объясняется использованием идеально-упругого материала.

 

Емкостной метод

Емкостные преобразователи используют метод  изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между  обкладками. Известны керамические или  кремниевые емкостные первичные  преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой  металлической мембраны. При изменении  давления мембрана с электродом деформируется  и происходит изменение емкости.