Исследование датчиков и регуляторов температуры

метки: Температура, Датчик, Термометр, Термопара, Установка, Человек, Оборудование, Зависимость

1. Справочник по электроснабжению оборудованию: в 2т. Т1 Электроснабжение / Под общ. редакцией Федорова А.А. М.: Энергопромиздат, 1987

2. Справочник по электроснабжению оборудованию: в 2т. Т2 Электрооборудование / Под общ. редакцией Федорова А.А. М.: Энергопромиздат, 1987

3. Федоров А.А., Старкова Л.Е. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987

4. Каганов И.Л. Курсовое и дипломное проектирование. М.: Колос, 1990

5. Правила устройства электроустановок Республики Казахстан, 2003 г.

6. Ткаченко В.В. Методические указания к выполнению, оформлению и защите дипломных проектов (работ) по специальности 5В071800 (050718) — Электроэнергетика.- Костанай: КГУ им. А.Байтурсынова, 2010. 38 с.

График консультаций по работе (проекту)

Раздел	Сроки	Ф.И.О. консультанта	Подпись
Основная часть		Чумаченко С.В.
Датчиков температура		Чумаченко С.В.
Охрана труда		Чумаченко С.В.
Смета на затраты		Чумаченко С.В.

График подготовки дипломной работы (проекта)

№ п/п	Наименование разделов, перечень разрабатываемых вопросов	Сроки представления научному руководителю	Примечание
1	Подбор литературы, ее изучение и обработка. Составление плана дипломной работы	25.02.14
2	Разработка и представление на проверку краткой характеристики установки	29.02.14
3	Разработка и представление на проверку раздела «Выбор оборудования для лабораторной установки»	15.03.14
4	Разработка и представление на проверку раздела «Выбор автоматического модульного выключателя»	29.03.14
5	Разработка и представление на проверку раздела «Основные технические параметры стенда»	03.04.14
6	Разработка и представление на проверку раздела «Охрана труда»	10.04.14
8	Разработка и представление на проверку раздела «Средство защиты лабораторной установки»	15.04.14
9	Оформление дипломного проекта. Разработка тезисов доклада для защиты	22.04.14
10	Предзащита дипломного проекта	28.04.14

№ стр	Формат	Обозначение	Наименование	Кол	Примечание
1
2			Документация
3
4	А4	ЭЭиФ.ЭА.057.00.000.ПЗ	Пояснительная записка	60
5	А3	ЭЭиФ.ЭА.057.00.000.Э7	Классификация датчиков температуры	1
6
7	А3	ЭЭиФ.ЭА.057.00.000.Э7	Внешний вид лабораторной установки	1
8
9	А3	ЭЭиФ.ЭА.057.00.000.Э7	Блок-схема подключение приборов	1
10
11	А3	ЭЭиФ.ЭА.057.00.000.Э3	График погрешностей датчиков
12				1
13	А3	ЭЭиФ.ЭА.057.00.000.Э3	Сравнение показаний двух термостатов
					ЭЭиФ.ЭА.057.00.000. ПЗ
Изм.	Лист	№документа	подпись	дата
Разраб.	Копчинский М.В				Литера	Лист	Листов
Руковод.	Чумаченко С.В.				У	Д	П	1	1
Конс.					КГУ ИТФ гр.10-101-31
Н.контр	Чумаченко С.В.
Зав.каф	Кошкин И.В.

РЕФЕРАТ

Дипломный проект на тему «Исследование датчиков и регуляторов температуры» содержит пояснительную записку, состоящую из: страниц 60, таблиц 6, рисунков 11, чертежей 5.

Ключевые слова: датчик, температура, регулятор, напряжение, ток, защита.

Данный дипломный проект, при исследовании датчиков и регуляторов температуры, рассматриваются следующие задачи: выбора оборудования для лабораторной установки, выбора автоматического выключателя для отключения сети при коротком замыкании, различный принцип действия датчиков и регуляторов температуры, основные технические характеристики м параметры стенда, средства защиты электроустановок (для безопасности работы в лабораторных условиях), охрана окружающей среды (так же для лабораторной установки), применения термодатчиков и их регуляторов в окружающем мире и экономическое обоснование дипломного проекта.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общие сведения

2. Виды датчиков температуры

2.1 Полупродниковые

2.2 Термоэлектрические (термопары)

2.3 Пирометры

2.4 Акустические

2.5 Пьезоэлектрические

3. Выбор оборудования для расчетов лабораторной установки

3.1 Термостат

3.2 Жидкостный термометр

3.3 Термопара в мультиметре

4. Выбор автоматического модульного выключателя

5. Принцип действия измеряемых датчиков

5.1 Жидкостный термометр

5.2 Термопара

5.3 Капиллярный термостат

6. Основные технические характеристики параметра стенда

7. Вычисление погрешностей и определение пригодности приборов к эксплуатации

8. Лабораторная установка

8.1 Ход работы

8.2 Производство опыта

8.3 Опыт первый

8.4 Опыт второй

9. Средства защиты электроустановок

10. Охрана труда

11. Применение датчиков в быту

11.1 Применение термопары

11.2 Применение термометра

11.3 Применение термостата

12. Смета расходов на изготовление лабораторной установки

Заключение

Список используемой литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/diplomnaya/datchiki-temperaturyi/

ВВЕДЕНИЕ

Ведение химико-технологического процесса человеком в последнее время становится нецелесообразным, так как само присутствие человека при ведении технологического процесса становится потенциально опасным из-за несовершенства органов чувств человека, что может привести к авариям на производстве. Это объясняет тенденцию сокращения производственного персонала и замены его высокоточными техническими автоматическими системами управления технологическими процессами (АСУТП).

Основой каждой такой АСУТП является система автоматического контроля, позволяющая получать точную и достоверную информацию о режимных параметрах процессов, параметров обрабатываемых продуктов и общей динамике процесса. Качеством работы системы автоматического контроля во многом определяется эффективность работы всей АСУ.

При контроле химико-технологического процесса (ХТП) измеряется очень много параметров (расход, давление, уровень, влажность и т.д.), но чаще других измеряется температура. Это объясняется тем, что по значению данного параметра можно судить о правильности протекания ХТП на всех его участках и стадиях. Температура является основным параметром технологического процесса. По ее данным судят как о качестве прохождения самого процесса, так и о его критических значениях.

Так как контроль состояния ХТП чаще всего проходит дистанционно, на некотором отдалении от местоположения технологической установки (в операторной), то в большинстве случаев для контроля состояния ХТП используются датчики с электрическим выходным сигналом.

Выше перечисленные факторы сформировали задачу данного методического пособия как рассмотрение принципов действия датчиков температуры и ознакомление с методикой их поверки.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Температура — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача(переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана) и распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла); степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха); спектральную плотность излучения (см. Формула Планка); полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы. В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура используется в качестве одной из семи основных физических величин, входящих в Международную систему величин, а её единицей является кельвин, представляющий собой, соответственно, одну из семи основных единиц СИ. Кроме термодинамической температуры в СИ используется температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия, входящий в состав производных единиц СИ, имеющих специальные наименования и обозначения, и по размеру равный кельвину. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0°C) и температуре кипения (100°C).

Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100°C, а близка к 99,975°C.

Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.

Более строгие определения температуры, даваемые ей в различных разделах физики.

Интуитивно понятие температура появилось как мера градации наших ощущений тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр, служащий для количественного описания степени нагретости материального объекта. Температура является важным параметром многих технологических процессов. Любой процесс нагревания или охлаждения тела можно разделить на три стадии:

1. Стадия неупорядоченного (дорегулярного) режима.

2. Стадия регулярного режима.

3. Стадия теплового равновесия.

При изменении температуры тела наступает такой момент, начиная с которого это изменение не зависит во времени от начального распределения температур в теле. Начиная с этого момента, наступает так называемый регулярный режим изменения температуры. До этого момента имеет место дорегулярный режим, зависящий от начального распределения температур тела. Первая стадия (дорегулярный режим) протекает практически весьма быстро. Продолжительность этой стадии значительно меньше продолжительности регулярного режима. Стадия теплового равновесия наступает теоретически через бесконечное время, а практически — через конечный достаточно большой промежуток времени. Таким образом, основное время процесса изменения температуры тела занимает регулярный режим.

Термическая инерция термометра заключается в том, что при перенесении термометра из среды с одной температурой в среду с другой температурой, он не мгновенно приобретает температуру второй среды, а асимптотически приближается к ней. Если температура среды изменяется с течением времени, то в связи с термической инерцией показания термометра будут отличаться от действительной температуры среды на большую или меньшую величину в зависимости от скорости изменения температуры среды, от её свойств и от свойств самого термометра.

Разность температур среды tс. и термометра tп, возникшая вследствие мгновенного изменения температуры среды, изменяется во времени при наступлении регулярного режима по зависимости:

(1)

где: — постоянная времени термометра, не зависящая ни от времени, ни от температуры среды

• текущее значение времени

С-постоянная, зависящая от формы, размеров и свойств материала термометра.

Дифференцируя это выражение по времени, получаем:

(2)

Или

(3)

Решив это уравнение для случая, когда температура среды tс постоянна, а термометр переносится из среды с другой температурой, имеем:

(4)

где: — разовое, скачкообразное изменение температуры термометра.

Относительная погрешность изменения температуры, обусловленная инерцией термометра сопротивления, равна:

(5)

Зная , можно вычислить относительную погрешность измерения температуры для любого момента времени .

В государственных стандартах на технические термометры сопротивления оценка тепловой инерции осуществляется по времени, в течение которого термометр нагреется или охладится на 63С, при начальном температурном перепаде в 100С. Это время и считается постоянной времени термометра.

Температуру термометра можно определить с учётом формул 1 и 4 как:

(6)

где: t _c — температура среды после мгновенного скачка температуры .

Из приведённой зависимости видно, что теоретически температура термометра достигнет температуры среды через бесконечно большой промежуток времени . Практически считают, что температура термометра t _п равна температуре среды t_с , когда разность температур становится меньше допустимой погрешности измерения температуры . Принимая и обозначая через из формулы 4 получаем:

(7)

Величина называется временем установления показаний прибора с данным термометром. Как видно, существенно зависит от , поэтому для контроля быстроменяющихся тепловых процессов необходимо иметь термометры малоинерционные, т.е. с малым численным значением постоянной времени .

2. ВИДЫ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

В зависимости от материалов, используемых для производства терморезистивных датчиков различают:

1) Резистивные детекторы температуры (РДТ).

Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой мета изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину, так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600°С может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.

2) Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков — хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.

3) Термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.

2.1 Полупроводниковые

В качестве примера на рисунке 1 изображен полупроводниковый датчик температуры LM75A, выпускаемый фирмой NXP Semiconductors. Диапазон измерений этого датчика от -55 до +150.

Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Пропорциональная зависимость напряжения на транзисторах от абсолютной температуры (в Кельвинах) дает возможность реализовать довольно точный датчик.

Достоинства таких датчиков — простота и низкая стоимость, линейность характеристик, маленькая погрешность. Кроме того, эти датчики можно формировать прямо на кремневой подложке. Все это делает полупроводниковые датчики очень востребованными.

Рисунок 1. Полупродниковый датчик температуры

2.2 Термоэлектрические (термопары)

Рисунок 2. Термоэлектрический датчик температуры

Термоэлектрические преобразователи — иначе, термопары (рисунок 2).

Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре. Так, один конец термопары (рабочий) погружен в среду, а другой (свободный) — нет. Таким образом, получается, что термопары это относительные датчики и выходное напряжение будет зависеть от разности температур двух частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений.

Выглядеть термопара может так, как показано на рисунке. Это термопара ДТПКХХ4, она измеряет температуры в пределах от -40 до +400. Производит его российская компания Овен.

Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и напрямую зависит от используемых в них материалов. Например, термопары из неблагородных металлов — до 1100 °С. Термопары из благородных металлов (платиновая группа) — от 1100 до 1600 градусов. Если необходимо произвести замеры температур свыше этого, используются жаростойкие сплавы (основой служит вольфрам).

Как правило используется в комплекте с милливольтметром, а свободный конец (конструктивно выведенный на головку) удален от измеряемой среды с помощью удлиняющего провода. Одним из недостатков термопары является достаточно большая погрешность. Наиболее распространенным способом применения термопар являются электронные термометры.

2.3 Пирометры

Пирометры — бесконтактные датчики, регистрирующие излучение, исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.

Различают три вида пирометров:

1) Флуоресцентные

2) Интерферометрические

3) Датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии

2.4 Акустические

Акустические термодатчики — используются преимущественно для измерения средних и высоких температур. Акустический датчик построен на принципе того, что в зависимости от изменения температуры, меняется скорость распространения звука в газах. Состоит из излучателя и приемника акустических волн (пространственно разнесенных).

Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду, в зависимости от температуры скорость сигнала меняется, и приемник после получения сигнала считает эту скорость.

Используются для определения температур, которые нельзя измерить контактными методами. Также применяются в медицине для неинвазивных (без операционного проникновения внутрь тела больного) измерения глубинной температуры, например, в онкологии. Недостатками таких измерений является то, что при прикосновении они могут вызывать ответные физиологические реакции, что в свою очередь влечет искажение измерения глубинной температуры. Кроме того, могут возникать отражения на границе «датчик-тело», что также способно вызывать погрешности.

2.5 Пьезоэлектрические

Рисунок 3. Пьезоэлектрический датчик температуры

В датчиках этого типа главным элементов является кварцевый пьезорезонатор.

Как известно пьезоматериал изменяет свои размеры при воздействии тока (прямой пьезоэффект).

На этот пьезоматериал попеременно передается напряжение разного знака, от чего он начинает колебаться. Это и есть пьезорезонатор. Выяснено, что частота колебаний этого резонатора зависит от температуры, это явление и положено в основу пьезоэлектрического датчика температуры.

3. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Для данной работы выбираем 3 типа датчиков температуры:

1. Капиллярный термостат (терморегулятор серии WYF85Z для нагревательного оборудования);

2. Жидкостный термометр (пределы от 0 до +50);

3. Термопара (в данном случае мультиметр).

3.1 Термостат

Термостат — прибор для поддержания постоянной температуры. Поддержание температуры обеспечивается либо за счёт использования терморегуляторов, либо осуществлением фазового перехода (например, таяние льда).

Для уменьшения потерь тепла или холода термостаты, как правило, теплоизолируют. Но не всегда. Широко известны автомобильные моторы, где летом нет никакой теплоизоляции и за счёт действия восковых термостатов поддерживается постоянная температура. Другим примером термостата является холодильник.

В термодинамике термостатом часто называют систему, обладающую столь большой теплоёмкостью, что подводимое к ней тепло не меняет её температуру. Можно выделить два основных способа работы термостатов:

1) В термостате поддерживается постоянной температура теплоносителя, заполняющего термостат. Исследуемое тело при этом находится в контакте с теплоносителем и имеет его температуру. В качестве теплоносителя обычно используют воздух, спирт (от ?110 до 60°C), воду (10—95°C), масло (?10 — +300°C) и др.

2) Исследуемое тело поддерживается при постоянной температуре в адиабатических условиях (теплоноситель отсутствует).

Подвод или отвод теплоты осуществляется специальным тепловым ключом (в термостатах низких температур) или же используются электропечи с терморегулятором и массивным металлическим блоком, в который помещается исследуемое тело (в термостатах высоких температур).

В нашем случае мы используем капиллярный термостат серии WYF (рисунок 4)

Основные технические параметры термостата:

• Напряжение не более 250 В;
• Диапазон регулирования +35°C — +320°C.;
• Сопротивление изоляции <
• 10 Мом;

• Скорость изменения температуры <
• 1 °C /мин;

• Длина капилляра 1000 мм

Рисунок 4. Капилярный термостат

Жидкостный термометр

3.3 Термопара в мультиметре

Термопара — устройство состоящее из двух пар соединённых между собой разнородных проводников. Если один из спаев поместить при 0?, а другой в среду с измеряемой температурой, то в цепи возникает ЭДС=разности контактных разностей потенциалов горячего и холодного спаев.

е=U ₁ +U ₂ =б?(Т ₁ -Т ₂ ),

где б-чувствительность термопары.

Термопарой можно измерять только разности температур. Если температура одного из спаев Т ₂ = const (0 или комнатная), то термоЭДС будет зависеть только от температуры другого спая Т₁ (измерительный спай).

Для измерения температур, термопару предварительно градуируют — строят график зависимости термоЭДС от температуры е (Т).

Градуировка термопары и термистора:

4. ВЫБОР АВТОМАТИЧЕСКОГО МОДУЛЬНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

При выборе автоматического модульного выключателя нужно учитывать напряжение сети и ток. В нашем случае это лабораторная установка, которая питается от напряжения 220 В, и для этого мы выбираем маломощный выключатель.

Автоматический выключатель

Преимущества

Наличие пломбируемых панелей для защиты от несанкционированного доступа к проводникам.

1) наличие монолитной лицевой панели.

2) повышенная жесткость корпуса — шесть заклепок.

3) корпус имеет профильные углубления, что способствует естественной вентиляции для обеспечения охлаждения.

4) скругленные клеммы с насечками для надежного соединения с проводниками.

5) наличие индикаторного окошка состояния контактов.

6) автоматическая доводка рукоятки управления (эффект подпружинивания).

7) гарантийные обязательства составляют 5 лет.

Таблица 1

Параметры выключателя

Параметры автоматического выключателя	Значения
Предельная коммутационная способность, кА	4,5
Коммутационная износостойкость, кол-во циклов	10000
Механическая износостойкость, кол-во циклов	20000
Сечение подключаемого провода, мм 2	от 1 до 25
Момент затяжки, Н*м	2,5
Номинальное фазное напряжение частотой 50 Гц, В	240
Номинальное линейное напряжение частотой 50 Гц, В	415
Степень защиты	IP 20
Степень защиты аппарата в модульном шкафу	IP 40
Время срабатывания при коротком замыкании не более, с	0,01
Климатическое исполнение	УХЛ4
Диапазон рабочих температур, °С	от -40 до +50
Категория применения	А

Рисунок 5. Габаритные и установочные размеры

Рисунок 6. Типовые схемы подключения

Рисунок 7 . Особенности эксплуатации и монтажа

5. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЕ ИЗМЕРЯЕМЫХ ДАТЧИКОВ

5.1 Жидкостный термометр

Жидкостный термометр — это, как правило, термометр из стекла (стеклянный термометр), увидеть который можно практически везде. Жидкостные термометры бывают как бытовыми, так и техническими (термометр ТТЖ — термометр технический жидкостный).

Жидкостный термометр работает по простой схеме — объем жидкости внутри термометра изменяется при изменении температуры вокруг нее. Жидкость, находящаяся в термометре, занимает меньший объем капилляра при низкой температуре, а при высокой температуре жидкость в столбике термометра начинает увеличиваться в объеме, тем самым будет расширяться, и подниматься вверх. Обычно в жидкостных термометрах применяется либо спирт, либо ртуть. Температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости, шкала наносится прямо на поверхность капилляра или прикрепляется к нему снаружи. Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С).

Технические жидкостные стеклянные термометры применяют для измерения температур от -30 до 600°С.

При монтаже стеклянного технического жидкостного термометра его часто помещают в защитную металлическую оправу для изоляции прибора от измеряемой среды. Для уменьшения инерционности измерения в кольцевой зазор между термометром и стенкой оправы при измерении температуры до 150°С заливают машинное масло; при измерении более высоких температур в зазор насыпают медные опилки. Как любые другие точные приборы, промышленные технические термометры требуют проведения регулярной поверки.

5.2 Термопара

Если два провода из разнородных металлов соединены друг с другом на одном конце, на другом конце данной конструкции, за счет контактной разницы потенциалов, появляется напряжение (ЭДС), которое зависит от температуры. Иными словами, соединение двух разных металлов ведет себя как гальванический элемент, чувствительный к изменению температуры. Такой вид температурного сенсора называется термопарой. Данное явление предоставляет нам простой путь для нахождения электрического эквивалента температуры: необходимо просто измерить напряжение и Вы можете определить температуру этого места соединения двух металлов. И это было бы просто, если бы не следующее условие: когда Вы присоедините любой вид измерительного прибора к проводам термопары, то неизбежно сделаете второе место соединения разнородных металлов. Следующая схема показывает, что железо — медное соединение J1 обязательно дополняется вторым железо — медным соединением J2 противоположной полярности:

• Соединение J1 железа и меди (двух разнородных металлов) будет генерировать напряжение, зависящее от измеряемой температуры. Соединение J2, которое фактически необходимо, что мы каким-то образом подключили наши медные входные провода вольтметра к железной проволоке термопары, также соединение разнородных металлов, которое тоже будет генерировать напряжение, зависящее от температуры. Далее необходимо отметить, что полярность соединения J2 противоположна полярности соединения J1 (железный провод положительный;
• медный — отрицательный).

  В данное схеме имеется так же третье соединение (J3), но оно не оказывает влияние, потому что это соединение двух идентичных металлов, которое не создает ЭДС. Генерация второго напряжения соединением J2 помогает объяснить, почему вольтметр регистрирует 0 вольт, когда вся система будет при комнатной температуре: любые напряжения созданные точками соединения разнородных металлов будут равны по величине и противоположны по полярности, что и приведет к нулевым показаниям. Только тогда, когда два соединения J1 и J2 находятся при разных температурах, вольтметр зарегистрирует какое-то напряжение.

Мы можем выразить эту связь математически следующим образом:

Vmeter = VJ1 ? VJ2 (8)

Где: VJ1 — напряжение железо — медного соединения;

• VJ2 — напряжение железо — медного соединения противоположной полярности.

Понятно, что вольтметр «видит» только разницу между этими двумя напряжениями, генерируемыми в точках соединения.

Таким образом, термопары — это исключительно дифференциальные температурные сенсоры. Они формируют электрический сигнал, пропорциональный разнице температур между двумя различными точками. Поэтому, место соединения (спай), которое мы используем, чтобы измерить необходимую температуру, называют «горячим» спаем, в то время как другое место соединения (от которого мы никак не можем избежать) называется «холодным» спаем. Такое название произошло от того, что обычно, измеряемая температура выше температуры, в которой находится измерительный прибор. Большая часть сложностей применения термопар связана с именно напряжением «холодного» спая и необходимости иметь дело с этим (нежелательным) потенциалом. Для большинства применений необходимо измерять температуру в одной определённой точке, а не разницу температур между двумя точками, что делает термопара по определению.

Существует несколько методов, чтобы заставить датчик температуры на базе термопары измерять температуру в нужной точке, и они будут рассмотрены ниже.

Студенты и профессионалы очень часто находят общий принцип влияния «холодного» спая и его эффектов невероятно запутанным. Чтобы разобраться в данном вопросе, необходимо вернуться к простому контуру с железо — медными проводами, показанному ранее как «отправная точка», а затем вывести поведение данного контура, применяя первый закон Кирхгоффа: алгебраическая сумма напряжений в любом контуре должна быть равна нулю. Мы знаем, что соединение разнородных металлов создает напряжение, если его температура выше абсолютного нуля. Мы также знаем, что с тем, чтобы сделать полный контур из железного и медного провода, мы должны сформировать второе соединение железа и меди, полярность напряжения этого второго соединения будет обязательно противоположной полярности первого. Если мы обозначим первое соединение железа и меди как J1, а J2 второе, мы абсолютно уверенны в том, что напряжение, измеренное вольтметром в этой схеме, будет VJ1 ? VJ2.

Все контуры термопары — независимо от того, простые они или сложные — демонстрируют эту фундаментальную особенность. Необходимо мысленно представить простой контур из двух разнородных металлических проводов и затем, выполняя «мысленный эксперимент», определить, как этот контур будет вести себя в местах соединения при одинаковой температуре и при различных температурах. Это — лучший способ для любого человека понять, как работают термопары.

5.3 Капилярный термостат

Термостаты с переключающимися контактами предназначены для регулирования температуры воздуха, жидких и газовых сред, для электрических водонагревателей, посудомоечных и стиральных машин, сушильных машин, электрических печей и т.п. Принцип работы основан на свойстве объемного температурного расширения. В медной погружной гильзе находится термочувствительный баллон. Жидкость, находящаяся в баллоне термостата, нагревается, расширяется и через капиллярную трубку избыточный объем переходит в сильфон. Сильфон удлиняется и передает усилие на контактную группу. Таким образом, осуществляется автоматическое поддержание заданной температуры в системе.

6. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СТЕНДА

Образцовый датчик температуры

Для проведения поверки необходимо, чтобы разница между значениями классов точности образцового и поверяемого термометров отличалась не менее, чем в 5-10 раз.

В качестве эталонного датчика температуры используется жидкостный термометр диапазон работы такого термометра составляет от 0 до 50 ⁰ С, погрешность работы такого термометра составляет не более 0,1⁰ С.

Выбор оборудования осуществлялся по надежности, качеству получаемого сигнала и простоты использования. Приведем примеры для каждого датчика:

• Жидкостный термометр был выбран из-за того, что он безопасен и по экономическим показателям доступен любому пользователю;
• Терморегулятор серии WYF85Z очень прост в использовании, точен в показаниях и так же как и жидкостный термометр доступен по экономическим характеристика;
• Термопара в мультиметре выигрывает своим диапазоном измеряемой температуры. Так же очень удобно сразу фиксировать температуру на дисплее мультиметра.

Поверяемые датчики температуры

Вторичные преобразователи температуры

Терморегулятор серии WYF85Z для нагревательного оборудования Диапазон измерений 0-85 ⁰ С. Все данные по капиллярному термостату показаны в таблице 2.

Термопара в мультиметре (диапазон измерения -58-700 ⁰ С) показана в таблице 3.

Таблица 2

Данные на капиллярный термостат

Табельный номер	85z
Класс точности	0,6
Значение входного сигнала	06,842 мВ
Значение выходного сигнала	4 — 20 мА
Напряжения питания переменного тока	9 В
Тип	WYF

Таблица 3

Данные на термопару

Табельный номер	TP-01A
Тип первичного преобразователя	К
Класс точности	0,6
Температура измерения	-58 — 7000С
Напряжения питания переменного тока	220 В
Тип	TP-01A

автоматический датчик регулятор выключатель

7. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИГОДНОСТИ ПРИБОРОВ К ЭКСПЛУАТАЦИИ

Для поверяемых термометров определить преобладание аддитивной или мультипликативной составляющих погрешности. В зависимости от преобладающей погрешности рассчитать значимые погрешности:

В общем случае погрешности можно рассчитать по формулам:

Абсолютная

(9)

где А _и — показание измерительного прибора;

А _д — действительное значение измеряемой величины.

Относительная

(10)

Она выражается в процентах или долях.

Приведенной относительной

(11)

Все полученные данные по погрешности показаний датчиков приведены в таблице 4.

Таблица 4

Таблица результатов поверки погрешности

№ п/п	Показания	Погрешности
		Термопара, о С	Термостат, о С
	Термометр, о С	Термопара, о С	Термостат, о С	Абсолютные о С	Приведенные,%
1	25	26	24	1	4
2	30	30	31	0	0
3	35	37	35	2	5,7
4	40	43	39	3	7,5

8. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

8.1 Ход работы:

1. Собрать сведения об установке.

2. Собрать схему лабораторной установки, осуществив подключение датчика, а нагревательную спирали к источнику тока.

3. Подогревая воду, снять характеристику Tн от Tп для двух датчиков. Измерение производить от 25 ⁰ С до 45⁰ С. при каждом

Результаты измерений занести в таблицу.

4. Сравнить показания двух термостатов в разных позициях регулятора и занести данные в таблицу. Построить график разности показания термометра от термостатов.

8.2 Производство опыта:

В сосуд, заполненный дистилированной водой, погружается датчик термостат 1 и 2, мультиметр. В непосредственной близости от датчика размещается жидкостный термометр (ЖТ) для контроля температуры жидкости. Для подогрева воды в сосуде находится спираль, которая подключается к источнику питания. С помощью подогревателя можно изменять температуру воды в пределах от +30 ⁰ С до 100⁰ С. К термостату подключен датчик срабатывания и аккумуляторная батарея с напряжение 9 В (ДС).

При достигшей температуре термостат срабатывает и датчик гаснет. Для определения температуры через термопару используем измерительное устройство (ИУ).

В данном случае ИУ у нас является мультиметр. Как показано на рисунке 8.

8.3 Опыт первый:

В сосуд с водой, где находится нагревательная спираль и жидкостный датчик температуры (термометр), помещаем капиллярный термостат и термопару. Выставляем пределы на термостате, для отключения датчика, и нагреваем воду. При достигнутой температуры датчик на термостате срабатывает. После сверяем полученную температуру с термометром и записываем показания в таблицу 1. На дисплее мультиметра смотрим показания термопары и так же записываем данные в таблицу 1. Проделываем этот опыт несколько раз и по данным таблицы строим график зависимости.

8.4 Опыт второй:

Помещаем в сосуд с водой два капиллярных термостата, выставляем пределы, только одинаковые, и нагреваем воду. После срабатывания термостатов сверяем показания с термометром и записываем данные в таблицу 2. Проводим этот опыт несколько раз, и по полученным данным строим график.

Рисунок 8. Общая схема установки

9. СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ

Электрозащитные средства — это средства защиты, которые применяют от поражения электрическим током, необходимые для обеспечения эффективной электробезопасности при работах в распределительных устройствах( рисунок 9).

Рисунок 9. Электрические средства защиты

Все электрозащитные средства делятся на 2 группы:

1) Основные;

2) Дополнительные

Основные электрозащитные средства, Дополнительные электрозащитные средства

По классу напряжения электрозащитные средства разделяются:

• до 1000 (В)
• выше 1000 (В)

Основные электрозащитные средства до 1000 (В)

Приведем перечень всех изолирующих электрозащитных средств, относящихся к категории основные до 1000 (В).

• изолирующие штанги
• изолирующие клещи
• указатели низкого напряжения (УНН, Контакт-55ЭМ)
• электроизмерительные клещи
• диэлектрические перчатки
• ручной инструмент (изолирующий)

Дополнительные электрозащитные средства до 1000 (В)

Приведем перечень всех изолирующих электрозащитных средств, относящихся к категории дополнительные до 1000 (В).

• диэлектрические галоши
• диэлектрический коврик
• изолирующая подставка
• изолирующие колпаки, покрытия и накладки
• штанги для выравнивания и переноса потенциала
• изолирующие стеклопластиковые (диэлектрические) стремянки и приставные лестниц

Средства защиты от электрических полей

Вторым видом средств защит являются средства защиты от электрических полей повышенной напряженности.

К ним относятся:

1. Индивидуальный экранирующий комплект — необходим для выполнения работ на потенциале земли в ОРУ (открытом распределительном устройстве) и на потенциале ВЛ (воздушной линии электропередачи)

Рисунок 10. Запрещающий плакат безопасности

2. Различные экранирующие устройства (переносные и съемные)

3. Плакаты и знаки безопасности:

• запрещающие
• предупреждающие
• предписывающие
• указательный

4. Переносное заземление

Средства индивидуальной защиты

Ну вот мы добрались и до третьего вида средств защит — это средства индивидуальной защиты, т.е. средства защиты, применяемые одним человеком (рисунок 11).

Рисунок 11. Средства индивидуальной защиты

К ним относятся:

• защитные пластиковые каски
• защитные очки
• щиты ограждения
• различные респираторы и противогазы
• рукавицы
• предохранительные пояса и страховочные канаты
• комплекты для защиты работающего от электрической дуги — термостойкие костюмы Номекс

10. ОХРАНА ТРУДА

Основным методом охраны труда является использование техники безопасности. При этом решаются две основные задачи: создание машин и инструментов, при работе с которыми исключена опасность для человека, и разработка специальных средств защиты, обеспечивающих безопасность человека в процессе труда, а также проводится обучение работающих безопасным приемам труда и использования средств защиты, создаются условия для безопасной работы.

Улучшение условий труда дает и экономические результаты: рост прибыли (в связи с повышением производительности труда); сокращение затрат, связанных с компенсациями за работу с вредными и тяжелыми условиями труда; уменьшение потерь, связанных с травматизмом, профессиональной заболеваемостью; уменьшением текучести кадров и т.д. Основным документом в нормативно-технической документации является нормативный акт «Система стандартов безопасности труда». Стандарты ССБТ устанавливают общие требования и нормы по видам опасных и вредных производственных факторов, общие требования безопасности к производственному оборудованию, производственным процессам, средствам защиты работающих и методы оценки безопасности труда. Условия труда — совокупность факторов производственной среды, оказывающей влияние на здоровье и работоспособность человека в процессе труда. Исследования условий труда показали, что факторами производственной среды в процессе труда являются:

1) санитарно-гигиеническая обстановка, определяющая внешнюю среду в рабочей зоне — микроклимат, механические колебания, излучения, температуру, освещение и др.;

2) психофизиологические элементы: рабочая поза, физическая нагрузка, нервно-психологическое напряжение и др., которые обусловлены самим процессом труда;

3)эстетические элементы: оформление производственных помещений, оборудования, рабочего места, рабочего инструмента и др.;

4)социально-психологические элементы, составляющие характеристику так называемого психологического климата.

Профессиональным заболеванием называется заболевание, вызванное воздействием вредных условий труда. К ним относятся: хронические пылевые бронхиты, вибрационная болезнь, отравление различными токсичными веществами и др. Профессиональные заболевания, в зависимости от тяжести и сроков выявления, могут сопровождаться и не сопровождаться утратой трудоспособности. В тяжелых случаях они могут привести к инвалидности.

В процессе труда на человека воздействует множество разнообразных факторов производственной среды, которые в совокупности определяют то или иное состояние условий труда. Производственные факторы подразделяются на технические, эргономические, санитарно-гигиенические, организационные, эстетические, организационные, психофизиологические, социально-бытовые, природно-климатические, экономические. Технические факторы отражают уровень автоматизации и механизации производственных процессов; наиболее полное использование оборудования и рациональную организацию рабочего места; применение электронно-вычислительной и управляющей техники; наличие и исправность коллективных средств защиты, защищенность опасных зон и др. Эргономические факторы характеризуют установление соответствия скоростных, энергетических, зрительных и других физиологических возможностей человека в рассматриваемом технологическом процессе; введение рациональных режимов труда и отдыха, сокращение объема информации, снижение нервно-эмоциональных напряжений и физиологических нагрузок; профессиональный отбор. Это касается скоростных параметров техники, объема поступающей от рабочих органов информации, уровня организации рабочего места, удобства расположения органов управления и индикации, конструкции сиденья оператора, обзорности рабочей зоны и т.д. Эстетические факторы отображают соответствие эстетических потребностей человека и реализуемых в художественно-конструкторских решениях рабочих мест (орудий труда) и производственной среды. Санитарно-гигиенические факторы показывают состояние производственной санитарии на рабочих местах (качество воздушной среды, уровень вредных веществ и излучений, шума, вибраций, состояние освещения и др.).

Они должны соответствовать требованиям ГОСТов, ССБТ и т.д. Организационные факторы характеризуют режим труда и отдыха на предприятии; дисциплину и форму организации труда, обеспеченность рабочих спецодеждой, спецобувью и другими средствами индивидуальной защиты (СИЗ); состояние контроля за трудовым процессом и, в частности, за охраной труда; качество профессиональной подготовки работающих и др. Психофизиологические факторы отражают напряженность и тяжесть труда, морально-психологический климат в коллективе, взаимоотношения работающих друг с другом и др.

Социально-бытовые факторы включают общую культуру производства, порядок и чистоту на рабочих местах, озеленение территории, обеспеченность санитарно-бытовыми помещениями, столовыми, медпунктами, поликлиниками, столовыми, детскими дошкольными учреждениями и др. Природно-климатические факторы — это географические и метеорологические особенности местности (высота над уровнем моря, рельеф местности, частота и вид осадков, температура, влажность, ионизация и подвижность воздуха, атмосферное давление и др.).

Экономические факторы включают в себя повышение технической вооруженности труда: наиболее полное использование оборудования, рациональную организацию рабочего места, выбор оптимальной технологии. Устранение и уменьшение ненужных затрат рабочего времени, строгая регламентация темпа и ритма работы также относятся к экономическим факторам. Условия труда зависят от того или иного сочетания производственных факторов и, в свою очередь, влияют на производительность и результаты труда, на состояние здоровья работающих. Благоприятные условия улучшают общее самочувствие, настроение человека, создают предпосылки для высокой производительности, и, наоборот, плохие условия снижают интенсивность и качество труда, способствуют возникновению производственного травматизма и заболеваний. Создание здоровых и безопасных условий труда — главная задача администрации предприятия, работодателя.