Метеорологические датчики контроля среды

Метеорологические датчики контроля среды

Министерство образования и науки РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра РЭТЭМ

Курсовая работа по дисциплине

«Приборы и датчики экологического контроля»

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ КОНТРОЛЯ СРЕДЫ

Выполнила:

Студентка гр.218

________ Шлегель Э. А.

«____»__________2011 г.

Руководитель:

Ассистент

________ Ковальская М. В.

«____» __________2011 г.

2011

Содержание

1 Введение

2 Датчики температуры

2.1 Шкалы температур

.2 Средства измерения температуры

.3 Измерение температуры в твердом теле, в жидкостях и газах

.4 Измерение температуры по тепловому шуму

.5 Кварцевые термометры

.6 Измерение температуры на движущихся телах

.7 Оптическая пирометрия

Датчики влажности

.1 Основные понятия и термины, связанные с влажностью воздуха

3.2 Гигрометры - общие сведения

.3 Конденсационный гигрометр

.4 Сорбционный гигрометр

3.5 Гигрометры на основе изменения импеданса

3.6 Электролитический гигрометр

3.7 Психрометр

.8 Психрометр с электростимулированным обдувом

4 Заключение

Список используемых источников

1 Введение

Из всех физических величин, несомненно, наиболее часто измеряемой является температура и влажность.

Действительно, температура представляет собой очень важную характеристику состояния вещества, которая отражает как непрерывные изменения состояния, например изменения давления и объема газа, так и скачкообразные, например фазовые превращения или магнитные и электрические точки Кюри.

Поэтому в науке и промышленности необходимы тщательный контроль и точные измерения температур. Также необходимо исследовать вопрос о физических принципах системы определения числовых значений температур, т. е. рассмотреть вопрос о шкале температур.

Знание влажности воздуха и прочих газов может оказаться существенным для контроля различных физико-химических и биологических процессов. Необходимость ее измерения связана с причинами, которые можно классифицировать в соответствии с задачами, приведенными ниже.

Бытовое кондиционирование воздуха. Диапазон значений относительной влажности, соответствующий ощущению комфорта, довольно широк и составляет 35-70%. При влажности ниже 35% .могут возникать раздражения дыхательных путей, а выше 70% происходит опасное для организма ослабление кожного дыхания и потовыделения. В качестве другого критерия можно использовать энергозатраты, необходимые для поддержания определенных климатических условий; так, поддержание высокой влажности при неправильной регулировке кондиционера повлечет за собой неоправданный перерасход энергии при сохранении такого же ощущения комфорта.

Кондиционирование воздуха в промышленности. Требования к влажности в промышленности существенно различаются в зависимости от вида производства. В ряде случаев необходимо поддержание постоянных условий, например, в текстильной промышленности, поскольку изменение влажности приводит к изменению характеристик волокна (механическое натяжение, электрическое сопротивление и т. д.) и может повлиять на работу станков.

В пищевой промышленности оптимальные условия хранения различаются для разных продуктов. Обычно желательны стабильные температура (около 0°С) и очень высокая относительная влажность (85-90%, а в отдельных случаях даже выше), так как изменение условий хранения в сторону более высокой влажности может привести к появлению плесени, а снижение влажности приведет к потере массы в результате испарения. Это сложные требования для работы гигрометров.

Также обнаружение следовых количеств водяного пара, как в воздухе, так и в различных газах (углекислый газ, гексафторид серы, этилен, природный газ и т. п.); эксплуатация теплообменников, эти виды переноса тесно связаны с влажностью воздуха, которую, следовательно, необходимо измерять либо для определения тепловых характеристик установки, либо для контроля за ними в ходе процесса; контроль за работой сушилен, влажность воздуха на выходе сушильни является очень важным параметром при расчете ее энергопотребления.

Целью данной работы является изучение датчиков температуры и влажности.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

. Изучить датчики температуры (рассмотреть различные шкалы температур, измерение температуры в жидкостях и газах, измерение температуры по тепловому шуму, кварцевые термометры, измерение температуры на движущихся телах, оптическую пирометрию).

2. Рассмотреть датчики влажности (основные понятия и термины, конденсационный гигрометр, сорбционный гигрометр, гигрометры на основе изменения импеданса, электролитический гигрометр, психрометр).

2 Датчики температуры

.1 Шкалы температур

Физические свойства материалов зависят от их температуры, поэтому всегда возможно по изменениям одного из физических параметров данного материала в зависимости от температуры определить шкалу, которая позволяет сравнивать температуры; и некоторым способом устанавливать равенство двух температур. Законы термодинамики позволяют определить шкалы температур, имеющие универсальное значение.

Термодинамические, или абсолютные шкалы температур. Они определяются исходя из теоремы Карно или свойств идеального газа. Согласно теореме Карно, коэффициент полезного действия (к. п. д.) ŋ тепловой машины с обратимым циклом, температура рабочего тела которой в процессе цикла меняется в пределах между значениями, выраженными изначально в произвольной шкале и равными θ1 и θ2, зависит лишь от θ1 и θ2:

ŋ=(1-F(θ1))/ F(θ2)

Вид функции F зависит от выбора шкалы температур, по которой определяется θ, и, наоборот, выбор функции F определяет шкалу температур. Абсолютную термодинамическую температуру Т определяют, полагая

F=(θ)= Т.

В этом случае к. п. д. обратимой тепловой машины записывается в виде

ŋ =1-T1/T2,

где T1 и Т2 - абсолютные термодинамические температуры двух источников тепла.

Идеальный газ (теоретическое понятие) определяется следующими свойствами: его внутренняя энергия U зависит только от температуры; уравнение состояния, связывающее его давление р, объем v и температуру θ , имеет вид:

pv = G(θ).

Можно показать, что при определении температуры по термодинамической шкале:

G(θ) = RT,

где R - константа, называемая универсальной газовой постоянной, значение которой для заданной массы газа - одной грамм- молекулы - зависит только от выбранной единицы измерения абсолютной температуры. Чтобы определить числовое значение температуры Т, необходимо выбрать для нее единицу измерения. Для этого достаточно произвольно установить значение температуры, соответствующей четко определенному и воспроизводимому явлению.

Шкала Кельвина. Единица измерения кельвин (К) определяется из того условия, что температура воды в тройной точке (температура равновесия воды, льда и пара) равна 273,16 К.

Шкала Цельсия. Она получается из абсолютной шкалы Кельвина, если за нуль принять температуру замерзания воды; единица измерения этой шкалы - градус Цельсия (°С) - равна одному кельвину:

Т (°С)=T (К)- 273,16.

Шкала Фаренгейта. Эта шкала получается смещением нуля абсолютной шкалы Рэнкина; единица измерения - градус Фаренгейта (°F) -равна одному градусу Рэнкина:

T(°F)=T(°R)-459,67.

Формулы перехода от одной шкалы к другой имеют следующий вид:

T(°C) = [T(°F)-32] (5/9), T(°F) = (9/5)T(°C)+32.

В качестве примера в табл. 2.1 приведены соответствующие значения нескольких важных температур для различных шкал.

Таблица 2.1. Шкалы и некоторые важные значения температур

- абсолютные нуль; 2 - температура равновесия смеси воды и льда при нормальном атмосферном давлении, равном 101325 Па; 3 -тройная точка воды; 4 - температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Для осуществления на практике точных измерений температуры без использования газового термометра были выбраны три физические величины: сопротивление, электродвижущая сила (э.д.с.) термопары и излучение черного тела. В интервале температур от -259,34 (тройная точка водорода) до 630,74°С (точка затвердевания сурьмы) используется температурная зависимость сопротивления проволоки, изготовленной из очень чистой пластины. В интервале температур от 0 до 630,74°С температура Т (°С) может быть выражена через измеренное сопротивление R(T) формулой

R(T)=R0(1+AT+BT2),

где R0- сопротивление при температуре 0°С, а значения А и В вычисляют по результатам измерения R при температурах кипения воды (100 °С) и серы (444,6 °С).

В диапазоне температур от -259,39 до 0°С температура Т(°С) определяется по измеренному сопротивлению R(T) из формулы

R(T)=R0[1+AT + BT2+C(T- 100) T3],

где Rо, А, В - величины, определенные в предыдущем интервале, а С определяется по измеренному сопротивлению в точке кипения кислорода.

В интервале температур от 630,74 до 1064,3 °С (точка затвердевания золота) измеряется э. д. с. е термопары платинородий (10% Rh)-платина, зависимость которой от температуры в градусах Цельсия выражается формулой

е(Т)=а+bТ + сТ2.

Константы а,b,с определяются по результатам измерения е при температурах затвердевания сурьмы (630,74 °С), - серебра (961,93 °С) и золота (1064,43 °С) в условиях, когда температура нулевого спая равна 0°С.

При температурах выше 1064,43°С (1337,58 К) абсолютная температура тела Т в практической шкале температур определяется по интенсивности излучения (энергетической светимости) L(T) черного тела на длине волны λ:

,

где L(TAu) - интенсивность излучения на длине волны λ при температуре плавления золота, А=0,014388 К·м - константа. Интенсивность излучения измеряют с помощью монохроматического оптического пирометра.

На рисунке 2.1 представлена обобщенная схема, характеризующая различные шкалы температур и взаимосвязи между ними.

Рис.2.1 - Различные шкалы температур

Температура Тс, измеренная с помощью резистора или термопары, фактически является температурой датчика. Она, конечно, зависит от температуры Тх среды, в которую погружен датчик, но также и от существующего теплообмена. При формулировании упрощенной модели процесса измерения предполагается, что в условиях измерений погрешность Тх-Тс мала.

Тепловой поток Раb между двумя поверхностями ∑a и ∑b с температурами Та и Тb определяется тепловым законом Ома, который может быть представлен любым из двух соотношений:

Та-Тb = RθabPab или Раb = G θab (Та - Тb),

где Rθab и G θab - взаимно-обратные величины, представляющие собой, соответственно, тепловое сопротивление (°С/Вт) и тепловую проводимость (Вт/°С) между поверхностями ∑ a и ∑ b.

.2 Средства измерения температуры

Жидкостные термометры и деформационные.

Жидкостные термометры бывают двух видов: ртутные и спиртовые.

Конструктивное исполнение: стеклянная колба, шкала, капилляр, резервуар для жидкости.

Диапазоны измерения температур: ртутные от +400°С (со специальным устройством) до -50°С; спиртовые от -100°С до +50°С.

Принцип действия: при изменение температуры происходит увеличение или уменьшение объема жидкости, поскольку коэффициент объемного расширения жидкости зависит от температуры. Жидкостные термометры конструктивно используются в виде цилиндрических прямых, цилиндрических угловых, штырьковых.

В первую очередь по термометру отсчитываются десятые доли °С, а потом уже целые, это исключает погрешность, связанную с влиянием наблюдателя.

Для определения возможного изменения систематической погрешности периодически проводят проверку термометра следующим образом: резервуар термометра с жидкостью погружают на 5-6 см. в чистый тающий лед и через 30 минут после выдержки делают отсчет показания термометра. Такую процедуру повторяют трижды.

Деформационные термометры представляют собой устройства, включающие в себя барабан с часовым механизмом, механическую передачу от датчика температуры к барабану (биметаллическая пластина), пластмассовый корпус.

,

где Δx - длина свободного перемещения, L0 - длина пластины, α1 и α2 - коэффициенты линейного расширения (α1 - ИНВАР и α2 - сталь), h - толщина пластины.

Длина свободного конца будет прямо пропорционально изменению температуры

,

где .

Приборы, основанные на данном принципе работы, называются термографы.

2.3 Измерение температуры в твердом теле, в жидкостях и газах

При измерении температуры внутри твердого тела датчик размещается в углублении, просверленном в твердом теле. Исходя из теплового закона Ома, необходимо чтобы глубина сверления должна быть, по крайней мере, на порядок больше радиуса датчика. А для уменьшения теплового сопротивления между внутренней поверхностью углубления и корпуса засор должен быть сведен к минимуму и заполнен материалом с высокой теплопроводностью.

При измерении температуры в жидкостях и газах возникают свои трудности. Теплообмен между зондом и такой средой сильно зависит от параметров, характеризующих свойства, среды - вязкости, теплопроводности и скорости, - и одновременно от времени запаздывания зонда, отличия его температуры от температуры среды в условиях равновесия и от его саморазогрева в процессе измерений.

Трубопровод, по которому течет поток, обычно имеет температуру, отличную от температуры текущей среды. В связи с возникающими при этом радиальными градиентами температуры встает задача о наилучшем расположении зонда в потоке; кроме того, в ряде случаев радиационный теплообмен между зондом и стенками канала может приводить к существенному изменению равновесной температуры зонда. Наконец, при больших скоростях течения в жидкостях может происходить нагрев зонда вследствие трения, а в газах - нагрев вследствие сжатия газа перед препятствием, которое представляет собой зонд. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо производить оценку погрешности измерения.

2.4 Измерение температуры по тепловому шуму

Тепловые движения носителей заряда создают в резисторе флуктуации напряжения или тока, которые зависят от температуры Т и имеют мгновенные значения, соответственно, ЕbR и IbR эффективное значение шумового напряжения, равное корню квадратному из среднеквадратического значения ЕbR, выражается формулой

,

где k= 1,38-10-23 Дж-К-1 - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура в кельвинах и В - полоса пропускания измерительной аппаратуры.

По схеме Тевенина этот источник напряжения включен последовательно с резистором R (рис. 2.2, а). По концепции Нортона источник тока включается параллельно резистору R (рис. 2.2,б), и эффективное значение тока выражается формулой

Рис. 2.2. Эквивалентная электрическая схема резистора с источником теплового шума, а- схема Тевенина; б-схема Нортона.

Мощность шума в резисторе не зависит от величины сопротивления R:

Рb= Е2bR/R= I2bRR= 4kTB= Е2bR I2bR

Измерение  с помощью вольтметра, регистрирующего эффективное значение напряжения, позволяет при известных R и В определить Т; измерение Рb дает дополнительное удобство, поскольку в этом случае не требуется знать R.

2.5 Кварцевые термометры

Классическим применением кварца является создание генераторов частоты с очень высокой стабильностью, в частности, температурной. Для этого пластинку кварца выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой влияние изменений температуры на частоту кварцевого генератора минимально. При использовании кварца в качестве датчика температуры, наоборот, пластинку выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой частота генератора является квазилинейной функцией температуры кварцевой пластинки. Изготовленный таким образом датчик обладает высокими точностью и чувствительностью. Дополнительными достоинствами кварцевого термометра являются высокая точность измерений, независимость от шума, который вносит передача информации, и простота преобразования частотной информации в цифровую.

Конструкция и метод измерения

Датчик температуры представляет собой пластинку кварца, помещенную в стальной корпус, заполненный гелием для увеличения тепловой проводимости между кварцем и корпусом датчика. Кварцевая пластинка, связанная проводами с активным элементом, образует в совокупности генератор, создающий измерительный сигнал еm:

em=EmcosΩmt,

где Ωm= 2πfm, fm=fo+Δf и Δf=S(T-T0)=ST, если RT0=0°С.

Кварцевый генератор опорной частоты создает сигнал er с частотой fо, практически не зависящий от температуры окружающей среды:

er=ErcosΩ0t (Ω0=2πf0).

Сигналы em и er поступают на вход преобразователя частоты, например умножителя, на выходе которого снимается напряжение υ′о:

υ′о = kemer=E′0 (cos(Ωm - Ωr)t+ cos(Ωm + Ωr)t)

С помощью низкочастотного фильтра отсекаются верхние частоты, учитываемые членом cos (Ωm + Ωr)t, и тогда

υ0=Е0 cos (Ωm - Ωr) t = E0 cos2π Δft .

Определив с помощью частотомера величину Δf и зная S, можно найти температуру T= Δf /S.

Пример. Кварцевый термометр фирмы Hewlett - Packard имеет следующие метрологические параметры: диапазон измерений -80- +250°C; нелинейность ±0,05% в указанном выше диапазоне измерений (что в десять раз меньше соответствующей величины для платинового термометра сопротивления в том же интервале температур); чувствительность 1000Гц/°С; разрешающая способность 0,0001 °С; погрешность, обусловленная гистерезисом, ±0,05°C; быстродействие (температурная постоянная времени) 2,5 с в потоке воды со скоростью 22 м/с.

2.6 Измерение температуры на движущихся телах

При измерении температуры на внешней поверхности наиболее эффективен метод оптической пирометрии. Когда же нужно измерить температуру внутри движущегося тела, датчик размещают в точке измерения, и тогда основная трудность заключается в способе передачи информации к стационарной измерительной цепи. Можно предложить несколько решений этой проблемы.

. Скользящие контакты в случае вращающихся деталей. Они создают опасность введения в измерительную цепь переменных сопротивлений контакта, паразитных э. д. с. термоэлектрической природы и шума.

. Вращающийся трансформатор. Первичная обмотка - индуктор - размещается на вращающейся детали и соединена с термопарой; протекающий по ней ток зависит от температур измерительного и опорного спаев. Вторичная обмотка, которая неподвижна, представляет собой якорь, с клемм которого снимается напряжение, зависящее от э.д.с. Зеебека термопары с вращающейся обмоткой.

. Пассивная индуктивная связь.