Разработка электронного регулятора температуры

Министерство  образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский  государственный технический университет

 

 

 

 

 

 

   Кафедра  ТСС

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

Тема:

«РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОГО РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Русакова Виктория

Группа: 9КРЭС-11-1

Вариант №15

Принял: Иванов В.А.

 

 

 

Караганда 2013

Содержание

 

Введение

Наименование и область применения

Цель и назначение разработки

Техническое задание на разработку

Разработка структурной схемы Разработка принципиальной схемы Дифференциальный (масштабируемый) усилитель Сравнивающее устройство Преобразователь напряжения в ток с устройством индикации Коммутатор переменного тока с устройством согласования Заключение Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В металлургической практике для измерения температур до 6500С применяются термометры сопротивления (ТС), принцип действия которых основан  на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению  величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в  которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая  величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью, передана на большие расстояния и непосредственно  использована в системах автоматического  контроля и регулирования. В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники. Сопротивление полупроводников  с увеличением температуры резко  уменьшается, т. е. они имеют отрицательный  температурный коэффициент сопротивления  практически на порядок больше, чем  у металлов. Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основном применяются  для измерения низких температур

Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инерционность, высокий коэффициент .

Однако они  имеют и существенные недостатки:

1) нелинейный  характер зависимости сопротивления  от температуры;

2) отсутствие  воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗРАБОТКА  ЭЛЕКТРОННОГО РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ

 

 

1. Наименование и область применения

 

1.1 Электронный  регулятор температуры (далее  РТ), предназначен для применения  в качестве регулятора температуры   технологического процесса, оперативного  контроля регулируемой величины  и сигнализации об аварийных  режимах нагрева.

 

 

2. Цель и назначение разработки

 

2.1 Автоматизированная  система регулирования температуры  разрабатывается взамен существующего  устаревшего оборудования, с целью  повышения  точности регулирования,  оперативности смены задания,  улучшения контроля параметров  технологического процесса и  регистрации аварийных режимов.

 

 

3. Техническое задание на разработку

 

3.1.1 С целью унификации разрабатываемого устройства, РТ должен комплектоваться силовым коммутатором, с нагрузочной способностью, достаточной для подведения необходимой мощности к нагревательным элементам.

 

3.1.2 Измерительный  модуль регулятора должен иметь  возможность комплектоваться несколькими  датчиками температуры, для более  точного контроля температуры  внутри камеры печи.

 

3.2 Оперативная  смена задания для регулятора  осуществляется ручным способом, от регулятора, непосредственно  с панели управления.

 

3.3 Индикация  действительного значения контролируемой  температуры осуществить непосредственно  в блоке регулятора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Разработка структурной схемы

 

Исходя из вышеперечисленных требований предлагается структурная схема на рисунке 1.1.

 Рисунок 1.1 – Структурная схема усиления электрических сигналов

где :

1. Датчик температуры.
2. Дифференциальный (масштабируемый) усилитель.
3. Преобразователь напряжения в ток.
4. Стрелочный индикатор.
5. Сравнивающее устройство. Преобразователь напряжения в ток.
6. Преобразователь сопротивления в напряжение.
7. Устройство согласования.
8. Коммутатор переменного тока (ключ).
9. Ручка управления.
10. Нагревательный элемент.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработка  принципиальной схемы

 

4.1  Датчик температуры.

 

Датчик температуры  преобразует изменения температуры  в электрические сигналы. Согласно варианту в качестве датчика используется полупроводниковый терморезистор ТСМ 50, который при температуре 100градусов имеет сопротивление 71.4Ом, а при температуре 150 градусов имеет сопротивление 82.096Ом.

Рисунок 1 Датчик температуры

 

Примем величину напряжения питания  U_п равной + 15 В. Тогда

 

 

Пусть ток  делителя зависит от изменения R2 не более чем на 1%.

 Тогда  R1=100×R2

 

   Отсюда видно, что ток  будет зависеть от R1

       Согласно варианта :

                                          R2_min=71.4Ом

                                          R2_max=82.096Ом

 

R1=100×R₂=100× 71.4=7.14кОм

 

Примем  номинальное  значение сопротивления  резистора 7.5кОм из ряда Е24±5%

 

×××××

 

Резистор R1 примем с маркировкой  С2-6-0.25-7.5к ±5%

 

 

Максимальная и минимальная ЭДС при максимальной температуре и при минимальной температуре.

 

U_выхmin=×× R2_min=142.8мВ = 0.14 В

U_выхmax=××  R2_max=164.192мВ = 0.16 В

 

Желаемая выходная характеристика с выхода масштабирующего усилителя  представлена на рисунке 2

U_выхmin= 0 В, при минимальной температуре

U_выхmax= 5В, при максимальной температуре

 

 

Рисунок 2

 

Выходная  характеристика масштабирующего усилителя

U_выхmin=0В, при минимальной температуре.

U_выхmax=5В, при максимальной температуре.

Реализуем данную зависимость с помощью  равновесного моста, представленного  на рисунке 3

Рисунок 3.

Равновесный мост

     Индикатор PV1 показывает разницу потенциалов между точкой A1 и точкой A2. Зададим с помощью делителя R3-R4 потенциал в точке A2 равный потенциалу в точке A1 при температуре t_min, т.е. когда U_выхmin = 1.2 В.

      Если потенциалы в точках A₁ и A₂ равны, то индикатор PV покажет значение равное 0. При температуре t_max  потенциал в точке A₁ станет равным 1.5 В и индикатор покажет значение

                   U_вых=U_max - U_min = 0.16 - 0.14= 0.02 В

                   

Это и есть входной сигнал для  масштабирующего усилителя.

 

                 Определим сопротивление резистора  R4

                

R4=1.5× R2

 

= 1.5×82.096= 123.144Oм

Из ряда Е6 принимаем величину резистора =110 Ом 

 

 

×××                           

СП3-26-0.25-110Ом ±20%- В

×××× 

Маркировка  С2-33-0.25-7.5к ±5%          

1.2 Дифференциальный (масштабируемый) усилитель 

Усилитель служит для преобразования или усиления сигнала с датчика температуры  в сигнал удобный для дальнейшей обработки (рисунок 1.4).

Рисунок 4

 При , с равновесного моста на выходе усилителя сигнал равен

 

где R1– входное  сопротивление усилительного каскада.

                      

В свою очередь:         

 

Тогда                          

Rвх= R1=R2= 10Rвых

  Rвых = 110 Ом (рисунок 4).

 

Примем                                                 

R1 = 10·110 Ом = 1.1 кОм.

С2-33-0.125Вт-1.1кОм±5%

Тогда                                             

R4+R5 = R1· К у = 1.1× ·250 =275 кОм,

Примем 

,    а    .

R4 = 180 кОм. Из ряда Е24 примем R4= 180 кОм С2-13-0.25-180к ±5%

R5 = 90 кОм. Из ряда  Е24 примем R5 =100кОм СП3-1б-0.25-100±20%

Заменим резистор R₃ на два резистора R₆ и R₇ . Тогда, схема будет выглядеть так:

                      

                       Рисунок 5

 

  Для симметрии  каскада выберем:

                                                                     

                                                                      

 

Выберем резистор R₂ равный R₁ С2-33-0.125Вт-1.1кОм±20% из Е24.

 

Для выполнения условия работы дифференциального  усилителя принимаем 

R₆ и R₇ равными резисторам R4 и R5, а значения самих резисторов примем:

 

R₆   С2-13-0.25-180к ±5% из ряда Е24,

а резистор R₇ = R₅ = 100кОм СП3-1б-0.25-100±20% из ряда Е6.

 

 

Для этого и других узлов схемы  примем сдвоенный операционный   усилитель К140УД14А (питание +15 В).

 

Напряжение питания Uпит	±2,5…±18 В
Синфазное входное U	±15 В
Максимальный входной ток	10 мА
Максимальный выходной ток	2 мА
Ёмкость нагрузки	100 пФ
Напряжение насыщения	±15 В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Сравнивающее  устройство Устройство (рисунок 1.5) служит для задания уровня сигнала соответствующего заданной температуре, и выдачи результата сравнения между заданным и действительным значением сигнала.

 

– если Uд< Uз – включить нагрев;

– если Uд≥ Uз – отключить нагрев.

 С помощью  R3 будем задавать Uз от 0 В до 5 В.

Рисунок 1.5

 

 Пусть  ток делителя равен Iд=1 мА. Примем, что падение напряжения на R3=5В.

 

Принимаем R3 =6,8 из ряда Е6 СП5-35б-0.25-6,8к-20%-ВС-1-20мм

I (R1+ R2)= 10 В;

(R1+ R2) =10 кОм. 

 Примем

R2 = 2(R1+ R2) /3, а R1 = (R1+ R2) /3.

 Таким  образом 

R2 = 6,2 кОм  примеv R2 = 6,8 кОм из ряда Е24 с маркировкой С2-23-0.062-6.8кОм±5% ,

а R1 = 3,3 кОм. Из ряда Е6 CП2-6-0,25-3,3кОм±20%-А

       1.4 Преобразователь  напряжения в ток с устройством  индикации

 

 

Устройство индикации служит для  вывода значения задаваемой температуры  на или стрелочный индикатор. Индикатор  выполняется в виде миллиамперметра  с преобразователем напряжения в  ток.

Возьмем миллиамперметр М82-0.5 с током  отклонения 2мА.

Пусть ток  преобразователя равен 2 мА

 

 

 

Пусть R1 составляет 2/3 от общего сопротивления, а R2 – 1/3 от общего сопротивления.

R1 = 1.5 кОм из ряда Е24 с маркировкой С2-23-0.125-2кОм±5%

R2 = 1 кОм  из ряда Е6 с маркировкой СП3-38а-0.125-1кОм±20%-А

 

1.5 Коммутатор  переменного тока с устройством  согласования 

 Устройство  согласования (рисунок 1.7) служит  для согласования выхода сравнивающего устройства и входа коммутатора переменного тока.

Рисунок 1.7

 

Мощностью нагревательного элемента выберем 13кВт=13 ×10³Вт

Выбираем нагревательный элемент  В235-245-13кВт

Зная мощность, находим:

 

Исходя из этого выбираем оптотиристор ТО242-60-10 с параметрами       I_упр=100мА, I_ком = 60A. Uком=1000В

 

Из условия работы транзистора: Iупр<Iк выбираем транзистор КТ972А.

Его параметры:

Iк max = 4А

Uкэ = 60В

Uнас кэ = 2В

Uнас бэ = 3В

 

 

Теперь подсчитаем мощность R_огр:

×××

Выберем резистор Rогр исходя из мощности: С2-33Н-1Вт-82Ом±5%     

Для того чтобы транзистор открылся необходимо:

 

Примем 

 

 

 

Рассчитаем мощность на R1:

Принимаем P=0,125Вт.

Примем R1 С2-23-0.125-18кОм±5%

Выберем диод по I_пр и U_обр

I_пр = U_нас/R=15 В/17 кОм=0.89mA