Методы определения температуры.

Техническое задание 9

Введение 10

Расчетно-теоретическая часть 12

1.1 Обзор существующих методов бесконтактного определения температуры 12

1.2 Выбор и описание структурной схемы30

1.3 Выбор и расчет элементов схемы 34

1.3.1 Выбор оптической системы 34

1.3.2 Выбор спектрографа 35

1.3.3 Выбор и расчет фотоэлектронного умножителя 37

1.3.4 Выбор и расчет инвертирующего усилителя 46

1.3.5 Выбор и описание микроконтроллера 47

1.3.6 Расчет датчика положения диска 51

1.3.7 Устройство индикации 51

1.4 Описание работы устройства 52

1.5 Расчет надежности 55

1.6 Расчет погрешности 57

Конструкторская часть 61

2.1 Общие принципы конструирования печатных плат 61

2.2 Способы изготовления печатных плат 63

2.3 Технологические процессы сборки печатных плат 71

Экономическая часть 81

3.1 Маркетинговые исследование 81

3.2 Определение технического уровня устройства и его конкурентоспособности 81

 

3.3 Стандарты ИСО 87

3.4 Составление калькуляции на разработку в УГАТУ 91

3.5 Составление калькуляции на изготовление 94

3.6 Определение экономического эффекта 96

3.7 Моделирование рынка 103

3.8 Распределение прибыли 104

Безопасность и экологичность проекта 107

Заключение 122

Список литературы 123

Приложение А – Структурная схема 125

Приложение Б – Стоимость комплектующих 126

Приложение В – Программа микроконтроллера 128

Приложение Г – Патентная справка 132

Приложение Д – Перечень элементов 133

 

 

Техническое задание

 

Разработать устройство для бесконтактного измерения температуры плазмы в интервале температур Т=7000¸20000К. Относительная погрешность измерения не более 2%.

Условия размещения измерительного прибора +10°С ¸ +40°С. Время измерения 5секунд.

 

 

Введение

 

Использование в практике приборов, осуществляющих точное измерение высоких температур и автоматический контроль над ними, является одной из важнейших проблем ведущих областей современной промышленности.

Ежегодно создается большое количество новой аппаратуры, отличающейся от старой высокой точностью, чувствительностью и воспроизводимостью измерений. Совсем не так давно были затронуты проблемы измерения температур вблизи абсолютного нуля и весьма высоких температур (выше 10000ºС, температуры плазмы). В настоящее бремя одна из основных задач – измерение температур в пределах 1000-3000°С с точностью порядка нескольких градусов. Измерение температур выше 1000° с высокой точностью сложная задача.

Технологические процессы, характеризующиеся широким температурным диапазоном, непрерывностью и высокой скоростью, ограничивают применение наиболее распространенных в настоящее время приборов, осуществляющих температурный контроль, например термопар. В связи с этим все большее значение приобретают пирометры, измеряющие температуру по тепловому излучению, испускаемому телом. Методами пирометрии в промышленных и лабораторных условиях определяют температуру в печах и др. нагревательных установках, температуру расплавленных металлов и изделий из них, температуру пламён, нагретых газов, плазмы. Методы пирометрии не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется, и поэтому могут применяться для измерения очень высоких температур.

Преимущества применения приборов для бесконтактного измерения температуры при измерении достаточно высоких температур очевидны: температуру объектов определяют по излучаемому ими теплу, не подвергая при этом приборы нагреву до измеряемой температуры. Кроме того, при использовании таких приборов температура определяется исключительно по излучению данного объекта, благодаря чему температурное поле последнего не искажается.

В данном дипломном проекте предлагается разработать прибор, предназначенный для бесконтактного измерения температуры плазмы в интервале температур от 7000 до 20000 К. Относительная погрешность измерения не должна превышать 2%.

При разработке данного прибора используется оригинальный метод, имеющий ничтожно малую методическую погрешность, поскольку расчет температуры плазмы ведется через отношение интенсивности спектра льных линий с помощью формулы, полученной на основании точной формулы Планка.

Разрабатываемый прибор может быть использован для измерения температуры плазмы при нанесении износостойких и коррозионно-стойких покрытий плазматроном.

 

 

1 РАСЧЕТНО – ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Любое реальное физическое тело поглощает (излучает), отражает, и пропускает электромагнитное излучение. Излучение реальных нагретых тел, как правило, является тепловым. Это излучение системы, находящейся в термическом равновесии. /6/

 

1.1 Обзор существующих методов бесконтактного определения температуры

Почти все оптические методы измерения температуры основаны на измерении интенсивности теплового излучения тел. Интенсивность теплового излучения сильно зависит от температуры тел и очень резко убывает с её уменьшением. Поэтому методы пирометрии применяют для измерения относительно высоких температур. При Т ≤ 1000 °С методы пирометрии играют в целом второстепенную роль, но при Т > 1000 °С они становятся главными, а при Т > 3000 °С — практически единственными методами измерения температуры.

Основное условие применимости методов пирометрии— излучение тела должно быть чисто тепловым, т. е. оно должно подчиняться закону излучения Кирхгофа. Твёрдые тела и жидкости при высоких температурах обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима специальная проверка для каждого нового объекта или новых физических условий. Так, излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют распределению Максвелла, заселённости возбуждённых уровней энергии соответствуют закону Больцмана, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы называется термически равновесным. Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы и в линейчатом, и в сплошном спектрах однозначно определяется её химическим составом, давлением, атомными константами и равновесной температурой. Если плазма неоднородна, то даже при повсеместном выполнении условий термического равновесия её излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае методы пирометрии применимы лишь к источникам света, обладающим осевой симметрией.

Измерения наиболее просты для твёрдых тел и жидкостей, спектр излучения которых чисто сплошной. В этом случае измерения температуры осуществляют пирометрами, действие которых основано на законах излучения абсолютно чёрного тела. Обычно поверхности исследуемого тела придают форму полости, чтобы коэффициент поглощения был близок к единице (оптические свойства такого тела близки к свойствам абсолютно чёрного тела).

Наиболее универсальны методы пирометрии, основанные на измерении интенсивностей спектральных линий. Они обеспечивают максимальную точность, если известны абсолютная вероятность соответствующего перехода и концентрация атомов данного сорта. Если же концентрация атомов не известна с достаточной точностью, применяют метод относительных интенсивностей, в котором температуру вычисляют по отношению интенсивностей двух (или нескольких) спектральных линий. Варианты этих методов разработаны для измерения температуры как оптически тонких слоев плазмы, так и оптически толстых.

В другой группе методов пирометрии температура определяется по форме или ширине спектральных линий, которые зависят от температуры либо непосредственно благодаря эффекту Доплера, либо косвенно — благодаря эффекту Штарка и зависимости плотности плазмы от температуры. В некоторых методах температура определяется по абсолютной или относительной интенсивности сплошного спектра. Особое значение имеют методы определения температуры по спектру рассеянного плазмой излучения лазера, позволяющие исследовать неоднородную плазму. К недостаткам методов пирометрии следует отнести трудоёмкость измерений, сложность интерпретации результатов, невысокую то чность (например, погрешности измерений температуры плазмы в лучших случаях оказываются не ниже 3—10%). /5/

Тепловое излучение – это переход внутренней тепловой энергии объекта в лучистую, распространяемую в окружающее пространство по законам распространения электромагнитных колебаний. Тепловое излучение любых тел подчиняется закону Кирхгофа, закону Стефана – Больцмана и ряду других законам.

 

Закон Кирхгофа

Тепловое излучение любых тел подчиняется закону Кирхгофа, согласно которому отношение яркости монохроматического излучения любого тела к коэффициенту монохроматического поглощения величина, не зависящая от излучающего тела, но зависящая от длины волны и температуры. Этот закон Кирхгофа можно выразить в виде:

 

(1.1)

 

где I_lT – яркость монохроматического излучения;

a_lT – монохроматический коэффициент поглощения;

I_lTdl - это поток энергии, излученный в единичный телесный. угол в интервале длин волн, лежащих между l и l + dl, в единицу времени с единицы поверхности излучающего тела;

a_lT - часть падающего на единицу поверхности монохроматического излучения, которая поглощается телом. Для того чтобы, зная a_lT, определить I_lT для любого тела, нужно найти эту функцию. С этой целью вводится понятие абсолютно черного тела, т.е. такого тела, которое полностью поглощает любое падающее на него излучение.

Закон Кирхгофа для абсолютно черного тела будет выглядеть следующим образом:

 

, (1.2)

 

где I⁰_lT — яркость монохроматического излучения абсолютно черного тела.

Таким образом, определив универсальную функцию, закон Кирхгофа можно написать в виде

 

. (1.3)

 

Следовательно, для того чтобы, пользуясь законом Кирхгофа, по известному коэффициенту поглощения определить яркость монохроматического излучения любого тела как функцию температуры и длины волны, необходимо знать аналогичную функцию для абсолютно черного тела.

Также существуют и другие термодинамические законы, такие как закон Стефана – Больцмана, закон смещения Вина, формула Планка.

 

Закон Стефана – Больцмана.

Этот закон связывает яркость суммарного излучения абсолютно черного тела I⁰_T (т.е. потока энергии, излученного в единичный телесный угол на всех длинах волн в единицу времени с единицы поверхности излучающего тела) с его температурой:

 

, (1.4)

 

где σ – постоянная величина; σ = 5,735 • 10^-12 вт/см² • град⁴ по определению

 

, (1.5)

 

т.е. суммарная яркость равна сумме монохроматических яркостей.

 

Закон смещения Вина.

I_λT как функция λ представляет собой кривую с максимумом (при длине волны λ_m). Положение максимума зависит от температуры и может быть определено законом смещения Вина:

 

λ_mT=b, (1.6)

 

где b=0,2884 см•град.

Следовательно, чем ниже температура, тем больше λ_m и тем в более длинноволновой области лежит максимум излучения, а следовательно, и основная часть излучения.

При температурах 1000—2000°К максимум кривой излучения абсолютно черного тела и основная часть излучения лежат в инфракрасной области спектра. Лишь при температурах выше 3000°К максимум кривой излучения лежит в видимой области спектра (т.е. в интервале 0,4—0,8 мк).

 

Формула Планка.

Она определяет распределение энергии по спектру для абсолютно черного тела. При выводе этой формулы учитывается квантовый характер процесса излучения и поглощения света атомами, т.е. то, что атом может излучать и поглощать лишь целое число порций (квантов) энергии. Величина кванта равна hν. Тогда яркость монохроматического излучения абсолютно черного тела будет

, (1.7)

где с ₁ = 3,7•10^-5 эрг•сек^-1•см^-2;

с ₂= hν = 14380 мк•град;

ν – частота излучения;

k – постоянная Больцмана; k=1,37•10^-18 эрг/град;

с – скорость света;

h – постоянная Планка; h=6,65•10^-27 эрг•сек.

 

Рисунок 1.1. Распределение энергии

по длин нам волн для абсолютно

черного тела.

Эта формула справедлива при λ <0,8 мк и Т <3000° К, т.е. при обычных видах пламени и работе в видимой или ультрафиолетовой области спектра. В случае больших температур и малых частот формула Планка имеет такой вид

 

. (1.8)

 

Поскольку законы Стефана—Больцмана, Планка, Вина верны только для абсолютно черного тела, то путем измерения полной или монохромати ческой яркости истинная температура может быть определена также только для этого тела.

Излучение реальных тел всегда меньше, чем абсолютно чер­ного тела при той же температуре. Это следует из закона Кирхгофа. Действительно, излучение реального тела можно харак­теризовать при помощи монохроматического коэффициента испускательной способности ε _λТ, равного отношению яркостей мо­нохроматических излучений реального и абсолютно черного тела при одной и той же температуре и одной и тойже длине волны

 

. (1.9)

Методы определения температуры.

В настоящее время для измерения высоких температур можно использовать различные методы.

Яркостные и цветовые температуры излучающих тел можно определять фотографическим методом, поскольку почернение фотопластинки пропорционально интенсивности падающего на нее излучения. Необходимо, однако, предварительно отградуировать пластинку при помощи эталонного источника с известной температурой, находящегося на том же расстоянии от фотопластинки, что и тело, температуру которого мы измеряем. Если предварительно выделить, например, при помощи спектрографа, узкий спектральный интервал, то после фотометрирования можно определить яркостную температуру тела и даже отдельных его участков. Подобные методы применялись, в частности, для измерений температуры как неподвижных, так и быстродвижущихся твердых тел. Если же при помощи фотопластинки определять интенсивность монохроматического излучения, например для двух длин волн, или распределение энергии в спектре излучения, то по отношению интенсивностей можно определить цветовую температуру.

Методы инфракрасной пирометрии, т.е. методы, использующие инфракрасное излучение, позволяют резко расширить диапазон измеряемых температур и сторону низких температур, поскольку по закону Планка с уменьшением температуры максимум излучения перемещается в сторону более длинных волн.

Кроме описанного выше, существуют и другие оптические методы определения температуры пламени по его излучению. Температуру пламени можно определять по отношению интенсивностей спектральных линий одних и тех же атомов, введенных в пламя или находящихся в пламени элементов, по распределению энергии во вращательном или колебательном молекулярном спектре продуктов горения в пламени и по уширению спектральной линии (эффект Допплера).

 

Измерение температуры по вращательному молекулярному спектру.

Температуру пламени можно также определять по распределению интенсивности между линиями тонкой вращательной структуры полосатого спектра. Соответствующие вероятности переходов могут быть найдены теоретически. Так как линии вращательного спектра обычно находятся очень близко друг к другу, необходимо применение спектрографов, обладающих большой дисперсией.

В этих случаях чаще всего используют лежащую в ультрафиолетовой области спектра вращательную полосу гидроксила ОН.

Существуют различные модификации рассматриваемого метода, позволяющие исключить ошибки, связанные с реабсирбцией излучения в пламени. Например, применяется так называемый метод равных интенсивностей, при котором температура определяется по двум линиям данной полосы, обладающим одинаковой интенсивностью (при данной температуре пламени), а в связи с этим и одинаковой реабсорбцией, которая в этом случае не повлияет на окончательные результаты измерения. Но это верно лишь в том случае, когда распределение температуры по сечению пламени можно считать равномерным; при наличии градиента температуры по сечению пламени реабсорбция при применении и этого метода вызовет погрешности измерения.

Для внешних областей пламени значения температур, измеренных описанным методом, совпадают со значениями, получаемыми другими методами.

Для зоны реакции значения температур, полученных этим методом, зачастую сильно завышены, особенно для разреженного пламени. В некоторых случаях зависимость между логарифмом относительной интенсивности и обратным значением температуры не является линейной. Все это говорит о неравновесном характере излучения в зоне реакции, о задержке возбуждения, при которой по вращательному спектру определяют не истинную температуру, а вращательную, а также, в ряде случаев, о наличии хемилюминесценции.

Описанный метод может быть использован для установления степени равновесности исследуемых процессов горения. /6/