Разработка системы регулирования скорости нагревания и охлаждения

Содержание

 

 

Введение 4

1.Анализ существующих устройств и методов 6

1.1 Система регулировки температуры в инкубаторе на термисторе  8

1.2  Измерители-регуляторы технологические  серии ИРТ 5900 9

1.3 Индикация 10

1.4 Уставки 10

1.5 Типы входных сигналов 11

1.6 Типы выходных сигналов 11

2 Разработка технических  требований 12

2.1 Требования к назначению 12

2.2 Требования к выполняемым  функциям 12

2.2.1 Система СРТ-1 12

2.3 Требования к составу  системы 13

2.4 Требования к составу блок контроля температуры 13

2.5 Требования к условиям эксплуатации 13

2.6 Требования к надёжности  13

3. Разработка структурной схемы и выбор элементной базы  14

3.1 Структурная схема СРТ1 14

3.2 Структурная схема БКТ 14

3.3 Функциональная схема  СРТ-1 15

3.3 Описание работы СРТ1 15

3.4 Описание работы блока контроля температуры 16

3.5 Выбор элементной базы 16

3.5.1 Усилитель сигнала с термопары 16

3.5.2 Реле 17

3.5.3 АЦП 18

3.5.4 Усилитель сигнала от контроллера 18

3.5.5 Микроконтроллер 18

3.5.6 Блок питания 20

3.5.7 Конвертер Ufrt-RS485 20

4 Разработка принципиальной схемы БКТ 24

4.1 Принципиальная схема 24

4.2 Расчёт максимального  тока потребления 24

5 Разработка алгоритма работы СРТ-1 25

5.1 Алгоритм работы СРТ-1 25

6 Разработка алгоритма работы  микроконтроллера 26

6.1Алгоритм работы микроконтроллера 26

7  Метрологические характеристики 28

Заключение 29

Список использованной литературы 30

Приложение 1 

 

Введение

 

Целью данного курсового проекта, является разработка системы регулирования скорости нагревания и охлаждения.

В данной работе необходимо спроектировать устройство, которое реализует процесс измерения необходимой физической величины. Для проектирования устройства необходимо разобраться с принципами измерения сигналов, что такое сигнал и с помощью чего его измеряют.

Сигналы, являющиеся физическими носителями измерительной информации, называются измерительными. Сигнал отражает состояние физической системы, являясь результатом некоторого измерения, проводимого над системой в процессе ее наблюдения.

К измерительным сигналам относят: полезные сигналы, получаемые от исследуемых, контролируемых или управляемых систем; вредные сигналы или помехи, поступающие в измерительную систему вместе с полезными сигналами или независимо от них; помехи, возникающие внутри измерительной системы; специально генерируемые в системе или вне ее сигналы, улучшающие работу системы (модуляция, дискретизация и др.).

В качестве физических носителей  сигналов используют импульсы механической, тепловой, электрической, магнитной, акустической и световой энергии и энергии ионизирующих излучений. Измерительные сигналы можно разделить на постоянные и переменные во времени; неслучайные и случайные; периодические, почти периодические, импульсные; стационарные и нестационарные и т.д.

Физические величины как носители сигналов в зависимости от числа принимаемых размеров подразделяются на непрерывные, имеющие бесконечно большое число размеров, и квантовые по уровню, содержащие конечное число размеров.

Сигнал – материальный носитель, который фиксирует информацию для переноса её от источника к потребителю. Сигналы в зависимости от характера изменения во времени или пространстве делятся на непрерывные и дискретизированные (дискретные). Дискретизированные сигналы принимают отличные от нуля значения только в определенные моменты времени или в определенных точках пространства.

Дискретный сигнал слагается  из счётного множества (т.е. такого множества, элементы которого можно пересчитать) элементов. Набор самых «мелких» элементов дискретного сигнала  называется алфавитом, а сам дискретный сигнал называют также сообщением.

Непрерывный сигнал –  отражается некоторой физической величиной, изменяющейся в заданном интервале  времени, например, тембром или силой  звука.

Дискретный сигнал лучше  поддаётся преобразованиям, поэтому  имеет преимущества перед непрерывным. В то же время, в технических системах и в реальных процессах преобладает непрерывный сигнал. Это вынуждает разрабатывать способы преобразования непрерывного сигнала в дискретный.  Основой любого вида измерительной техники является получение количественной информации о том или ином параметре объекта исследования. Как правило, информация об объекте исследования получается при помощи первичных электронных преобразователей, обеспечивающих преобразование физической природы сигнала от объекта исследования в электрический нормализованный сигнал. После получения данного электрического сигнала следующим этапом получения информации является анализ измерительного сигнала с помощью специальных электрических средств. Данные анализа измерительного сигнала являются определяющими для обеспечения надёжности и качественного получения информации, при этом качество, как правило, определяется соответствующими метрологическими характеристиками датчиков и устройств преобразования (анализа) измерительного сигнала. Именно к этим двум техническим объектам предъявляются высокие требования и усилия многих научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций.

Автоматизированная система  регулирования должна состоять из следующих  частей, датчиков,усилителей сигналов с этих датчиков,блока обработки и передачи информации, а также непосредственно элементов которые регулируют значение измеряймых физических величин.В данной работе измеряется температура за датчик взята термопара, за усилительный элемент операционный усилитель, за устройство обработки и передачи микроконтроллер с обвязкой, а регулировать он будет подачу напряжения на нагревательный элемент.

Данная система будет  применена в хлебной промышленности, как основной элемент системы для формования и выпечки тарталеток разного диаметра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ существующих методов

 

В настоящее время  существует достаточно методов и  средств измерения температуры, позволяющих регистрировать температуру как в промышленных, так и в бытовых условиях. Наиболее ответственной задачей при разработке методики измерения температуры является выбор приемлемого датчика температуры, поскольку от него в немалой степени зависит чувствительность разрабатываемого устройства, погрешность измерения, диапазон измеряемых температур и стоимость. В широком спектре промышленных средств измерения для этих целей используются прецизионные термопары и терморезисторы, а также различные полупроводниковые элементы транзисторы, диоды, стабилитронны параметры которых сильно зависят от температуры.

Рассмотрим следующие датчики  для измерения температуры.

1)Термистор представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или плёнки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую стойкость к окислению. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом не менее 0,003925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Действующий стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В стандарте впервые отказались от нормирования конкретных номинальных сопротивлений. Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает погрешность не лучше 0,1 °C (класс АА при 0 °C). Термометры сопротивления на основе напыленной на подложку плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов составляет 660 °C (класс С), для плёночных 600 °C (класс С).

2)Полупроводниковые температурные датчики. Современные полупроводниковые датчики температуры характеризуются высокой точностью и линейностью в диапазоне температур от _ 55 до +180°С. Встроенные усилители могут приводить коэффициент преобразования датчика до значений порядка 10 мВ/°С. Эти устройства широко используются в узлах компенсации холодного спая для термопар, работающих в ши роком температурном диапазоне. В основе работы всех полупроводниковых температурных датчиков лежит соотношение между коллекторным током биполярного транзистора и напряжением, приложенным к переходу база_эмиттер.

3)Термопа́ры (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлементы, применяемые в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее  определение термопары: Термопара  — пара проводников из различных  материалов, соединенных на одном  конце и формирующих часть  устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых  не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу  друг другу (см. рисунок). Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия основан  на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с температурой Т₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂.

 

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема печи.

 

 

1.1Система регулировки температуры в печи на термисторе.

 

Данная система регулировки температуры состоит из двух частей. Модуль терморегулятора. Принципиальная схема данной системы изображена на рисунке(рис.1).Датчик температуры терморезистор R15 входит в состав моста, балансировка которого осуществляется построечным резистором R13. Сигнал рассогласования с выхода моста поступает на вход компаратора МС3. При небольшом понижении температура терморезистора R15, порядка 0,5 градуса, происходит скачок напряжения на выходе компаратора. При этом загорается светодиод D7 и запускается генератор прямоугольных импульсов на микросхеме MC5. Частота генератора импульсов в сотни раз выше частоты напряжения сети. Импульсы генератора через трансформатор Тр2 воздействуют на управляющий электрод тиристора Д8 и открывают его в самом начале каждого полупериода сетевого напряжения. Этим обеспечивается включение нагревателей на полную мощность. Через 1-2 минуты температура моста повышается, сигнал рассогласования пропадает и нагреватели выключаются. Процесс повторяется периодически и через некоторое время в инкубаторе устанавливается заданная температура.

Модуль поворота лотков. Двигатель поворота лотков включается каждые 60 минут и при помощи шнура медленно поворачивает все три лотка на 90 градусов. Когда планка, прикреплённая к шнуру, касается верхнего концевого выключателя В1, то привод останавливается, а затем через 60 минут, после срабатывания реле времени на микросхеме К176ИЕ5, снова включается для движения в противоположном направлении, пока не достигнет нижнего концевого выключателя В2. Через 60 минут процесс повторяется. Направление вращения двигателя изменяется переключением контактов К1 реле Р1.

Реле времени собрано  на микросхеме МС1 К176ИЕ5, транзисторе  Т4 и реле Р2. Конденсатор С7 служит для проверки работоспособности  схемы. Он обеспечивает время выдержки 1 минуту, за которое происходит полный цикл поворота лотков. Конденсатор С8 даёт выдержку времени 60 минут.

На транзисторах Т1 и  Т2 собран триггер, состояние которого и как следствие этого направление  вращения двигателя поворота лотков зависит от того какой из концевых выключателей В1 или В2 замкнут или в каком из положений находятся лотки с яйцами. Сброс счётчика реле времени для начала отсчёта, происходит через цепочку Д1 С2 во время установки лотков в одно из устойчивых положений, когда срабатывает один из концевых выключателей и переключает состояние триггера. Через 60 минут реле времени срабатывает и своими контактами К2 замыкает цепь питания электродвигателя. При этом начинается движение лотков в противоположном направлении, пока не сработает противоположный выключатель и двигатель остановится. При этом триггер переключается в другое устойчивое состояние, контакты реле Р1  переключают обмотки электродвигателя для движения в противоположном направлении и обнуляют счётчик реле времени для начала отсчёта времени. Таким образом происходит периодический поворот лотков.

 

 

1.2  Измерители-регуляторы технологические серии ИРТ 5900

 

Измерители-регуляторы технологические  серии ИРТ 5900 предназначены для  измерения и контроля температуры  и других неэлектрических величин (частоты, давления, расхода, уровня и проч.), преобразованных в электрические сигналы силы и напряжения постоянного тока или в активное сопротивление.

Разработана новая модификация  пpибора ИРТ 5922А специально для  применения на атомных станциях (АЭС).

ИРТ 5900 являются микропроцессорными, полностью программируемыми потребителем изделиями с символьно-цифровой индикацией и встроенным интерфейсом RS 232/485.

Области применения: энергетика, цветная и черная металлургия, химия  и нефтехимия, транспортировка газа и пищевой промышленности.