Разработка  электронного устройства для бесконтактного измерения температуры плазмы. Выпускная  квалификационная работа 134 с. 

АННОТАЦИЯ 

     Целью данной работы является разработка устройства для измерения истинной температуры  низкотемпературной плазмы методом относительных интенсивностей спектральных линий. В работе описаны различные методы бесконтактной пирометрии, приведен их сравнительный анализ. Приводятся расчетные формулы.

     Разработаны структурная, функциональная и электрическая  принципиальная схемы устройства, алгоритм работы однокристальной микроЭВМ. Проведен расчет относительной погрешности устройства.

 

     Содержание

Ведомость документации 7

Техническое задание 9

Введение 10

1 Расчетно-теоретическая  часть 12

1.1 Обзор существующих методов бесконтактного определения температуры 12

      1.2 Выбор и описание структурной схемы 30

      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

2 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

3 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

4 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 спектральных 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 точность (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.