Курсовая работа является закреплением теоретических знаний, полученных по данному курсу и смежным дисциплинам, освоение методов работы с техническими средствами систем автоматизации и управления.
Цель: в курсовой работе провести расчет измерительного преобразователя для сигналов датчиков температуры: термопар по ГОСТ 6616-94 и термометров сопротивления по ГОСТ 6651-94. На основании полученных данных сделать вывод о необходимости линеаризации характеристики и предложить вариант линеаризации, определить разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выбрать и обосновать структуру АЦП, пояснить принцип работы АЦП, а также разработать функциональную схему измерительного преобразователя и составить технические описание ее работы.
Содержание курсовой работы:
1. Исходные данные:
1) тип датчика:
- термопара ТХК(L);
2) диапазон температуры для указанного датчика
- от 0 до 150 °С;
3) входной сигнал для этого типа датчика
- термоЭДС (ГОСТ 6616-94, ГОСТ Р50342-92, ГОСТ Р 8.585-2001, ГОСТ 3044-84);
4) выходной сигнал:
- цифровой — пропорциональный температуре двоичный код;
5) класс точности — 0,25;
6) время реакции датчика на изменение температуры — более 10 сек.;
7) гальваническое разделение между входными и выходными цепями.
2. Задание:
1) построить график функции E = f(t),
где E — термо-электродвижущая сила (термоЭДС) термопары (мВ);
- T — температура (°С);
2) построить прямую, соединяющую крайние точки заданного диапазона температуры, т.е. идеальную линейную характеристику преобразования по температуре;
3) определить максимальную в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделать вывод о необходимости линеаризации, исходя из заданного класса точности с учетом запаса по погрешности не менее 20% от заданного (0,25);
4) определить разрешающую способность (разрядность) АЦ-преобразования с учетом линеаризации, учитывая, что максимальная погрешность преобразователя (0,25) в соответствии с ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» не должна превышать 5 квантов (единиц младшего разряда);
5) определить число участков линеаризации, обеспечивающих заданную точность преобразования, и предложить вариант линеаризации НСХ преобразователя по температуре любым способом (кусочно-линейная аппроксимация, прямое преобразование с помощью ПЗУ, другое);
Измерительные преобразователи температуры
Измерительные преобразователи температуры можно подразделить на несколько больших ... стержня с различными температурными коэффициентами. При достижении определенной температуры чувствительный элемент замыкает или размыкает какой-либо электрический ... однородной картины. Каждому положению движка реостата соответствует определенная температура. На рис. 2.8 представлена схема пирометра полного излучения. ...
6) выбрать и обосновать принцип работы узла АЦ — преобразования;
7) определить время преобразования измерительного преобразователя, исходя из принципа работы узла АЦ — преобразователя, фильтрации помех и времени реакции датчика;
8) разработать структурную (функциональную) схему измерительного преобразователя, указав основные функциональные узлы с учетом особенностей измерения температуры датчиком-термопарой (ЭДС низкого уровня, компенсация температуры свободных концов).
Составить описание устройства и принципа действия измерительного преобразователя по структурной (функциональной) схеме: функциональное назначение и необходимость в составе прибора каждого узла схемы.
Различного рода датчики в современной электронике играют исключительно важную роль. Любой разработчик в своей практической деятельности рано или поздно сталкивается с необходимостью использования этих устройств.
Спектр использования температурных датчиков чрезвычайно широк: от зарядных устройств до дорогостоящих портативных приборов. Везде, где характеристики системы, так или иначе, зависят от температурных факторов, применяются эти приборы. Благодаря наличию АЦП с высокой разрешающей способностью, сигналы с датчиков могут быть оцифрованы непосредственно, без предварительного усиления и линеаризации. Линеаризация, компенсация напряжения на опорном спае и другая обработка выполняются затем цифровыми способами, что позволяет снизить сложность и стоимость системы.
В нашей работе мы рассмотрим датчик — термопару TXK(L).
Термопары хромель-копель ТХК (L) имеют наиболее высокую крутизну характеристики (мкВ/С), могут использоваться в окислительной среде или атмосфере инертного газа, но взаимодействуют с серой, плохо работают при повышенных температурах в низкокислородных средах, в вакууме или при пониженном давлении. Применяются, как правило, в защитных оболочках. Диапазон температур от — 200 до 900С.
График функции E = f(t) где Е — термо-электродвижущая сила (термо- э. д. с.) термопары (мВ) Для построения НСХ термопары ТХК(L) используем данные ГОСТ 3044-84 (таблица 1).
Построим график НСХ термопары ТХК(L) для диапазона температур от 0 до +100?С с шагом 5?С (рис 1).
|
температура рабочего конца ?С |
Т. э. д. с., мВ для температуры, ?С |
Т. э. д. с., мВ для температуры, ?С идеальной прямой |
погрешность нелинейности |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
5 |
0,318 |
0,343 |
0,025 |
|
|
10 |
0,639 |
0,686 |
0,047 |
|
|
15 |
0,963 |
1,029 |
0,066 |
|
|
20 |
1,289 |
1,372 |
0,083 |
|
|
25 |
1,619 |
1,715 |
0,096 |
|
|
30 |
1,951 |
2,058 |
0,107 |
|
|
35 |
2,286 |
2,401 |
0,115 |
|
|
40 |
2,623 |
2,744 |
0,121 |
|
|
45 |
2,963 |
3,087 |
0,124 |
|
|
50 |
3,306 |
3,43 |
0,124 |
|
|
55 |
3,651 |
3,773 |
0,122 |
|
|
60 |
3,998 |
4,116 |
0,118 |
|
|
65 |
4,348 |
4,459 |
0,111 |
|
|
70 |
4,700 |
4,802 |
0,102 |
|
|
75 |
5,055 |
5,145 |
0,09 |
|
|
80 |
5,411 |
5,488 |
0,077 |
|
|
85 |
5,770 |
5,831 |
0,061 |
|
|
90 |
6,131 |
6,174 |
0,043 |
|
|
95 |
6,495 |
6,517 |
0,022 |
|
|
100 |
6,860 |
6,86 |
0 |
|
Прямая, соединяющая две крайние точки рабочего диапазона датчика 0 и 100?С, является идеальной линейной характеристикой преобразования (значения Т. э. д. с. для нее можно увидеть в таблице 1).
Уравнение для нашей прямой выглядит следующим образом:
;
- Рисунок 1. График зависимости сопротивления от температуры
Нелинейность преобразователя — это отклонение от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования для заданного диапазона работы.
Из таблицы 1 и графика видно, что максимальное отклонение номинальной статической характеристики от прямой в диапазоне температур от 0 до 150?С будет при 50?С.
Относительная погрешность — это разность между номинальным и действительным отношениями аналоговой величины, соответствующей заданному цифровому входному сигналу, к полной шкале, независимо от калибровки последней.
Максимальную относительную погрешность нелинейности (в %) в диапазоне температур от 0 до 150?С, определим по формуле (1):
(1)
где
- значение идеальной линейной характеристики преобразования для температуры 50?С;
- значение термоЭДС НСХ термопары ТХК(L) для температуры (50?С);
- диапазон значений термоЭДС НСХ термопары ТХК(L) для крайних точек характеристики преобразования (e (0?С) и e (100?С)).
Итак, максимальная относительная погрешность нелинейности (в %) составит:
Наш измерительный преобразователь должен обеспечивать класс точности 0,25 с запасом не менее 20%, т.е. точность преобразования должна быть лучше 0,2 (20% от 0,25 это 0,05).
Для соответствия нашего преобразователя точности 0,2 необходимо провести линеаризацию преобразователя температуры датчика ТХК(L).
Разрешающая способность аналогоцифрового преобразования.
Разрешающая способность преобразователя есть наименьший уровень входного аналогового сигнала (для АЦП), для которого вырабатывается выходной цифровой код, и наименьший входной цифровой код (для ЦАП), для которого образуется уровень выходного аналогового сигнала. На практике полезная разрешающая способность преобразователя часто оказывается меньше указанной, поскольку она ограничивается из-за воздействия шума, температуры и факторов времени.
Полезная разрешающая способность — это наименьший возможный различимый разряд для всех требуемых условий эксплуатации (времени, температуры и т.д.).
Определим разрешающую способность (разрядность) АЦП с учетом линеаризации и то, что максимальная погрешность АЦ-преобразователя в соответствии с ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» не должна превышать 5 квантов (единиц младшего разряда).
Разрешающая способность определяется количеством двоичных разрядов входного аналогового сигнала и характеризуется возможным количеством уровней выходного кода.
Можем определить требуемую разрешающую способность преобразователя (полезную) по формуле:
где
L — ширина диапазона изменения напряжения, равная ,
- шаг квантования определяется исходя из заданной точности (шума квантования):
где — шум квантования, %.
Шум квантования рассчитывается следующим образом:
При L= имеем шаг квантования:
Количество уровней квантования будет
Далее необходимо определить минимальное количество разрядов АЦП, которое может обеспечить рассчитанное число уровней квантования. Количество разрядов определяется, как ближайшее целое число по условию:
Таким образом, получаем 11 — разрядный выходной код АЦП. С учетом 1 разряда на линеаризацию получим , и 12 — разрядный преобразователь удовлетворяют условию 20% запаса, учитывая, что максимальная погрешность АЦП не должна превышать 5 квантов. Следовательно, выбираем .
Линеаризация НСХ преобразования.
Для достижения требуемой точности преобразования используют линеаризацию НСХ термопреобразователя. На практике широкое распространение получил метод линеаризации с помощью кусочно-линейной аппроксимации. В этом методе исходную функцию представляют ломанной кривой, уменьшая тем самым число точек характеристики, значение которых необходимо держать в памяти вычислительного устройства, соответственно при этом уменьшаются требования к вычислительному устройству, что удешевляет стоимость всей системы и упрощает ее.
Мы также будем использовать метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого разделим исходную НСХ термопреобразователя на несколько участков, в каждом из которых НСХ представляется прямым отрезком, соединяющим крайние точки характеристики НСХ.
В первом приближении число необходимых участков линеаризации можно определить по формуле:
где
- число участков линеаризации;
- максимальная погрешность линеаризации (%);
0,2 — требуемая точность преобразования.
Итак,
Таким образом, в первом приближении, для соответствия преобразователя классу точности 0,25, исходную НСХ термопреобразователя необходимо разделить на 12 участков.
Выбор и обоснование принципа работы узла аналогоцифрового преобразования
По существу аналого-цифровые преобразователи либо преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной сигнал с переменным опорным сигналом, используя внутренний ЦАП.
Существует три ведущих способа преобразования, основанных на принципе измерения временного интервала: преобразование напряжения в частоту, метод с пилообразным напряжением и метод линейного интегрирования. На методе сравнения основываются схемы последовательного приближения, параллельные и модифицированные параллельные схемы.
В основном находят применение 2 основных типа АЦП: двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению.
При выборе принципа работы узла аналого-цифрового преобразования будем учитывать следующие факторы:
- точность преобразования;
- скорость преобразования;
- стабильность точностных характеристик преобразователя во времени;
- стоимость преобразователя;
- гальваническое разделение входных и выходных цепей.
Рассмотрим все эти факторы:
1) из задания известно, что время реакции датчика на изменение температуры составляет более 10 секунд — можем применить низкоскоростной АЦП;
2) требования к точности преобразования — 12 разрядный АЦП (п.3);
3) стоимость преобразователя — как можно дешевле;
4) стабильность точностных характеристик преобразователя во времени — с течением времени преобразователь должен обеспечивать высокое качество преобразования без необходимости частой калибровки потребителем;
5) практически все АЦП позволяют реализовать гальваническое разделение между входными и выходными цепями, различия будут лишь в технической реализации и стоимости выбранного решения.
Этим требованиям отвечают интегрирующие АЦП, которые имеют дополнительные преимущества по сравнению с АЦП последовательного приближения: минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.
Итак, выбираем двухтактный интегрирующий АЦП. Рассмотрим принцип работы двухтактного интегрирующего АЦП.
В первом такте цикла преобразования производится интегрирование — накопление интеграла от некоторого входного сигнала, а затем во втором также выполняется операция «разинтегрирования» — считывание накопленного интеграла путем подачи на вход интегратора другого входного сигнала (опорного).
Диаграмма изменения напряжения Uи на выходе неинвертирующего интегратора при реализации принципа двухтактного интегрирования показана на рис. 2. В первом такте длительностью Т 1 напряжение Uи изменяется от некоторого начального уровня (в частном случае от нуля) до значения Uм. Во втором такте длительностью Т2 происходит обратное изменение Uи — от Uм до исходного уровня. Накопление интеграла (в течение Т1 ) происходит при подаче на вход интегратора напряжения Uвх.и = U1 , а считывание (Т2 ) — при подаче напряжения Uвх.и = U2 .
Рис. 2. Диаграмма изменения интеграла при реализации принципа двухтактного интегрирования
Суммарное приращение интеграла за цикл интегрирования равно нулю, поэтому можно записать
где
? — постоянная времени интегратора.
Отсюда видно, что напряжения U 1 и U2 должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством
T 2 /T1 = — U1 /U2 .
Задача построения точного цифрового измерителя длительности импульсов решается просто: производят подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. В интегрирующем преобразователе этого типа не важны стабильность частоты генератора импульсов, если исходить из того, что она остается постоянной за время преобразования, и стабильность «постоянной времени» интегратора. Выбирая время интегрирования равным одному или нескольким периодам сигнала помехи, помеху можно исключить. Двухтактный интегрирующий АЦП применяется до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре.
Время преобразования измерительного преобразователя.
Типичное время преобразования равно удвоенному произведению периода импульсов на число уровней квантования.. Это время значительно больше, чем для преобразователя последовательного приближения, имеющего такую же частоту генератора импульсов. С другой стороны, для любой заданной точности интегрирующий преобразователь обычно стоит меньше, чем преобразователь последовательного приближения, так как он почти не требует прецизионных элементов. АЦП двойного интегрирования применим до 14 — разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре, но он относительно медленно действующий.
Структурная схема измерительного преобразователя
Выходное напряжение термопары пропорционально разности температур между двумя спаями (чувствительным и опорным).
На практике требуется знание температуры на чувствительном спае. Учесть температуру опорной термопары можно двумя способами:
1) поддерживать на опорном спае постоянную температуру, равную 0°С, обычно для этой цели используют ванночку с тающим льдом или стабилизированный по температуре холодильник, который будет выполнять ту же работу ;
2) построение компенсирующих схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном соединении не равна 0°С.
Основная идея компенсирующих схем заключается в использовании полупроводникового датчика, воспринимающего температуру холодного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т.е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С).
Кроме того, т.к. термопары имеют низкое выходное напряжение (50мкВ/°С или около этого), и применяются в областях, где существуют большие синфазные помехи промышленной частоты и радиочастотные наводки, то усилитель (или измерительная схема) должен хорошо подавлять синфазные помехи промышленной частоты (50Гц) и иметь стабильное дифференциальное усиление.
Кроме того, входное сопротивление усилителя должно быть достаточно высоким, чтобы предотвратить ошибки от нагружения датчика, поскольку выводы термопар имеют некоторое сопротивление.
Исходя из этих положений, одним из вариантов структурной схемы измерительного преобразователя может стать преобразователь, приведенный на рис.3.
Рис.3. Структурная схема измерительного преобразователя
Рассмотрим назначение каждого узла структурной схемы измерительного преобразователя.
Измерительный преобразователь (рис.3) содержит фильтр низких частот (ФНЧ), устройство компенсации ЭДС опорного спая, измерительный усилитель сигнала датчика (термопары), интегратор, логический узел управления (устройство управления), генератор тактовых импульсов, компаратор, выходной счетчик и узел гальванического разделения между входными и выходными цепями (гальваническая изоляция).
ФНЧ (фильтр низких частот) необходим для устранения высокочастотных составляющих помех из полезного сигнала датчика термопары и пропуска на измерительный усилитель только медленно изменяющихся сигналов.
Схема компенсации ЭДС опорного спая содержит в своем составе полупроводниковый датчик, воспринимающий температуру опорного спая и схему, формирующую поправку к напряжению датчика, т.е. компенсирующую разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0°С).
Затем скомпенсированный сигнал подается на вход измерительного усилителя, который усиливает малые значения сигнала с термопары до величин, которые будут корректно обрабатываться интегрирующим АЦП.
Интегрирующий АЦП состоит из нескольких узлов: интегратора, компаратора, генератора тактовых импульсов, устройства управления и счетчика.
Интегратор, который интегрирует входной сигнал в течение определенного времени, затем, когда счетчик переполняется, аналоговый входной сигнал отсоединяется устройством управления от интегратора и интегрируется опорное напряжение. Т.к. опорное напряжение постоянно, то наклон в течение времени T 2 всегда будет постоянным. Интервал времени T2 , необходимый для возвращения выходного напряжения интегратора в нуль, является функцией входного напряжения Uвх. Цифровой счетчик, который установился в конце интервала T1 в исходное состояние, снова начинает считать в течение интервала T2 . Когда выходное напряжение интегратора достигает нуля, счетчик останавливается и его состояние представляет цифровое слово, отображающее входной аналоговый сигнал.
Блок гальванической изоляции необходим для гальванического разделения между входными и выходными цепями измерительного преобразователя, что позволяет подключать к выходу преобразователя практически любые устройства, исключая выход их из строя (из-за возникновения уравнивающих токов при появлении разности потенциалов между сопрягаемыми устройствами вследствие различных факторов).
В настоящее время широко используется преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, что связано с тем, что данные, представленные в цифровом виде легко обрабатывать с помощью существующих вычислительных устройств и реализовывать дешевые системы обработки и передачи данных. Преобразовывая в цифровую форму с помощью АЦП такие аналоговые величины, как температура, давление, скорость, звук, можно реализовать различные устройства обработки данных, отличающиеся высоким качеством работы при малой стоимости и простоте.
В связи с тем, что сейчас существует широкий выбор различных интегральных схем, сочетающих в одном кристалле все необходимые функциональные узлы для построения высококачественных и эффективных систем обработки различных физических параметров, то это позволяет ввести цифровую обработку сигналов любому разработчику, который в ней нуждается.
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raschet-datchika-temperaturyi/
1. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1982.-552с.
2. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учеб. для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985.-304с.
3. ГОСТ 6616-94 (ГОСТ Р50342-92) Преобразователи термоэлектрические. Общие технические требования и методы испытаний.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. №. Пер. с англ. — М.: Мир, 1993.-367с.
