Вимірювальний перетворювач температури

Міністерство освіти і науки України Національний авіаційний університет

Курсовий проект

з дисципліни «Вимірювальні перетворювачі»

на тему: «Вимірювальний перетворювач температури»

Київ 2009

Вступ

Одним із найбільш інформативних параметрів є температура, яка в даному курсовому проекті вимірюється за допомогою термопари типу К. Реалізовано вимірювальний перетворювач температури (передавальну частину) на основі мікросхеми Burr-Brown у вигляді вимірювального перетворювача XTR 110 в діапазоні вимірювань -270С до 1372С для класу точності 1,5. Моделювання перетворювача проводимо за допомогою пакету прикладних програм Electronics Workbench.

перетворювач термоелектричний температура підсилювач

1. Основна частина

Вимірювання температури термопарою

Термопара, утворена двома провідниками, А і В, два спаї яких знаходяться при температурах і, створює ЕРС залежну, з одного боку, від матеріалу провідників, А і В і, з другого боку, від температур і. Звичайно температура одного спаю постійна і відома; вона служить опорною (нульовою) крапкою. Температура іншого спаю є температурою, якої набуває цей спай в досліджуваному середовищі з температурою. Температура залежить від і теплових потоків, які можуть встановлюватися між спаєм і іншими об'єктами або середовищами. Оскільки вимірювальна інформація поступає від спаю, розміри якого можуть бути дуже малими, це забезпечує високу швидкодію і дозволяє проводити точкові вимірювання температури. Вказані дві особливості визначають перевагу застосування термопар в порівнянні з термометрами опору. Інша гідність термопари полягає в тому, що виробляється сигнал — ЕРС, для вимірювання якого не вимагається пропускати струм через датчик, тому не виникає, як у разі термометрів опору, ніякої похибки, пов’язаної з саморозігріванням, що істотне для вимірювань в системах з малою тепловою інерцією або при низьких температурах. Недолік термопари полягає в тому, що для вимірювання необхідно знати температуру опорного спаю. Будь-яка похибка дає похибку такого ж порядку в .

ЕРС термопари в широкому діапазоні температур є нелінійною функцією (мал. 1). Нелінійність залежності э. д. з. термопари від температури виражається поліномом. Для термопари кожного типу існує стандарт, в якому приводяться таблиця значень залежно від температури і поліном, що описує залежність алгебри від, яка відповідає таблиці.

Мал. 1. Зміна ЕРС різних термопар залежно від температури.

Мал. 2. Залежність термоелектричної здатності різних термопар від температури.

Для інших термопар повний робочий діапазон ділиться на декілька відрізків і в стандарті для кожного з них дається поліном, що описує табульовану залежність від. Якщо в досить широкому діапазоні температур не можна рахувати залежність ЕРС лінійної, то в обмеженій області це допустимо. Ширина такої області залежить від необхідної точності.

Термопари залежно від їх типу застосовні від дуже низьких температур (від для термопари мідь — сплав срібла з кобальтом) до дуже високих температур (для термопари вольфрам-реній). В останньому випадку вони дозволяють виміряти значно більш високі температури, ніж термометри опору (приблизно на).

Чутливість термопари до температури, або термоелектрична здатність при температурі визначається співвідношенням

.

Вона залежить від температури і виражається в. чутливість термопар значно нижче за чутливість вимірювальних установок з термометрами опору.

2. Розробка схеми

Структурна схема вимірювального перетворювача температури (передавача) має наступний вигляд:

Д — датчик НП — нормуючий підсилювач ВП — вимірювальний підсилювач

XTR 110 — уніфікуючий вимірювальний перетворювач (передавач) Реалізація принципової схеми за допомогою Electronics Workbench:

3. Елементи схеми

Термопара

В даній роботі було запропоновано використати термопару типу Е коефіцієнт Заєбека для даної термопари

тоді

Вимірювальний підсилювач

Оскільки максимальна напруга на виході термопари в нашому діапазоні дорівнює, а вхідна напруга перетворювача XTR110 дорівнює 1…5 В, то для узгодження між цими мікросхемами ми використовуємо пристрій узгодження, реалізований як неінвертуючий підсилювач.

Нормуючий підсилювач

Нормуючий підсилювач реалізуємо на мікросхемі LT 1792, виконує функцію ініціалізації та підсилення напруги у необхідну кількість разів.

Мікросхема XTR 110

XTR110 — уніфікуючий вимірювальний перетворювач напруга в струм.

Мікросхема XTR 110 являє собою трьохпровідний передавач, подібний двохпровідному, за вийнятком того, що один з двох проводів заземлено та добавлено третій провід. Це так званий провід блока живлення. Третій провід призначений для живлення цього датчика.

Маючи у розпорядженні зовнішнє живлення передавача, легко виконати спряження з мостом низького опору.

В мікросхемі XTR 110 є опорна напруга 10 В, яка служить для збудження або ініціалізації струмів датчика.

Вимірювальний підсилювач використовується для того, щоб підсилювати вихід моста для узгодження зі входом XTR 110. В цьому випадку вимірювальний підсилювач є однополюсним джерелом живлення від 10 В, який запобігає похибкам, що виникають в результаті коливання потужності.

Реалізація мікросхеми XTR 110 за допомогою Electronics Workbench має наступний вигляд:

Характеристики мікросхеми:

— перетворення струму в діапазоні ;

— діапазон напруг, на вході і відповідно на виході;

— максимальна нелінійність;

— одиничне підсилення при використанні;

— широкий діапазон підсилення .

XTR110

За даними розробника мікросхеми, компанії Burr-Broun, похибки даної схеми:

— зведена адитивна похибка мікросхеми XTR110 складає .

— мультиплікативна похибка мікрохеми XTR110 складає .

4. Розрахунок елементів схеми

1. Напруга на вході вимірювального підсилювача:

де — коєфіціент Зеебека термопари .

— вимірювана температура.

— температура холодного спаю.

Напруга на виході вимірювального підсилювача:

— напруга, яка подається на вхід ВП, цю напругу ми використовуємо для термокомпенсації, тому

— крутизна термодіода, яка , — взірцевий опір.

Використовуємо діод з позитивним температурним коефіцієнтом струму, який дозволяє підвищити точність компенсації температури холодного спаю та спрощує реалізацію. Вихідний струм діода схеми компенсації температури холодного спаю:

.

Падіння на опорі

тоді струм діода при буде

Отримуємо остаточну формулу для вихідної напруги ВП:

Якщо забезпечити рівність:

То тоді коефіцієнт підсилення ВП:

Діапазон вимірюваних напруг:

Розрахуємо номінальну вихідну напругу вимірювального підсилювача:

Знаючи коефіцієнт підсилення, розрахуємо опір

Коефіцієнт підсилення ВП:

знайдемо

Приймаємо, що опір

Розрахуємо нормуючий підсилювач:

Для цього розв’яжемо систему рівнянь При

Задамо

Маємо таку систему рівнянь:

(1)

Виразимо

Підставимо в перше рівняння Звідси

Тоді

Провівши дослідження даного вимірювального перетворювача температури (передавальної частини) в Electronics Workbench, маємо, що для отримання необхідної напруги на виході пристрою узгодження 1…5 В та необхідного струму на виході мікросхеми XTR 110 4…20 mA слід прийняти резистори .

5. Розрахунок похибок

Згідно завдання приведена адитивна похибка, а мультиплікативна

;

Сумарна мультиплікативна похибка включає в себе мультиплікативні похибки блоків тобто

— мультиплікативна похибка перетворювача напруга — струм (XTR 110) — паспортні данні -0,3%

— мультиплікативна похибка перетворювача струм — напруга (RCV 420) — паспортні данні -0,15%

Знайдемо

Сумарна приведена похибка

— приведена похибка перетворювача напруга — струм (XTR 110) — паспортні данні -0,2%

— приведена похибка перетворювача струм — напруга (RCV 420) — паспортні данні - 0,06%

Знайдемо

6. Перевірка схеми вимірювального перетворювача температури (передавальної частини) на лінійність

Висновки

В даному курсовому проекті було реалізовано вимірювальний перетворювач температури (передавальну частину) за допомогою пакету прикладних програм Electronics Workbench. Відповідно до вихідних даних було проведено розрахунок елементів схеми та обчислено сумарну похибку перетворювача, що дорівнює класу точності, нормованому у вигляді одного значення, тобто 1,5%.

При моделюванні в Electronics Workbench вимірювального перетворювача температури (передавальної частини) на основі мікросхеми Burr-Brown у вигляді вимірювального перетворювача XTR 110 в діапазоні вимірювань на виході пристрою узгодження отримано напругу в межах, а на виході XTR 110 — струм в межах, що й відповідає заданим параметрам.

Список літератури

1. Левшина Е. С., Новицкий В. П. «Электрические измерения физических величин», Л.-1983.

2. Проффас «Измерения в промышленности», М.-1990.

3. Куликовский К. Л., Купер В. Я. «Методы и средства измерения», М.-1986.

4. Классен К. Б. «Основы измерений», М.-2000.

5. Тер-Хачатуров, Алиев «Измерительная техника», М.-1990.