Курсовая работа: Комп’ютерне моделювання вимірювальної системи
Якщо температури в точках А і В відрізняються, то по ланцюгу починає протікати електричний струм. Якщо між спаями є різниця температур, то на виході термопари буде напруга U. Залежності U(T) для різних матеріалів відомі, що дозволяє визначати T через U. Якщо один спай занурити, наприклад, в лід що тане (0°С), а інший ввести в контакт з об’єктом вимірювання, то між ними з’являється термо-ЕРС, яку можна виміряти, і яка складає, в залежності від виду термопари 7…75 мкВ/°С.
У випадку термопари з міді і мідно-нікелевого сплаву термо-ЕРС в діапазоні температур 0…100°С складає приблизно 40 мкВ/°С. При різниці температур спаїв в 100°С отримуємо приблизно 4.3 мВ. Для достатньо точного виміру такої незначної напруги необхідні дорогі та складні вимірювальні підсилювачі. Крім того опорна температура завжди має підтримуватися на одному рівні або також вимірюватися.
Термопари є невеликими, точними і відносно недорогими пристроями, які працюють у широкому діапазоні температур. Вони особливо корисні при виконанні вимірювання досить високих температур (до +2300 ˚С) в агресивних середовищах. Вони дають на виході мілівольтні сигнали і потребують точного підсилення для проведення подальшої їх обробки. Вони також потребують мір по компенсації температури холодного спаю. Вони більш лінійні, ніж багато інших сенсорів й їх нелінійність добре формалізована. Для створення термопар використовують наступні метали і сплави: залізо, платина, родій, реній, вольфрам, мідь, алюмень (сплав нікеля і алюмінія), хромель (сплав нікеля і хрому), константан (сплав міді і нікелю), копель (сплав нікелю, заліза і міді) та ін.
Часто одночасно використовується два спаї (диференційна термопара), один з яких знаходиться при відомій (опорній) температурі, а другий вимірює температуру об’єкту і називається чутливим або вимірювальним.
Рис. 2.2. Диференційна термопара
На рис. 2.3 показані криві залежності напруги від температури для трьох поширених термопар при фіксованій температурі опорного спаю (холодного спаю) 0˚С. З показаних сенсорів термопари J є найбільш чутливими, для яких заданому перепаду температури відповідає найбільша вихідна напруга. З іншої сторони, термопари S є найменш чутливими. Наведені характеристики корисні при розробці схем нормування сигналів, оскільки для термопари з малими вихідними сигналами потрібні підсилювачі з більш низькими шумами, малим дрейфом і високим підсиленням.
Для розуміння поведінки термопари потрібно розглянути нелінійність її відгуку на перепад температури. На рис. 2.3 показано відношення між температурою вимірювального спаю і вихідною напругою для ряду термопар (в усіх випадках холодний спай підтримується при температурі 0˚С).
Рис. 2.3. Характеристики термопар: а) залежність вихідної напруги від температури; б) перша похідна залежності напруги від температури.
Згідно із завданням в якості сенсора використовується термопара „Мідь-константан” типуТ. Температурний діапазон термопари від 0 до 400 ºС [1, С.46]. Апроксимуючий поліном:
,(2.1)
деE –термоелектрорушійна сила (терс), мкВ;
| i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| bi | 3,87408·101 | 3,31902·10-2 | 2,07142·10-4 | -2,19458·10-6 | 1,10319·10-8 |
| i | 6 | 7 | 8 |
| bi | -3,09275·10-11 | 4,56533·10- 14 | -2,76169·10- 17 |
Таблиця 2.1. Номінальна статична характеристика перетворення термопари „Мідь-константан”
| T, ºС | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 |
| E, мВ | 0,000 | 4,277 | 9,286 | 14,860 | 20,869 |
2.1.2 Будова і принцип роботи підсилювача
Згідно завдання схема під’єднання операційного підсилювача А1 [2]:
Рис.2.4. Схема підсилювача
Коефіцієнт підсилення схеми по напрузі:
. (2.2)
Згідно завдання R1 =12 кОм, R2 = 120 кОм.
2.1.3 Аналогово-цифровий перетворювач
Для комп’ютерної обробки дискретні аналогові значення вимірювального сигналу, необхідно представити в цифровій формі, тобто виконати аналого-цифрове (AC, Analog-Digital – A/D) перетворення. Відповідний пристрій являється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП, Analog-Digital Converter, ADC Converter – ADC). АЦП генерує двійкове слово – цифровий вихід – на основі аналогового сигналу. АЦП може працювати у відповідності з різними принципами: паралельне порівняння, покрокове наближення (апроксимація)[2-4].
Метод послідовної лічби із застосуванням АЦП заснований на урівноваженні вхідної напруги сумою еталонів, які підраховуються лічильником. Момент урівноваження визначається аналоговим компаратором. Схема АЦП послідовної лічби показана на рис. 2.5. а. У ній за сигналом "Пуск" RS-тригер переключається в стан "1" і дозволяє проходження імпульсів від генератора G через елемент І на вхід підсумовування двійкового лічильника СТ2.
Рис. 2.5. Аналого-цифровий перетворювач послідовної лічби з ЦАП: а – схема; б – часові діаграми роботи
Наростаючий цифровий код з виходу лічильників СТ2 перетворюється за допомогою ЦАП в напругу, яка подається на вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга Uвх. У момент рівності напруг UВХ =UЦАП компаратор виробляє сигнал скидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильника СТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення tпр залежить від значення напруги UВХ (рис. 2.5, б).
Згідно завданню схема АЦП: