Курсовая работа: Принцип работы электрических термометров и создание измерительного преобразователя для датчика термопары

В двухтактном интегрирующем АЦП соотношение длительностей тактов определяется равенством:

В нашем случае Uвх примем равным 4,5108 В (усилитель должен усиливать входной сигнал с датчика в 100 раз), Uоп – 2,5 В как наиболее часто используемое опорное напряжение в современных схемах и самое простое в исполнении.

Тогда время разряда , и общее время преобразования АЦП:

Время интегрирования входного напряжения Uвх установим кратным периоду сетевой помехи и равным t₁ = 640 мс.

Таким образом, максимальное время преобразования измерительного преобразователя будет равно:

Время реакции датчика на изменение температуры – не более 10 секунд, в нашем случае максимальное время преобразования равно 1,8 секунд, что меньше.

7. 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.6.

Рисунок 6. Структурная схема измерительного преобразователя

Рассмотрим назначение каждого узла структурной схемы измерительного преобразователя.

Измерительный преобразователь (рис.6) 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 T₂ 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).

Заключение

В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя для датчика термопары.

Построен график функции E = f(T). Построена идеальная линейная характеристика преобразования по температуре. Определена максимальная в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделан вывод о необходимости линеаризации. Определена разрешающая способность АЦ-преобразования с учетом линеаризации.