Датчики измерения температуры

Таким образом, рассматриваемое устройство должно обеспечить преобразования напряжения с выхода датчика в соответствующее значение температуры и отображение его на индикаторе. Используем датчик фирмы Banner Engineerihg M18TUP14Q. Зависимость выходного напряжения от датчика M18TUP14Q от температуры объекта приведено на рисунке 12. Данный датчик имеет линейность 2 в диапазоне 0…50 ?C и 1 в диапазоне 50…300 ?C.

Рисунок 12 - Зависимость напряжения на выходе датчика от температуры объекта

Рассмотрим функционирование схемы устройства.

С выхода пироэлектрического датчика напряжение соответствующее температуре объекта поступает на ФНЧ, который предназначен для фильтрации помех. С выхода ФНЧ сигнал поступает на аттенюатор, с помощью которого выполняется калибровка устройства путем изменения коэффициента передачи. Далее сигнал поступает на согласующее устройство (СУ) предназначенное для подключения датчика к автоматическому цифровому преобразователю (АЦП). С выхода АЦП сигнал поступает на вход микроконтроллера (CPU1). Микроконтроллер осуществляет пересчет кода соответствующего выходному напряжению датчика в температуру объекта.

Рассмотрим алгоритм работы микроконтроллера (CPU1). Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера (МК) приведена на рисунке 14. При нажатии кнопки ”Замер” на клавиатуре подключенной к порту Р1, МК через P0 проверяет наличие сигнала готовности АЦП. При поступлении сигнала готовность, в аккумулятор АМК записывается код с порта Р0. Далее МК производит процедуру сравнения содержимого аккумулятора А с кодом соответствующим напряжению на выходе датчика, при температуре объекта 50 ?C. В зависимости от результата сравнения в регистр МК Rn записываются соответствующие значения T1, T2, и .

Где значения T₁ и T₂ соответствуют крайним значениям температуры линейного участка характеристики датчика, а и - значение кода, соответствующего температуре объекта T₁ и T₂. В случае, положительного результата сравнения T₁=0 °C и T₂ =50 °C. В случае, отрицательного результата сравнения T₁=50 °C и T₂ =300 °C. Далее МК пересчитывает значение кода полученного с АЦП в значение температуры объекта по формуле

где - значение кода полученного с АЦП;

- температура объекта.

Далее код соответствующий значению температуры объекта через порты Р2 и Р3 поступает на схему управления ЖКИ и интерфейс USB. Таким образом, информация о температуре объекта поступает на отображение.

Далее в аккумулятор АМК записывается значение кода с Р1. В случае нажатой кнопки ”Cтоп” на порты МК Р2 и Р3 продолжает поступать значение подсчитанной температуру объекта. В ином случае через порот Р2 на АЦП поступает сигнал сброса и цикл измерения повторяется.

Питание элементов схемы осуществляется от аккумулятора напряжением 4,5 В с помощью DC - DC преобразователя. В качестве зарядного устройства (ЗУ) используется готовый нестабилизированный сетевой адаптер БПН 12-03 с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 300 мА. С помощью супервизора контролируется заряд аккумулятора.

Рассмотрим схему управления ЗУ. В основе схемы лежит микроконтроллер (CPU2). Вывод AIN контроллера является входом аналогового компаратора, с помощью которого контролируется состояние источника питания (ЗУ). Вывод ADC это вход АЦП, с помощью которого измеряется напряжение на аккумуляторе. Высокий уровень на выходе P0 включает цепь зарядки аккумулятора. Высокий уровень на выходе P1 включает цепь разряда аккумулятора. Вывод P2 служит для индикации окончания заряда аккумулятора. Диод используется для защиты от неправильного подключения источника питания.

Рисунок 14 - Блок-схема алгоритма работы МК

Рассмотрим алгоритм работы микроконтроллера (CPU2). Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера (МК) приведена на рисунке 15. После подачи питания на микроконтроллер, происходит частичная инициализация внутренних устройств микроконтроллера (порт ввода/вывода, таймер, АЦП, компаратор и т.п.). Так же начинает светиться светодиод VD5. Затем проверяется, в норме ли напряжение питания. Если напряжение в норме, то завершается инициализация и считывается значение статуса из энергонезависимой памяти (EEPROM) МК, чтобы узнать статус МК до отключения питания. Далее, проверяется, установлена ли аккумуляторная батарея в зарядное устройство. Для этого измеряется напряжение на аккумуляторной батарее. Если оно больше, чем 0,5 вольта, то считается, что батарея установлена. Если в момент включения питания батарея находилась в зарядном устройстве, то работа продолжится в соответствии с тем состоянием, которое было записано в энергонезависимую память.

Если раньше шёл разряд, то продолжится разряд, а затем начнётся заряд. Если шёл заряд, то продолжится заряд, пока аккумулятор не будет заряжен, после чего ЗУ будет отключено. Если же в момент включения питания батарея не была установлена, то будет начат новый цикл разряд/заряд по установке аккумулятора. Как только батарея будет установлена, будет включена цепь разряда аккумулятора. При этом начинает светиться светодиод VD3. Разряд будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не уменьшится до 1 В. После этого, разрядная цепь отключается и включается ЗУ. Светодиод VD3 гаснет и начинает светиться VD2. Если во время заряда аккумуляторы были извлечены из зарядного устройства до окончания процесса заряда, то из-за работающего ЗУ, напряжение на контактах держателя резко возрастёт. По этому признаку микроконтроллер узнаёт, что аккумуляторы были извлечены, и выключает режим заряда. В данном случае после установки аккумуляторов будет начат новый цикл разряд/заряд. По окончанию процесса заряда аккумулятора ЗУ отключается и начинает светиться VD4. За состоянием питающего напряжения следит аналоговый компаратор (вход AIN микроконтроллера).

Если напряжение на входе аналогового компаратора становится меньше необходимого значения, то происходит прерывание выполняемой программы, выходы контроллера переключаются на низкий уровень, состояние контроллера записывается в энергонезависимую память, и микроконтроллер переходит в режим ожидания.

Рисунок 15 - Блок-схема алгоритма работы МК

3.3 Расчеты, подтверждающие работоспособность устройства

3.3.1 Расчет ФНЧ

В данном устройстве ФНЧ выполняет функцию фильтрации помех. Поскольку в качестве пироэлектрического датчика используется датчик фирмы Banner Engineerihg M18TUP14Q, время отклика которого составляет 75 мс, то частота среза ФНЧ будет

Значение частоты гарантированного затухания ФНЧ примем равным 1 кГц. В качестве аппроксимирующей передаточной функции примем аппроксимацию Чебышева. Тогда порядок фильтра определяется

где - гарантированное затухание, =40 дБ;

- неравномерность АЧХ фильтра в полосе пропускания, =1 дБ.

Округляем полученный при расчете порядок фильтра в сторону ближайшего большего целого числа. По таблице полюсов равноволновой функции, аппроксимирующей частотную характеристику находим координаты полюсов, для значения неравномерности АЧХ в полосе пропускания 1 дБ

Определяем нормированные собственные частоты полюсов и их добротности

Осуществляем переход к физически реализуемому фильтру

.

Исходя из значения добротности и порядка фильтра, рассчитываем активное звено с Т-мостом приведенное на рисунке 15.

Рисунок 15 - ФНЧ второго порядка

Пусть С₁=С₂= 3300 пФ и R₁=R₂ тогда

Значение сопротивлений R₁ и R₂ округляем до ближайшего значения из ряда Е24 равное 3 кОм.

Примем R₃ равным 10кОм, тогда значение R₄ определяется

Значение сопротивления R₄ округляем до ближайшего значения из ряда Е24 равное 10 кОм.

3.3.2 Выбор номинала резисторов ограничивающих ток

Светодиоды общего назначения VD3…VD6, VD9 удовлетворительно работают при токах от 3 мА до 20 мА. Без ограничивающих резисторов, токи, протекающие через диоды могут достигать значений, при которых диод может выйти из строя. В связи с этим используются резисторы ограничивающие ток, расчет которых ведется следующим образом. Выходное напряжение на элементах DD1, DA2, DA5 равно 5 В. Примем, что падение напряжения на светодиоде равно 2 В. Тогда через ограничивающий резистор должен протекать минимальный ток 5 мА, и при этом падение напряжения на нем составляет 3 В. Таким образом, номинал резистора определяется по закону Ома

600 Ом.

Ближайший номинал из стандартного ряда - Е24, 620 Ом.

Диод VD4 подключен к напряжению 12 В. Соответственно падение напряжения на ограничивающем резисторе R14 составляет 10 В. Тогда по закону Ома

Номинал из стандартного ряда - Е24, 2 кОм.

3.3.3 Расчет элементов схемы управления ЗУ

В устройстве используется микроконтроллер фирмы Atmel AVR ATiny13 (DD1) с встроенным компаратором и АЦП. В качестве опорного напряжения используется внутренний источник напряжения с номинальным значением = 1,1 В. Порог срабатывания аналогового компаратора задается делителем напряжения на резисторах R4, R5. Напряжения питания считается нормальным, если напряжение на входе стабилизатора MC78L05 (DA1) составляет не менее = 7,5 В. Таким образом коэффициент передачи делителя напряжения R4- R5 составляет

.

Примем сопротивление R5 равным 10 кОм. Тогда сопротивление R4 определяется

Ближайший номинал из стандартного ряда - Е24, 56 кОм.

Поскольку в качестве источника питания используется аккумулятор с номинальным значением напряжения = 4,5 В, а опорное напряжение АЦП = 1,1 В, то коэффициент передачи делителя напряжения R9-R12 составляет

Примем сопротивление R9 равным 10 кОм. Тогда сопротивление R4 определяется

Номинал из стандартного ряда - Е24, 30 кОм.

Непосредственным источником напряжения для зарядки аккумулятора является стабилизатор тока на микросхеме LM317T (DA5). Ток заряда аккумулятора согласно рекомендациям изготовителей примем равным 200 мА. Резистор R16 определяет ток заряда и рассчитывается по формуле

Номинал из стандартного ряда - Е24, 7,5 Ом.

Для включения/выключения зарядки используется каскад на транзисторах VT2, VT3. Когда на выходе 2 микроконтроллера DD1 низкий уровень, транзистор VT2 закрыт, а транзистор VT3 открыт и соединят вход ADJ микросхемы DA2 с общим проводом. При этом напряжение на выходе микросхемы DA2 уменьшается до 1,25 вольта. Если на выходе 2 микроконтроллера DD1 появляется высокий уровень, то транзистор VT2 открывается, а транзистор VT3 закрывается, и микросхема DA2 начинает работать как стабилизатор тока. Диод VD8 не даёт аккумуляторам разряжаться при выключенном стабилизаторе тока. Диод VD7 и резистор R17 создают небольшой сдвиг уровня выходного напряжения, чтобы уменьшить выходное напряжение микросхемы DA2 в выключенном состоянии. Примем сопротивление R23 равным 1 кОм.

3.3.4 Расчет аттенюатора и согласующего устройства

С выхода пироэлектрического датчика через ФНЧ, аттенюатор и СУ напряжение поступает на АЦП. В качестве пироэлектрического датчика используется датчик фирмы Banner Engineerihg M18TUP14Q. Максимальное выходное напряжение датчика = 10 В. В качестве DD3 используется 8 битный АЦП AD7478. Микросхема работает от униполярного питания +5 В. В качестве источника опорного напряжения АЦП используют внутреннее напряжение питания, что позволяет достичь широчайший динамический диапазон входных напряжений, так как этот диапазон лежит в пределах от 0 В до U_пит. Таким образом, максимальное входное напряжение АЦП составляет = 5 В. Тогда коэффициент ослабления аттенюатора определяется

Примем сопротивление R11 равным 10 кОм. Тогда сопротивление R10 определяется

Номинал из стандартного ряда - Е24, 10 кОм.

Поскольку минимально выходное сопротивление датчика M18TUP14Q составляет 2,5 кОм для согласования выходного сопротивления датчика и входного сопротивления АЦП используется повторитель напряжения. АЦП имеет широкую полосу пропускания - 100 кГц при отношения сигнал/ шум = 70 дБ. Для избежание дополнительной погрешности в качестве DA3 использован прецизионный ОУ AD8628 со следующими характеристиками:

- коэффициент усиления без цепи обратной связи 1,7 В/мкВ;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала 120 дБ;

- начальное смещение 5 мВ;

- начальный ток смещения 100 пА;

- спектральная плотность шума ;

- скорость наростания напряжения 1 В/мкс;

- частота единичного усиления 2,5 МГц;

- напряжение питания +5 В.

Заключение

Анализ литературных источников позволяет сделать вывод об огромном значении температуры в промышленности и лабораторной исследовательской деятельности. Контроль температуры является неотъемлемой частью производства, как и с технической стороны (контроль качества, или температурных свойств материала), так и со стороны безопасности и экологичности (контроль дефектов и аномалий, утечек, агрессивных сред). Стремительное развитие электроники и вычислительной техники и огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 10 К) обусловил большое разнообразие методов и датчиков для их измерения.

В то же время измерению температуры контактными методами с помощью термометров, приводимых в тепловой контакт с объектом измерения, присущи специфические трудности, резко возрастающие по мере повышения температуры. Эти трудности связаны с выбором материала для чувствительного элемента, которые бы обеспечивали стабильность показаний и минимальное воздействие на объект измерений, с выбором изоляционных материалов для электрических термометров. Погрешности, связанные при контактных измерениях с несовершенством теплового равновесия между термометром и объектом, с плохим тепловым контактом и посторонними тепловыми влияниями могут быть значительными.

Измерение температуры по тепловому излучению создает возможность обойти все эти трудности, так как отсутствует прямое воздействие температуры на конструкционные материалы измерительного прибора, а само измерение осуществляется бесконтактно более широком использовании датчиков температуры, термометров, пирометров и различных приборов измеряющих теплоту, разнообразие которых позволяет решить множество сложных задач. Появившиеся в последнее время приборы автоматические потенциометры, полупроводниковые датчики, электиреские термометры сопротивления удешевляют затраты на применения по сравнению с другими видами приборов измеряющие температуру и теплоту.

Практический опыт построения систем регулирования промышленных объектов показывает, что главное значение здесь приобретает не задача выбора алгоритмов функционирования регуляторов, а задачи построения оптимальной схемы получения регулятором текущей информации о состоянии объекта регулирования, которое отражает характер взаимодействия между двумя функциональными основными элементами системы регулирования и безопасная работа технологических агрегатов промышленности требует, применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования. Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 ⁰С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.

Список использованной литературы:

1. Агейкин Д.Г . Профос П., Измерение в промышленности Измерения и аппаратура. Справочник. - М. : Москва «Металлургия», 1990. - 384 с.

2. Виглеб Г., Датчики. Устройство и применение. - М. : Изд. Мир, Москва, 1989. - 192 с.

3. Евдокимов И.Н., Методы и средства исследований. ч.1 Температура. -М. : Москва, 2004. - 106 с.

4. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С., Теплотехнические измерения и приборы. - М. : МЭИ, Москва, 2005. - 221 с.

5. Клаассен К.Б., Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной в технике. - М. : Постмаркет, Москва, 2000. - 353с.

6. Левшина Е.С., Новицкий П.В., Электрические измерения физических величин. - М. : ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, Ленинград, 1983. - 320 с.

7. Олейник Б.В. Приборы и методы температурных измерений. - М. : Изд. Стандартов, Москва, 1987. - 292 с.

8. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Уч. пособие для вузов. - Изд. «Энергия», Москва, 1978. - 704 с.

9. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П., Методы и средства измерения. - М. : Изд. Центр «Академия наук», 2006. - 332 с.

10. Фрайден Дж., Современные датчики. Справочник - М. : Изд. Техносфера, Москва, 2005. - 592 с.

11. Чистяков С. Ф., Радун Д. В., Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Высшая школа, 1972. - 392 с.

Размещено на Allbest.ru