Главная Коллекция "Otherreferats" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Измерительный преобразователь для датчика температуры

Измерительный преобразователь для датчика температуры

Применение датчиков температуры. Электрические измерительные преобразователи, коэффициенты уравнения идеальной линейной характеристики и погрешности. Разрядность аналого-цифрового преобразования. Способ подключения термопреобразователя сопротивления.дных

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид контрольная работа
Язык русский
Дата добавления 16.11.2011
Размер файла 703,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Датчики

Толчком к совершенствованию и повсеместному внедрению автоматизированных систем управления (АСУ) послужило стремительное развитие электроники и вычислительной техники. АСУ в настоящее время широко применяются в самых разных областях промышленности, в научных исследованиях, в бытовых приборах.

В значительной мере развитие автоматизированных систем управления определяется возможностями получения информации об измеряемом параметре, что является функцией первичных измерительных преобразователей - датчиков. Датчики преобразуют величину измеряемого параметра в выходной сигнал, который в дальнейшем может использоваться для регулирования процессов.

Датчик является первичным измерительным преобразователем, так как он непосредственно взаимодействует с объектом измерения.

В соответствии с видом измеряемой величины различают датчики температуры, давления, угла поворота, скорости и т.д. По виду выходного сигнала используются датчики постоянного и переменного тока, частотные датчики, датчики кода и др.

В данном случае датчиком является термометр сопротивления, осуществляющий преобразование температуры объекта в сопротивление. Информативным параметром термопреобразователя сопротивления является сопротивление постоянному току. Номинальная статическая характеристика представлена зависимостью . Для обработки выходного сигнала датчика используется измерительный преобразователь.

Так как термопреобразователь сопротивления состоит только из чувствительного элемента, он является датчиком с естественным выходным сигналом.

По принципу возбуждения выходного сигнала, все датчики делятся на пассивные и активные датчики. Пассивным датчикам для получения выходного сигнала необходим внешний источник возбуждения. Чтобы измерить сопротивление терморезистора, требуется вначале пропустить через него ток, а затем измерить падение напряжения на датчике, вызванное этим током. Термопреобразователи сопротивления являются пассивными датчиками.

В отличие от пассивных датчиков, активные датчики (т.н. датчики с самовозбуждением), наоборот, генерируют свой собственный электрический сигнал, в зависимости от внешнего воздействия, без приложения к ним внешних напряжений или токов. Примерами активных датчиков являются термопары и фотодиоды, которые генерируют термоэлектрические напряжения и фототоки, не зависящие от внешних цепей.

Термопреобразователь сопротивления - это пассивный датчик температуры. Для формирования электрического сигнала, содержащего информацию о температуре, необходимо наличие внешнего источника напряжения или тока. Этот источник должен входить в состав измерительного преобразователя.

Применение датчиков температуры

Одним из основных измерительных параметров является температура. Она измеряется практически во всех сложных технологических процессах. Датчики температуры широко применяются в промышленности. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах - там, где другие параметры измерить невозможно. Например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д.

В повседневной жизни, в бытовых приборах также применяются датчики температуры. Например, для регулирования температуры воды в системе отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры. Или регулирование температуры нагрева воды в автоматических стиральных машинах, регулирование температуры электрических плит, электрических духовок и т.п.

В зависимости от назначения и области применения датчиков температуры различаются их характеристики: погрешность, рабочий диапазон температур, скорость реакции и др. Одними из самых точных датчиков температуры в диапазоне температур от 13,81 К до 903,89 К являются платиновые термопреобразователи сопротивления (ТС).

Платиновые ТС отличаются наиболее высокой стабильностью характеристики R(t). Номинальная статическая характеристика платиновых ТС приведена в ГОСТ 6651-94 «Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний».

Измерительные преобразователи

Измерением называют нахождение значений физических величин опытным путем с использованием специальных технических средств.

Измерительный преобразователь - это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, обработки и/или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Электрические измерительные преобразователи

Электрические сигналы первичных измерительных преобразователей датчиков, хотя и несут в измерительную информацию, но не могут быть использованы непосредственно для получения результата измерения. Этому препятствуют нелинейность статических характеристик, низкая нагрузочная способность, низкий уровень выходного сигнала, соизмеримый с уровнем помех, необходимость преобразования сигнала в унифицированную форму, приемлемую для средств отображения и регистрации измерительной информации, а также для средств автоматизации и вычислительной техники.

Поэтому между датчиками и конечными устройствами, использующими измерительную информацию (например, индикаторами или средствами вычислительной техники) используются промежуточные электрические измерительные преобразователи.

Основные функции, реализуемые в электрических измерительных преобразователях - это усиление, преобразование уровней, гальваническая развязка, линеаризация и фильтрация.

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200 °С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01 °С. Они вырабатывают на выходе термо-э.д.с. в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

Расчет измерительного преобразователя

1. Зависимость: Е = f (t).

E - термо-электродвижущая сила (термо-э.д.с.) термопары (мВ).

T - температура (С).

Чтобы построить НСХ термопары ТХА(К) я использую данные из ГОСТ 3044-84, которые приведены в таблице 1 (-2-).

Таблица 1

Температура

рабочего конца, єС

термо-э.д.с., мВ

для температуры, єС

термо-э.д.с., мВ

для температуры, єС

(идеальная прямая)

Погрешность нелинейности

-1-

-2-

-3-

-4-

0

0

0

0

50

2,022

2,0153

0,0067

100

4,095

4,0306

0,0644

150

6,137

6,0459

0,0911

200

8,137

8,0612

0,0758

250

10,151

10,0765

0,0745

300

12,207

12,0918

0,1152

350

14,292

14,1071

0,1849

400

16,395

16,1224

0,2726

450

18,513

18,1377

0,3753

500

20,64

20,153

0,487

550

22,772

22,1683

0,6037

600

24,902

24,1836

0,7184

650

27,022

26,1989

0,8231

700

29,128

28,2142

0,9138

750

31,214

30,2295

0,9845

800

33,277

32,2448

1,0322

850

35,314

34,2601

1,0539

900

37,325

36,2754

1,0496

950

39,31

38,2907

1,0193

1000

41,269

40,306

0,963

1050

43,202

42,3213

0,8807

1100

45,108

44,3366

0,7714

1150

46,985

46,3519

0,6331

1200

48,828

48,3672

0,4608

1250

50,633

50,3825

0,2505

1300

52,398

52,3978

0,0002

2. Идеальная линейная характеристика преобразования по температуре - это прямая соединяющая крайние точки заданного диапазона температуры, значения термо-э.д.с. которого приведены в таблице 1 (-3-).

Уравнение прямой получено на следующем листе.

;

;

;

;

.

Идеальная линейная характеристика

Рассчитаем коэффициенты уравнения идеальной линейной характеристики, т.е. прямой, проходящей через начальную и конечную точки заданного температурного диапазона.

при t=0 Lид(0)=R0=100;

при t=150 Lид(150)=R(150)=158,23.

Тогда уравнение идеальной линейной характеристики примет вид

Lид=100 + (152,23 - 100) · t /150 = 100+0,3882t.

Идеальная линейная характеристика в зависимости от температуры показана фиолетовой линией на рисунке 1.

По графику рисунка 1 видно, что зависимость сопротивления термопреобразователя от температуры нелинейная, т.к. характеристика R(t) не совпадает с идеальной линейной характеристикой.

Погрешность нелинейности характеристики R(t)

На рисунке 2 показан график отклонения характеристики термопреобразователя сопротивления R(t) от идеальной прямой, т.е разности между значением линейной характеристики и нелинейной характеристикой R(t). Это абсолютная погрешность нелинейности характеристики преобразования.

Максимальная величина отклонения R(t) от идеальной прямой соответствует температуре 78 °С и равна Аmax = -0,33 Ом.

Рисунок 2. График отклонения реальной характеристики от идеальной

Относительная погрешность нелинейности характеристики в этой точке равна отношению отклонения от линейной характеристики к значению характеристики R(t):

дMAX= = 0,253 %

Класс точности 0,25 соответствует пределу допускаемой относительной погрешности 0,25 %. Для обеспечения запаса по погрешности 20 % необходимо ужесточить требования к классу точности, т.е. для удовлетворения заданному классу точности 0,25 с запасом по погрешности 20% необходимо, чтобы максимальная относительная погрешность нелинейности дMAX не превышала 0,25 - 0,25 · 0,2 = 0,2 %.

Для удовлетворения требованиям по классу точности необходимо линеаризовать характеристику R(t).

Определение разрядности АЦП

Определим разрядность аналого-цифрового преобразования. Так как погрешность преобразователя не должна превышать ±5 единиц младшего значащего разряда (МЗР), при этом класс точности должен быть 0,2 (с учетом запаса по погрешности 20 %), то рассчитаем требуемое количество разрядов АЦП, исходя из погрешности 0,2 %.

Погрешность преобразователя (5 МЗР) не должна превышать 0,2 %, в таком случае разрешающая способность, т.е. 1 МЗР < 0,2 / 5 = 0,04 %. Если младший значащий разряд составляет 0,04 % от полного выходного сигнала АЦП, то число возможных состояний выхода АЦП: 100% / 0,04% = 2500.

Отсюда следует, что количество разрядов АЦП равно log2 2500 = 11,3 < 12 разрядов.

Таким образом, для обеспечения заданной точности преобразования требуется разрядность АЦП не менее 12 (10 разрядов на преобразование и 2 на линеаризацию).

Выбор способа линеаризации характеристики преобразователя по температуре. Способ подключения термопреобразователя сопротивления

Измерительные цепи терморезисторов строят обычно или на основе уравновешенных мостов или используя преобразование сопротивления в напряжение.

Так как информационный сигнал с термометра сопротивления должен быть преобразован в цифровую форму, то в данном случае в измерительной цепи используется преобразование сопротивления в напряжение.

Термопреобразователь сопротивления - пассивный датчик, поэтому для формирования электрического сигнала ему необходим специальный стабилизированный источник напряжения или тока. Простейшая схема подключения такого датчика - 2-х проводная. По двум проводам, связывающим датчик с ИП, передается ток питания терморезистора и снимается падение напряжения на сопротивлении терморезистора.

Минус такой схемы - сопротивление линии связи вносит погрешность в измерение.

Для уменьшения влияния линии связи применяют трехпроводную схему подключения. Подключение терморезистора по трехпроводной схеме показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Трехпроводная схема подключения

В этой схеме преобразователя сопротивления в напряжение, содержащей неравновесный мост, в одно из плеч которого включен по трехпроводной схеме терморезистор RИ. Благодаря использованию в цепи операционного усилителя ОУ достигается линейная зависимость выходного напряжения Uвых от сопротивления R0.

В данной схеме при R1 = R2 = R3 = R и RИ = R + ДR выходное напряжение равно:

UВЫХ = ;

Как видно из выражения сопротивления проводов r1 и r3 компенсируют друг друга и при r1 = r3 выходное напряжение равно:

UВЫХ = ;

Напряжение питания Uo ограничивается значением допустимого тока через терморезистор, ток через терморезистор определяется по формуле I=U0/R1.

Радикальным методом борьбы с влиянием проводов соединительной линии является использование четырехпроводного включения терморезистора. Такая схема обеспечивает наибольшую точность измерений, в том числе при малом изменении ДR и протяженной линии связи.

Рисунок 4. Четырехпроводная схема подключения термосопротивления

Через терморезистор протекает ток I, задаваемый стабилизатором тока или специальным источником с большим внутренним сопротивлением. Таким образом, сопротивления проводов r1 и r4, а также изменение сопротивления RИ не влияют на ток I. Если для измерения напряжения UВЫХ использовать вольтметр с высоким входным сопротивлением, то сопротивления проводов r2 и r3 также не повлияют на результат измерения. Так обеспечивается практически полное исключение погрешностей, вызванных нестабильностью сопротивлений проводов соединительной линии, а напряжение UВЫХ определяется простым соотношением Uвых = I ·RИ.

Линеаризация характеристики терморезистора при подключении по четырехпроводной схеме

Один из возможных вариантов цепи с источником тока и четырехпроводной соединительной линией показан на рисунке 5. Источник тока здесь построен на основе операционного усилителя ОУ1 и резисторов с сопротивлениями R1 - R4. Если в такой цепи установить R4/R3 = R2/R1, то ток I0, поступающий в терморезистор RИ будет определяться соотношением I0 = Uo/R3.

Рисунок 5. Четырехпроводное подключение терморезистора с линеаризацией сопротивления

Операционный усилитель ОУ2 обеспечивает поддержание нулевого потенциала на нижнем зажиме терморезистора RИ вне зависимости от сопротивления проводов r3 и r4. Благодаря этому напряжение между проводом r2 и землей оказывается пропорциональным RИ и отпадает необходимость в использовании дифференциального усилителя.

Если требуется, чтобы при начальном значении сопротивлении терморезистора RИ = Ro обеспечивалось равенство выходного напряжения UBbLX нулю, то отношение R6/R5 следует выбирать в соответствии с равенством R6 /R5 = Ro / (R3 -- Ro). Тогда UBbIX = U0·(RИ - Ro) / (R3 - Ro).

Вводя в измерительную цепь рисунка 5 резистор R7, можно линеаризовать характеристику преобразования температуры в сопротивление. При введении R7 нужно скорректировать значения сопротивлений R2 - R4 так, чтобы выполнялось равенство:

R4 · (R3 + R7) / (R3 · R7) = R2 / R1.

При этом ток I0 оказывается равным:

I0 = U0 / R3 + UВЫХ / R7.

Тогда

Uвых = ; (1)

Рассчитаем параметры этой схемы для термопробразователя сопротивления ТСП100П. Ro = 100 Ом. Зададим опорное напряжение Uo = 5 В и ток через терморезистор I0 = 0,1мА. Тогда R3 = Uo / Io = 5 кОм. Примем R3 = 5,1 кОм.

Соотношение R4 · (R3 + R7) / (R3·R7) = R2 /R1 примем равным 1/2.

Выходное напряжение по формуле (1) зависит от сопротивления R7. Путем подбора и расчета погрешности нелинейности выходного напряжения при заданных Ro, Uo и R3 было найдено оптимальное значение R7, равное 2,7 кОм. При этом относительная погрешность нелинейности выходного напряжения составляет 0,062 %.

Относительная погрешность нелинейности выходного напряжения, равная 0,062 %, удовлетворяет требуемому классу точности преобразователя.

Выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 5, с выбранными параметрами, изменяется практически линейно в диапазоне от 0 В при температуре 0 °С до 62 мВ при температуре 150 °С.

Выбор принципа работы АЦП. Виды аналого-цифровых преобразователей

Функцией аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) является преобразование аналогового сигнала в цифровой код, пропорциональный амплитуде входного сигнала.

По принципу работы АЦП бывают следующих видов:

АЦП последовательного приближения. Преобразователь при помощи вспомогательного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным. Сначала входной сигнал сравнивается с сигналом, соответствующим установленному в «1» старшему разряду. Если входной сигнал больше эталонного, то старший разряд выходного кода устанавливается в «1», если меньше - то в «О». Затем входной сигнал сравнивается с сигналом, соответствующим второму разряду (с учетом уже выбранного старшего разряда). Таким образом, эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала.

АЦП последовательного приближения чаще всего построены на основе ЦАП по схеме R-2R.

Результирующая точность и линейность АЦП последовательного приближения определяется главным образом соответствующими характеристиками внутреннего ЦАП. До недавних пор требуемой точности и линейности добивались с помощью лазерной подгонки, что, во-первых, увеличивало стоимость, а во-вторых, предъявляло повышенные требования в части механических ударов при упаковке микросхем в корпуса.

Поэтому, в современных АЦП последовательного приближения нашли широкое применение схемы на переключаемых конденсаторах. Преимущество использования схем на переключаемых конденсаторах в том, что линейность и точность АЦП достигается главным образом за счет использования в процессе изготовления микросхем фотолитографии, с помощью которой можно точно контролировать площади конденсаторов их емкости, а также соответствия между их номиналами. Для достижения более высокой точности вместо лазерной подгонки используется следующая методика - параллельно основным конденсаторам большей емкости подключаются конденсаторы меньшей емкости, которые управляются схемами автокалибровки. Разница ТКЕ между различными переключаемыми конденсаторами, может быть лучше 1·10-6/°С, что позволяет обеспечить высокую температурную стабильность.

Конструктивно АЦП последовательного приближения проще и требуют меньших аппаратных затрат на реализацию.

Параллельные АЦП. Отличаются более высоким быстродействием, чем АЦП последовательного приближения, так как сравнение происходит по всем разрядам одновременно. Входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно 2N-1, где N - разрядность цифрового кода, что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12. Для 12-разрядного АЦП число схем сравнения должно быть равно 4095. АЦП этого типа отличаются высоким быстродействием, но увеличение разрядности требует больших аппаратных затрат.

АЦП с измерением временных интервалов. К АЦП с измерением временных интервалов относится большая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временные интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты. Иногда они также называются считающими АЦП.

АЦП с измерением временных интервалов в основном бывают следующих трех типов:

АЦП последовательного счета, или однократного интегрирования - в каждом такте преобразования запускается генератор линейно возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным. Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП последовательного приближения.

АЦП двойного интегрирования - в каждом такте преобразования вход ной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда.

следящие АЦП - вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от предыдущего значения до текущего.

Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в течение всего времени преобразования.

Выбор АЦП

Одним из самых простых аналого-цифровых преобразователей являются АЦП последовательного приближения. В некоторых случаях они не могут применяться, если требуется высокая скорость преобразования или высокая разрешающая способность (более 16 разрядов). Требуемая разрядность АЦП определяется классом точности прибора, она была рассчитана в пункте 3.4. В разрабатываемом измерительном преобразователе входной сигнал медленно изменяется со временем. Определим возможность применения АЦП последовательного приближения с точки зрения быстродействия. Проверим, выполняется ли следующее условие: АЦП можно применить для преобразования в код изменяющегося во времени сигнала, если за время одного преобразования АЦП входное напряжение изменяется на величину не более 1 кванта АЦП.

Для 12-разрядного АЦП один квант (разрешающая способность) равна 0,04% от максимального значения. Один квант q для АЦП последовательного приближения с дискретным делителем напряжения по схеме R-2R, при опорном напряжении +5 В равен q =U0 / (Nma + l) = 5/(212+1) = 1,53- 10 -4 В.

Напряжение на выходе схемы линеаризации изменяется на 62 мВ в диапазоне температур от 0 до 150°С, т.е. 0,413 мВ на 1°С. Время реакции датчика на изменение температуры составляет более 10 с, т.е. такой датчик может правильно измерять температуру, которая изменяется на 1 ,°С за время не менее 10 с. Тогда и выходное напряжение на выходе узла линеаризации будет изменяться на 0,413 мВ за время не менее 10 с.

Напряжение с выхода узла линеаризации не может быть напрямую передано на АЦП, его предварительно нужно масштабировать, т.е. усилить до значений, соответствующих диапазону входных значений АЦП.

Пусть диапазон входных напряжений АЦП 0 - 5 В. Тогда коэффициент передачи усилителя по напряжению должен быть не менее 5 В/0,062 В = 80,65.

За 10 с напряжение на входе АЦП изменится на 0,413-80,65 = 33,3 мВ.

Время преобразования АЦП последовательного приближения пропорционально числу тактов. Время одного такта современных АЦП не превышает (0,5 - 5) мкс, т.е. время преобразования 12-разрядного АЦП составляет не более 60 мкс.

Определим, насколько изменится напряжение на входе АЦП за 60 мкс, если за 10 с оно изменяется на 33,3 мВ: Дu = (60 мкс · 33,3 мВ) / 10 с = 2·10-4 мВ. Эта величина намного меньше кванта АЦП.

Следовательно, для аналого-цифрового преобразования можно применить АЦП последовательного приближения.

Расчет времени преобразования измерительного преобразователя

Суммарное время преобразования измерительного преобразователя зависит от времени реакции термопреобразователя, времени преобразования АЦП и времени фильтрации выходного сигнала с помощью цифрового фильтра.

Наибольшую задержку в преобразование вносит сам терморезистор, имеющий время реакции 10 с.

Время преобразования в узле АЦП не превышает 60 мкс (см. пункт 3.6).

Цифровой фильтр, стоящий после аналого-цифрового преобразователя, должен исключить из спектра сигнала высокие частоты, и пропустить только полезный низкочастотный сигнал. Оценим время задержки сигнала в цифровом фильтре. Время преобразования АЦП составляет 60 мкс, отсюда найдем частоту дискретизации АЦП как 1/60 мкс = 16,6 кГц. Фильтр должен срезать эту частоту и все частоты выше этой. Скорость изменения полезного сигнала очень низкая (время реакции датчика 10 с). Выберем частоту среза равной 1 кГц для того, чтобы подавить все частоты выше 1 кГц. Тогда фильтр пропустит все сигналы с частотой ниже 1 кГц, т. е. периодом более 1 мс. Таким образом, задержка обработки сигнала цифровым фильтром равна 1 мс.

Суммарное время преобразования равно

Тпр = 10 с + 60 мкс + 1 мс = 10 + 0,00006 + 0,001 = 10,00106 с.

Структурная схема измерительного преобразователя, описание устройства и принципа действия

Структурная схема измерительного преобразователя приведена на рисунке 6.

Первичным измерительным преобразователем является датчик температуры Д - термопреобразователь сопротивления ТСП100П. Термопреобразователь сопротивления - пассивный датчик, поэтому для получения информации об измеряемом параметре - температуре, необходимо пропустить через него ток и измерить на нем падение напряжения UД. Напряжение будет пропорционально сопротивлению датчика R(t). Как и сопротивление датчика, напряжение на нем будет изменяться нелинейно в зависимости от температуры.

Для линеаризации сигнала датчика используется узел линеаризации, принципиальная схема которого показана на рисунке 5. Напряжение Uл на выходе узла линеаризации изменяется практически линейно в зависимости от температуры (погрешность линеаризации составляет не более 0,062 % -см. пункт 3.5). Диапазон изменения линеаризованного напряжения - от 0 при температуре 0 °С до 62 мВ при температуре 150 °С.

Рисунок 6. Структурная схема преобразователя

Д - датчик (термопреобразователь сопротивления)

У - усилитель

ГР - гальванический разделитель

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

Ф - фильтр

ИП1, ИГО -источники стабилизированного напряжения питания

Т - температура

Uд - напряжение, снимаемое с датчика и пропорциональное его сопротивлению

I0 - ток, пропускаемый через пассивный датчик

Uл - линеаризованное напряжение на выходе узла линеаризации

UОП1 , UОП2 - опорные напряжения питания

N - двоичный код на выходе АЦП, пропорциональный температуре

NФ - двоичный код на выходе цифрового фильтра, пропорциональный температуре

Измерительную информацию несет сигнал постоянного тока в диапазоне о 0 до 62 мВ. Диапазон его изменения очень мал и при достаточно длинной линии связи может быть сравним с уровнем помехи. Для исключения влияния внутреннего сопротивления датчика, а также сопротивления линий связи, входное напряжение измерительного преобразователя должно составлять приблизительно 106-108 Ом. В то же время для внешних устройств, с которыми сопрягается измерительный преобразователь, используются сигналы более высокого уровня, изменяющиеся в диапазоне от 0 до 5 В или от 0 до 10 В. Максимальная мощность, потребляемая внешними устройствами с выхода измерительного преобразователя, может достигать 0,05 - 0,5 Вт. Следовательно, ИП должен обеспечивать на аналоговом выходе усиление по напряжению Кu = 102 - 103 и усиление по мощности КР = 1010 - 1012. Для усиления полезного сигнала используется усилитель У. Коэффициент усиления по напряжению подбирается таким образом, чтобы выходное напряжение усилителя соответствовало диапазону входных напряжений АПЦ, например, от 0 до 5 В.

АЦП - аналого-цифровой преобразователь - один из основных элементов данного измерительного преобразователя.

Функцией АЦП является преобразования входного напряжения в выходной двоичный код N. В данном случае для обеспечения достаточной точности и быстродействия используется 12-разрядный АЦП последовательного приближения.

Гальваническое разделение входных и выходных цепей

Датчик, линия связи и ближайшие к ней входные узлы измерительного преобразователя наиболее подвержены воздействию помех из-за низкого уровня полезного сигнала, протекающего через эти цепи. Один из наиболее распространенных механизмов проникновения помех в измерительный преобразователь - образование контуров заземления. При достаточно длинной линии связи точки заземления могут быть разнесены друг от друга на значительные расстояния, и между ними могут возникать значительные напряжения, порядка десятков вольт.

В промышленных условиях датчики имеют невысокую изоляцию от объекта, а иногда непосредственно соединены с заземленными частями оборудования. В результате, если входная часть измерительного преобразователя гальванически связана с заземленными частями системы или имеет невысокое сопротивление изоляции от них, то через входные цепи измерительного преобразователя и датчик будут протекать токи, создающие напряжение продольной помехи, превышающее уровень полезного сигнала.

Гальваническое разделение входных и выходных цепей, выполняет функцию размыкания контуров заземления. В этом случае продольная помеха может проникнуть в систему только активные и реактивные составляющие сопротивления изоляции, и по амплитуде будет на несколько порядков меньше, чем в системах без гальванического разделения.

В соответствии с назначением гальванических разделителей (ГР) их качество определяется характеристиками изоляции между входными и выходными цепями - электрическим сопротивлением и электрической прочностью. В то же время, поскольку ГР входят в измерительный тракт, не менее важными являются их метрологические характеристики.

В общем случае в ГР содержатся два гальванически не связанных элемента, информация между которыми передается через магнитный или световой поток. Соответственно в качестве элементов гальванического разделения могут использоваться например, трансформаторы или оптико-электронные элементы.

В данной схеме гальваническое разделение реализовано с помощью оптопары. Для гальванического разделения применяется оптоэлектронный преобразователь, состоящий из светодиода и фототранзистора. Входной ток протекает через светодиод и вызывает пропорциональный световой поток. Фототранзистор под действием светового потока вырабатывает фототок, пропорциональный величине светового потока, а значит и величине тока, протекающего в цепи светодиода.

Фильтрация

В общем случае информативный параметр выходного сигнала датчика занимает узкую полосу частот шириной в единицы герц. В то же время полный сигнал на входе измерительного преобразователя представлен в большинстве случаев широким спектром частот до нескольких десятков килогерц. Большую часть этого спектра занимают собственные шумы и помехи. В промышленных условиях наибольшую амплитуду имеет помеха сетевой частоты. Сигнал на выходе АЦП может содержать ошибки, вызванные помехами в линиях связи, например с частотой сети 50 Гц и её гармониками. Напряжение помех может привести к росту случайной составляющей погрешности преобразователя. Кроме того, измерительный преобразователь может сам служить источником помех. Так как в измерительном канале измерительного преобразователя используется преобразование формы напряжения в узле линеаризации, то в выходном сигнале преобразователя могут присутствовать различные нелинейные составляющие, представленные в спектре выходного напряжения высокими частотами.

Для подавления сетевой частоты и ее гармоник, а также внутренних шумов измерительного преобразователя применяется цифровой фильтр низких частот. Преимущество применения цифрового фильтра в том, что он не оказывает влияния на метрологические характеристики измерительного преобразователя и не вносит искажений в измерительные цепи.

Цифровой фильтр может быть реализован на базе того же устройства, которое использует сигнал измерительного преобразователя, например, в микропроцессоре или ЭВМ.

Выходной сигнал измерительного преобразователя - это сигнал на выходе цифрового фильтра NФ . Это пропорциональный измеряемой температуре двоичный код.

цифровой преобразователь датчик измерительный

Список использованной литературы

1.Ноткин Ю.А., Лопатка К.Н., Визгин Ю.И. «Многоканальные измерительные преобразователи», С-Петербург, Энергоатомиздат, 1992 г.

2.Левшина Е.С., Новицкий П.В. «электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи», Ленинград, Энергоатомиздат, 1983 г.

3.Кончаловский В.Ю. «Цифровые измерительные устройства». Москва, Энергатомиздат, 1985 г.

4.Гальперин М.В. «Практическая схемотехника в промышленной автоматике», Москва, Энергоатомиздат, 1987 г.

5.Гнатек Ю.Р. «Справочник по цифроаналоговым и аналогово-цифровым преобразователям», Москва, «Радио и связь», 1982 г.

6.ГОСТ 6651-94 «Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний».

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены